ZnO yarıiletkenine nikel ve indiyum katkılamanın gaz sensör algılama özelliklerine etkisi
The effect of nickel and indium dopant on gas sensing properties of ZnO semiconductor
Yazar: BAKTIYAR SOLTABAYEV
Danışman: PROF. DR. SELİM ACAR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
İnsan nefesinde belirli bir konsantrasyonun üzerindeki varlığı astım hastalığını işaret eden NO gazı ayrıca yanma sonucunda açığa çıkan hava kirliliğine en çok neden olan zararlı gazlardan biridir. Bu önemli iki sebepten dolayı bu tez çalışmasında, düşük seviyede NO gaz konsantrasyonlarını algılayabilecek gaz sensörleri geliştirildi. Gaz sensörü olarak iki farklı seride metal oksit yarıiletken yapılar büyütüldü ve karakterizasyonları yapıldı. Katkı metalinin ve oranının gaz algılama özellikleri üzerindeki etkisini inceleyebilmek ve eniyileme yapabilmek için farklı konsantrasyonlarda nikel ile katkılanan ZnO (Zn1-xNixO) ve indiyum ile katkılanan ZnO (Zn1-xInxO) yapıları Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction (SILAR) metodu ile büyütüldü. Büyütülen sensörler 300 °C sıcaklıkta azot gazı ortamında tavlandı. Üretilen ince filmlerin yapısal ve morfolojik özellikleri X-ışını Kırınım Cihazı (XRD), Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM), Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM) ve Optik Soğurma ile incelendi. X-ışını kırınım desenlerinden, üretilen sensörlerin indiyum ve nikel konsantrasyon oranı değiştikçe amorf yapıdan polikristal yapısına gittiği belirlendi. SEM görüntülerinden katkı konsantrasyonuna bağlı olarak üretilerin sensörlerin morfolojik özelliklerinin değiştiği gözlendi. AFM görüntülerinden üretilen sensörlerin (RMS) yüzey pürüzlülüğünün indiyum katkılaması ile azaldığı görüldü. Optik soğurma ölçümlerinden katkılama oranı arttıkça yasak enerji aralıklarında değişim gözlendi. Ayrıca 27-250 °C sıcaklık aralığında, 20 Hz – 1,5 MHz frekans aralığında empedans ölçümleri yapıldı. Üretilen Zn1-xNixO yapıların gaz sensörü olarak çalışma sıcaklığının belirlenmesi için 30-140 °C sıcaklık aralığında, Zn1-xInxO sensörlerin ise 30-187 °C sıcaklık aralığında gaz algılama ölçümleri yapıldı. Zn1-xNixO yapıların optimum çalışma sıcaklığı 85 °C olarak, Zn1-xInxO yapıların ise 167 °C olarak belirlendi. Her iki seri sensörler için optimum çalışma sıcaklıklarında farklı gaz konsantrasyonlarında gaz algılama ölçümleri yapıldı. Üretilen sensörlerin 20 ve 100 ppb NO gaz konsantrasyonuna karşı duyarlılık gösterdiği görüldü. Üretilen sensörler içerisinde en yüksek duyarlılık Ni katkılı ZnO numunelerin içinde Zn0,75Ni0,25O nikel katkılı sensöründe, In katkılı ZnO numunelerinde ise IZO-3 indiyum katkılı sensöründe elde edildi. Bu tez çalışmasında astım hastalığının tayininde kullanılan düşük seviyede NO gaz konsantrasyonlarını algılayabilecek gaz sensörleri geliştirildi.

Abstract:
Detecting low concentrations of NO gas is challenging, especially when these minute concentrations could elevate asthma and combustion in the open air. For these two important reasons, gas sensors have been developed in this thesis that can detect low NO gas concentrations. Metal oxide semiconductor structures were synthesized and characterized in two different series as gas sensors. In order to investigate the effect of doping metal and its ratio on gas sensing properties and to optimize, ZnO structures doped with nickel (Zn1-xNixO) and indium (Zn1-xInxO) at different concentrations were grown with Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction (SILAR) method. The grown sensors were annealed in a nitrogen gas atmosphere at 300 °C temperature. Structural and morphological properties of the produced thin films were examined by X-ray Diffraction (XRD), Atomic Force Microscope (AFM), Scanning Electron Microscope (SEM), Optical Absorption. X-ray films are said to be made of polycrystalline amorphous structure, while the sensors produced show a change in indium and nickel concentration. Depending on the SEM image, it was observed that the morphological properties of the producing sensors changed. AFM images showed that surface roughness (RMS) of the sensors decreased with the addition of indium doping content. Looking at the optical absorption measurements, it was observed to fall in the band gap ranges due to the effect of the doping element. Also, the impedance properties of samples were investigated at the temperature of 27-250 °C in 20–1,5 MHz frequency range. The gas detection measurements were made at different temperature range to determine the working temperature of the produced gas sensor. In order to determine the operating temperature of the sensors, the gas detection measurements were made in the temperature range of 27-140 ˚C for Zn1-xNixO structures and in the temperature range of 27-187 °C for Zn1-xInxO structures. The optimum working temperature of Zn1-xNixO and Zn1-xInxZnO samples were determined as 85 °C and 167 °C, respectively. The gas sensing measurements were taken at optimal operating temperatures at different gas concentrations for both sensors. It was observed that the sensors produced were receptive to 20 and 100 ppb NO gas concentration. In this thesis, gas sensors detecting low levels of NO gas concentrations used in diagnosing asthma were developed.