Çevresel gaz algılama için 2B molibden dikalkogen tabanlı sensörlerin geliştirilmesi
Development of 2D molybdenum dichalcogenides-based sensors for environmental gas sensing
Yazar: ESRA KUŞ
Danışman: DOÇ. DR. FAHRETTİN SARCAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Fen bilimleri = Sciences ; Malzeme bilimi = Material science

Özet:
Bu tez çalışmasında, farklı tabaka kalınlıklarına sahip MoS2 tabanlı gaz sensörleri üretilerek uçucu organik bileşiklere karşı duyarlılığı incelenmiştir. Bu kapsamda farklı tabaka sayısına sahip sensörler üretilmiş ve malzeme Ultraviyole-Ozon ile fonksiyonelleştirilerek saf formda bulunan MoS2'ye göre uçucu organik bileşiklere olan tepkisi araştırılmıştır. Farklı kalınlıklardaki MoS2 pulları Kimyasal Buhar Biriktirme yöntemiyle üretilmiş külçe halinden mekanik soyma metoduyla elde edilmiş ve SiO2/Si(p+) alttaşlara transferi yapılarak Litografik süreçler ve Termal Buharlaştırma sistemiyle Au/Cr kontak yapıları ve nihayetinde sensör yapıları oluşturulmuştur. Mekanik soyma metoduyla üretilen MoS2'nin tabaka sayısını tespit etmek için fotoışıma ölçümleri ve üretilen gaz sensörlerinin elektriksel karakterizasyonu için sabit ve zamana bağlı akım-voltaj ölçümleri alınmıştır. Üretilen aygıtların farklı konsantrasyonlardaki uçucu organik bileşikler grubunda yer alan Etanol, Aseton, Hekzan ve Toluen gazlarının duyarlıkları ortam sıcaklığının ve neminin fonksiyonu olarak incelenmiştir. Gaz sensörlerinin 100oC'de ve %0 nem ihtiva eden ortamda gazlara tepki verdiği yapılan çalışmalarla gözlemlenmiştir. Bunula birlikte 100oC sıcaklık ve %0 nem konuşlarında, saf halde bulunan MoS2 tabanlı gaz sensöründe; her bir gazın 3000 ppm konsantrasyon değerinde Etanol gazına %18, Aseton gazına %3,5, Hekzan gazına %12 ve Toluen gazına %49 cevap verdiği gözlemlenmiştir. UV-O3 ile fonksiyonelleştirme yapılan MoS2 gaz sensöründe ise aynı konsantrasyon değerlerinde Etanol gazına %13,4 ve Aseton gazına %3,1, Hekzan gazına %4,1 ve Toluen gazına %6,7 cevap verdiği gözlemlenmiştir. UV-O3 ile fonksiyonelleştirme yapılan MoS2 gaz sensöründe Etanol ve Asetonun duyarlılığında saf MoS2 gaz sensörü ile kıyaslandığında nispeten düşüş olmadığı gözlemlenirken Hekzan ve Toluen duyarlılıklarında yaklaşık olarak 7 kat düşüş olduğu gözlemlenmiştir

Abstract:
In this study, MoS2-based gas sensors with different layer thicknesses were fabricated and their sensitivity to volatile organic compounds was investigated. The response of the sensors to volatile organic compounds was investigated according to the main material condition: MoS2 in pure form, and functionalised with the UV-O3. MoS2 flakes of different thicknesses were obtained from bulk produced by Chemical Vapor Deposition method by mechanical exfolation method and transferred on SiO2/Si(p+) substrates, Au/Cr contacts and ultimately sensor structures were formed by Lithographic processes and Thermal Evaporation processes. Electrical characterization of the gas sensors was carried out and photoluminescence measurements were taken to detection the number of layers of MoS2 produced by mechanical exfolation method. The sensitivities of the sensors to Ethanol, Acetone, Hexane and Toluene gases where in the volatile organic compounds group of the produced devices were investigated. Sensor sensitivities were investigated as a function of ambient temperature and humidity. It has been observed that gas sensors react to gases at 100oC and 0% humidity. However, at 100oC temperature and 0% humidity, the pure MoS2-based gas sensor has a respons of 18% to Ethanol gas, 3.5% to Acetone gas, 12% to Hexane gas and 49% to Toluene gas at a concentration value of 3000 ppm. On the other hand, the functionalised MoS2-material based gas sensor, at the same concentration values, has a respons of 13.4% to Ethanol gas, 3.1% to Acetone gas, 4.1% to Hexane gas and 6.7% to Toluene gas. It has been observed that there is no deterioration on the sensitivity of Ethanol and Acetone in the UV-O3 optimized MoS2 gas sensor compared to the pure MoS2 gas sensor, while there is an approximately 7-fold decrease in the sensitivity of Hexane and Toluene.