Metal oksit ince filmlerin saçtırma tekniği ile üretimi karakterizasyonu ve gaz sensörü uygulamalarının araştırılması
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2022
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: FATİH ŞENASLAN
Danışman: Ayhan Çelik
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Amaç: Magnetron sputtering (saçtırma) yöntemiyle üretilen ve optimize edilen TiO2, NiO ve MgO ince filmlerden H2 gazına karşı yüksek algılama performansına sahip gaz sensörleri geliştirmektir. Yöntem: Metal oksit formundaki TiO2, NiO ve MgO ince filmler silikon, kuvars ve cam altlıklar üzerine RF/DC saçtırma tekniği ile farklı büyütme parametrelerinde biriktirilmiştir. Metal oksit ince filmlerin yapısal ve morfolojik analizleri XRD, Micro-Raman ve SEM ile gerçekleştirilmiştir. Farklı büyütme parametrelerinde biriktirilen filmlerin kimyasal bileşim durumları XPS yöntemi ile analiz edilmiştir. Metal oksit filmlerin bağ oluşumları FT−IR analizi ile doğrulanmıştır. İnce filmlerin optik özellikleri Uv−Vis spektrofotometrisi ile belirlenmiştir. İnce filmlerin optik bant aralığı enerjisi Tauc çizim metoduna göre hesaplanmıştır. Elektriksel özellikler Hall etkisi ölçümleri ile belirlenmiştir. Filmler yapısal, morfolojik, optik ve elektriksel özelliklerine göre optimize edilmiştir. Optimize edilmiş metal oksit filmlerden farklı hetero-bağlantılı (p-n, n-p) sensörler tasarlanmıştır. Sensörlerin zamana karşı akım değişimleri altın elektrotlar ve kontaklar aracılığıyla izlenmiştir. Altın elektrotlar, metal bir gölge maskesi kullanılarak termal buharlaştırma yöntemiyle desenlenmiştir. Ardından algılayıcı film katmanları Saçtırma yöntemi ile biriktirilmiştir. Üretilen sensörlerin H2 gazına karşı sensör duyarlılık analizleri bir gaz ölçüm test cihazı ile gerçekleştirilmiştir. Bulgular: Saçtırma yöntemiyle üretilen metal oksit filmlerin yapısal, morfolojik, optik, elektriksel ve algılama özellikleri değişen çalışma ve oksijen kısmi basıncından önemli ölçüde etkilemiştir. Düşük çalışma basıncında biriktirilen metal oksit ince filmlerde, biriktirme hızının arttığı, kristal kalitesinin iyileştiği belirlenmiştir. Düşük oksijen kısmi basınçlarında biriktirilen filmlerde biriktirme hızı artmış ve daha sıkı bir morfoloji elde edilmiştir. Artan oksijen kısmı basıncı ile filmlerin kusur seviyesi artmıştır. Üretilen TiO2 filmler n-tipi yarı iletken, NiO filmler ise p-tipi yarıiletken özellik sergilemiştir. Metal oksit filmlerden üretilen hetero-eklemli (katmanlı) sensörler, tek katmanlı sensörlere göre H2 gazına karşı daha yüksek duyarlılık göstermiştir. N-tipi TiO2 tabanlı sensörler, p-tipi NiO tabanlı sensörlere göre daha iyi algılama performansı sergilemiştir. Algılayıcı yüzey katmanlarına uygulanan paladyum ile yüzey modifikasyonu sensörlerin duyarlılığını önemli ölçüde iyileştirmiştir. Sensör performansında filmlerin kimysal bileşim durumu, tane boyutu ve özellikle morfolojisi etkin rol oynamıştır. Sonuç: Magnetron saçtırma yöntemi ile biriktirilen TiO2, NiO ve MgO ince filmlerden başarılı bir şekilde metal oksit yarıiletken esaslı H2 gaz senörleri üretilmiştir. Üretilen sensörler içerisinden H2 gazına karşı en yüksek duyarlılık Pd/NiO/TiO2/Kuvars sensöründen elde edilmiştir. Metal oksit filmler ile hetero-bağlantılı algılayıcı yüzey oluşturma ve paladyum ile yüzey modifikasyonu sensör performansını önemli ölçüde artırmıştır. Anahtar Kelimeler: TiO2, NiO, MgO, metal oksit ince film, saçtırma, hetero-bağlantı, H2 gaz sensör