SnO2 ince film gaz sensörlerinin geliştirilmesi
The development of SnO2 thin film gas sensors
Yazar: EMİNE BOYALI
Danışman: PROF. DR. MEHMET ÇAKMAK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında, RF magnetron püskürtme sistemi kullanılarak Si ve cam alttaşlar üzerine farklı kalınlıklarda (212 nm, 258 nm, 412 nm) katkısız SnO2 ince filmler kaplandı. Üretilen filmlerin yapısal, morfolojik, optik ve elektriksel karakteristiklerini belirlemek amacıyla sırasıyla XRD, AFM, UV-Vis ve Hall etkisi ölçüm sistemleri kullanıldı. Yapısal analizler sonucunda Si alttaşlar üzerinde SnO2 filmlerin oluştuğu tespit edildi. Filmlerin yüzey morfolojisi analizleri sonucunda yüzey pürüzlülük değerleri belirlendi. Katkısız SnO2 ince filmlerin enerji bant aralığı değerleri cam üzerine kaplanan numunelerin optik analizleri aracılığıyla belirlendi. Si alttaş üzerine farklı kalınlıklarda katkısız olarak kaplanan SnO2 ince filmlerin özdirenç ve Hall etkisi ölçümleri Van der Pauw tekniği kullanılarak 25-350 K sıcaklık aralığında 0,4 T'lik sabit manyetik alan altında gerçekleştirildi. SnO2 ince filmlerdeki mevcut iletim mekanizmasının metalik iletim olduğu tespit edildi. Gerçekleştirilen karakterizasyonlar neticesinde Numune C olarak adlandırılan katkısız SnO2 ince filminde gaz sensörü üretimine uygun parametreler olduğu tayin edildi. SnO2 gaz sensör aygıt üretimi; sırasıyla ısıtıcı fabrikasyonu, elektrot fabrikasyonu ve algılayıcı tabaka fabrikasyonu litografik işlem basamakları uygulanarak gerçekleştirildi. Üretilen gaz sensörünün, belirli çalışma sıcaklığında (25 °C, 100 °C, 200 °C), farklı bütan gazı konstantrasyonları (Hava, 250 ppm, 500 ppm, 750 ppm, 1000 ppm) altında gaz algılama özellikleri incelendi. Bütan gazına karşı duyarlılıkların 25 °C için ~% 0.45, 100 °C ve 200 °C için ise ~% 5 olduğu tespit edildi.

Abstract:
Within the scope of this thesis, undoped SnO2 thin films with different thicknesses (212 nm, 258 nm, 412 nm) were coated on Si and glass substrates using RF magnetron sputtering system. In order to determine the structural, morphological, optical and electrical characteristics of the films produced, XRD, AFM, UV-Vis and Hall effect measurement systems were used, respectively. As a result of the structural analysis, it was determined that SnO2 films were formed on Si substrates. Surface roughness values were determined by surface morphology analysis of the films. Energy-band gap values of undoped SnO2 thin films were determined via optical analysises of samples coated on glass. The resistivity and Hall effect measurements of undoped SnO2 thin films, which are coated with different thicknesses on Si substrate, were carried out under a constant magnetic field of 0.4 T in the temperature range of 25-350 K using the Van der Pauw technique. It was determined that the conduction mechanism in SnO2 thin films was metallic conduction. According to the characterization results; the parameters which is appropriate for the production of gas sensor in the undoped SnO2 thin film called as Sample C was obtained. The production of SnO2 gas sensor device was carried out by applying the lithographic processes which are heater fabrication, electrode fabrication and sensor layer fabrication, respectively. The characterizations of gas detection of the produced gas sensor were investigated under different butane gas concentrations (Air, 250 ppm, 500 ppm, 750 ppm, 1000 ppm) at certain operating temperature (25 °C, 100 °C, 200 °C). It was determined that while the sensivity of the produced sensor against butane gas was to be ~ 0.45 % for the operating temperature of 25 °C, it was to be ~ 5 % for the operating temperature of 100 °C and 200 °C.