Gümüş ve nikel katkılı çinko oksit (ZnO) nanoçubukların üretimi, karakterizasyonu ve uygulama alanlarının araştırılması
Fabrication, characterization and investigation of application areas of silver and nickel doped zinc oxide (ZnO) nanorods
Yazar: HATİCE ADIGÜZEL
Danışman: DOÇ. DR. NECMETTİN KILINÇ
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Fizik = Physics

Özet:
Genel olarak gaz sensörleri, algılayıcı malzemenin gaz ortamında fiziksel özelliklerindeki değişimini tespit etmeye dayalı bir sistemdir. Bu anlamda daha az maliyetli, yüksek verimli ürünler ortaya çıkarabilmek için nanoyapılarda algılayıcı malzemeler oluşturulmuştur. Nanoçubuklar bu yapılardan biridir. Nanoçubukların üretilmesinde en sık kullanılan yarı iletken malzemelerden bazıları çinko oksit (ZnO), tungsten oksit (WO3), mangan oksit (MnO), titanyum dioksit (TiO2) kalay dioksit (SnO2) gibi yarı iletken metal oksitlerdir. ZnO'ya katkılanan malzemenin etkisiyle elektriksel, optik ve algılama gibi özelliklerinin değişmesi bu alandaki çalışmalarının yoğun olmasında önemli bir etkendir. Katkılama işlemleri hidrotermal yöntem, elektrokimyasal yöntem, kimyasal buhar biriktirme ve sol-jel yöntemi gibi birçok farklı yöntem ile gerçekleştirilebilmektedir. 
Bu tez çalışması kapsamında katkısız, gümüş (Ag) ve nikel (Ni) katkılı ZnO nanoçubuk yapılar hidrotermal yöntem ile üretilmiştir. Üretilen nanoyapıların yapısal, elektrik, optik ve gaz algılama özellikleri incelenmiştir. Üretim aşamasında tohum katmanı sentezi için sol jel yönteminden yararlanılmıştır. Üretilen katkılı ve katkısız ZnO nanoçubukların, kristal yapısı ve yüzey morfolojisi gibi karakterizasyon işlemleri aşamasında X-Işını Kırınımı (XRD), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) analizleri gerçekleştirilmiştir. X-ışını kırınımı analizi, saf ve katkılı ZnO nanorodlarının hekzagonal wurtzit yapıda kristalleştiğini göstermiştir. Katkısız ZnO nanoçubukların çapları yaklaşık 50nm iken Ni katkılama sonucunda nanoçubukların çapları artarak yaklaşık 180nm çapında nanoçubuklar elde edilmiştir. Ag katkılama için yaptığımız çalışmalarda Ag parçaçıkları ZnO nanoçubuklar üzerinde olacak şekilde oluşmuştur. 
Kuartz kristal mikroterazi (QCM) üzerinde üretilen katkısız ZnO nanoçubuklar, %5 ile %94 bağıl nem aralığında ölçümleri test edilmiştir. Test sonucunda sensörün kararlı yapıda olduğu görülmüştür. Katkısız ve Ni katkılı nanoçubukların akım- gerilim (I-V) ölçümleri ve sıcaklığa bağlı akım değişimi incelenmiştir. Farklı altlıklar üzerinde üretilen Ni ve Ag katkılı ZnO nanoçubukların çeşitli gazlara karşı verdiği yanıtlar değerlendirilmiştir. Katkısız üretilen ZnO nanoçubukların neme karşı duyarlı olduğu görülmüştür.

Abstract:
In general, gas sensors are a system based on detecting the change in the physical properties of the sensitive material in the gas environment. In this sense, sensor materials have been created in nanostructures in order to produce lower cost, high efficiency products. Nanorods are one of these structures. Some of the most commonly used semiconductor metal oxide materials in the production of nanorods are zinc oxide (ZnO), tungsten oxide (WO3), manganese oxide (MnO), titanium dioxide (TiO2), tin dioxide (SnO2) ect. The change in the properties such as electrical, optical and sensing due to the effect of the material doped to ZnO is an important factor in the intensive work in this field. Doping processes can be carried out by many different methods such as hydrothermal method, electrochemical method, chemical vapor deposition and sol-gel method.
Within the scope of this thesis, undoped, silver (Ag) and nickel (Ni) doped ZnO nanorod structures were synthesized by the hydrothermal method. Structural, electrical, optical and gas sensing properties of the fabricated nanostructures were investigated. Sol gel method was used for seed layer synthesis during the production phase. X-Ray Diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscope (SEM) analyses were performed during the characterization processes such as crystal structure and surface morphology of the produced doped and undoped ZnO nanorods. X-ray diffraction analysis showed that pure and doped ZnO nanorods crystallized in hexagonal wurtzite structure. While the diameters of undoped ZnO nanorods were approximately 50nm, as a result of Ni doping, the diameters of the nanorods increased and nanorods with a diameter of approximately 180nm were obtained. In our studies for Ag doping, Ag particles were formed on the ZnO nanorods.
The pure ZnO nanorods produced on quartz crystal microbalance (QCM) were tested for relative humidity measurements in the range of 5% to 94%. As a result of the test, it was observed that the sensor was stable. The current-voltage (I-V) measurements of the pure and Ni-doped nanorods and the current change depending on the temperature were investigated. The responses of the Ni and Ag-doped ZnO nanorods produced on different substrates to various gases were evaluated. It was observed that the pure ZnO nanorods were sensitive to humidity.