Gözenekli silisyum tabanlı sensörlerin hazırlanması ve incelenmesi
Preparation and investigation of porous silicon based sensors
Yazar: SÜREYYA AYDIN YÜKSEL
Danışman: PROF. DR. EMİN DURUL ÖREN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Bölümü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Difüzyon = Diffusion ; Gaz sensörü = Gas sersor ; Gözenekli silisyum = Porous silicon ; Hidrojen sülfür = Hydrogen sulfide ; Karbonmonoksit = Carbon monoxide

Özet:
Gözenekli silisyum (GS), kristal yapılı, boşlukların nanometre/mikrometre boyutlu silisyum bir ağ ile çevrelenmiş ve geniş yüzey alanı (~10^3 (m^2/cm^3)). ) ile karakterize edilen, tek kristal silisyumdan elektrokimyasal anodizasyon yöntemi ile elde edilen bir malzemedir. Gözenek yüzeyleri, Si-H ve Si-O bağları ile kaplıdır. Bu bağlar, gözenekli silisyumun elektriksel, optik, lüminesans ve gaz sensörü özelliklerinin değişiminde önemli rol oynamaktadır. Yapının gözenekliliği, Metal/Gözenekli Silisyum/Silisyum yapıların gaz sensörü olarak kullanılmasına yeni bir bakış açısı kazandırmıştır.Metal (Cu, Ag, Au)/GS/Si Schottky tipli yapıların nem voltaik etkinin yanı sıra, gaz (hidrojen sülfür, karbon monoksit) ve hidrojen içeren sıvı (çeşme suyu, distile su, etanol, metanol, deniz suyu, v.b) ortamlarında bir dış kaynaktan elektrik uygulanmasına gerek olmadan gerilim ürettikleri keşfedilmiştir.Bu tarzdaki sensörlerin kararlılıkları gözenek yüzeyleri boyunca I. Grup metallerin difüzyonu ile belirlenmektedir. Metal/GS/Si yapıların hazırlanma aşamasında maruz kaldıkları ısıl işlemlerde Cu, Ag ve Au'nun gözenekli silisyum yüzeyi boyunca difüzyonu ilk defa bu çalışmada incelenmiş ve metallerin GS yüzeyi boyunca difüzyonlarının tek kristal silisyumdaki hacim difüzyonlarına kıyasla çok büyük (~10^4-10^5 kat) oldukları belirlenmiştir.Au/GS/Si Schottky tipli yapıların oda sıcaklığında nem, karbon monoksit ve hidrojen sülfür gaz ortamlarında akım-gerilim karakteristikleri incelenerek, nem ve gaz atmosferlerinin Au/GS/Si, Au/GS yapılardaki akım gerilim karakteristiklerine etkidiği, özellikle ters yön akım-gerilim karakteristiklerinde belirgin farklılıklar oluşturduğu gözlenmiştir.Au/GS/Si yapının nem, karbon monoksit ve hidrojen sülfür gaz ortamlarında 480mV'a kadar açık devre gerilimi ürettiği ve duyarlılık parametreleri sırasıyla yaklaşık, 9 mV/RH, 4 mV/ppm ve 2 mV/ppm olduğu belirlenmiştir. Açık devre gerilimi üretimi, Au/GS/Si yapının hem gaz sensörü hem de mini hidrojen yakıt pili olarak kullanılmasına imkân verdiği belirlenmiştir. Au/GS yapının hidrojen veya gaz uyarımı ile elektrik üretme mekanizması hidrojen yakıt pillerinde kullanılan proton değiştirici membran (PEM: Proton Exchange Membrane) çalışma mekanizması esas alınarak açıklanmıştır.

Abstract:
The crystalline structure of porous silicon (PS), prepared by electrochemical anodization method, presents a network of silicon in nanometer/micrometer size regions surrounded by void space with a very large surface-to-volume ratio (up to 10^3 (m^2/cm^3)). The pore surfaces are covered by silicon hydrides and silicon oxides. These bonds govern electrical, optical and luminescence properties as well as gas sensor. The porosity of the structure initiates a new perspective as gas sensor in the form of metal/PS structure.Apart from the humidity voltaic effect, voltage can be produced without externally supplied within various gases ambient such as carbon monoxide, hydrogen sulphur and hydrogen containing liquids (water, distilled water, ethanol, methanol, and sea water) for metal (Cu, Ag or Au)/PS Schottky type structure. In other words, new type gas sensors on basis of metal/PS structures operate well without externally biased.Stability of such sensors in operation depends on diffusion of metals along the pore surface, lied in Group I in periodic table. Mainly, this work discusses the Cu, Ag and Au diffusion along the surface of porous silicon under heat treatment for the first time. Diffusion coefficients of Cu, Ag and Au along PS surfaces are large by a factor of 10^4-10^5 compared with that of monocrystalline Si.The current-voltage characteristics of the Au/PS/Si Schottky-type structures were investigated in humid, carbon monoxide and hydrogen sulphur gas ambient. It was found that the gas atmosphere influenced the current voltage characteristics of Au/PS/Si and Au/PS structures, particularly in the reverse currents.The generation of the open-circuit voltage (up to 480mV) was observed at Au/PS junction within humid, carbon monoxide and hydrogen sulphur atmosphere. Quite high values of humidity, carbon monoxide and hydrogen sulphur sensitive parameters (about 9mV/RH, 4 mV/ppm and 2 mV/ppm, respectively) reveal the possibility of both the gas sensors and mini hydrogen fuel cells, based on Au/PS/Si structure. A mechanism of the gas-stimulated generation of the electricity in the Au/PS structures was discussed. Similarly, it was the same mechanisms as in (PEM: Proton Exchange Membrane) hydrogen fuel cells.