İtriyum katkılı ZnO nanoçubuk yapılarının amonyak gaz sensör özelliklerinin incelenmesi
Investigation of ammonia gas sensor properties of yttrium-doped ZnO nanorod structures
- Tez No: 967699
- Danışmanlar: PROF. DR. SELİM ACAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Gazi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 162
Özet
Amonyak (NH3), kararlı yapısı, taşınabilirliği ve yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilebilme potansiyeli sayesinde hidrojenin depolanması ve taşınması için sürdürülebilir bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Ancak, NH₃'ün toksik ve yanıcı özellikleri, insan sağlığı ve çevre açısından ciddi riskler oluşturabileceğinden, güvenli ve hassas bir şekilde algılanması büyük önem arz etmektedir. Bu çalışmada, NH3 gazının oda sıcaklığında algılanmasını sağlayacak yüksek performanslı gaz sensörlerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda, farklı kimyasal öncül tuzlar (asetat ve nitrat) kullanılarak, hidrotermal yöntemle silikon altlıklar üzerinde saf ve itriyum (Y) katkılı (%1, %3, %5 ve %7) ZnO nanoyapılar sentezlenmiştir. Silisyum alttaşlar, düşük bant aralığı, yüzey işlenebilirliği ve oksit-yarıiletkenler ile uyumluluğu sayesinde nanoyapıların kontrollü büyütülmesine ve sensör performansının artırılmasına ve düşük sıcaklarda duyarlılık elde edilmesine olanak tanımıştır. Sentezlenen yapılar XRD, SEM, Raman, XPS ve ıslanabilirlik karakterizasyon yöntemleri ile detaylı olarak incelenmiştir. Yapısal analizler, tüm örneklerin hekzagonal wurtzit kristal yapısına sahip olduğunu ve Y katkılamasının ZnO nanoçubuklarının morfolojisini belirgin şekilde etkileyerek yüzey/hacim oranını artırdığını ortaya koymuştur. Bu artış, sensörlerin gaz ile etkileşimini ve dolayısıyla algılama performansını iyileştirmiştir. Gaz algılama performansı açısından en yüksek yanıt, %3 Y katkılı ve asetat/asetat öncüllü ZnO (AA3) sensöründe elde edilmiştir. Bu sensör, oda sıcaklığında 50 ppm NH3 gazına karşı %101'lik bir algılama yanıtı göstermiştir. Ayrıca, 20 saniye yanıt süresi ve 41 saniye geri dönüş süresi ile hızlı yanıt özellikleri sergilemiştir. Dinamik ölçümlerde artan NH3 konsantrasyonları ile sensör yanıtının doğrusal olarak arttığı belirlenmiştir. Sensörün temel akım kararlılığı, uzun vadeli stabilitesi, seçiciliği ve %70 bağıl neme kadar olan ortam koşullarına toleransı da başarılı bulunmuştur. Bu çalışma, metal oksit tabanlı sensörlerin oda sıcaklığında çalışma koşullarında NH3 gazına karşı yüksek duyarlılıkla algılama yapabileceğini göstermekte ve özellikle Y katkılı ZnO nanoyapıların bu alanda etkili bir çözüm sunabileceğini ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Ammonia (NH₃) has emerged as a sustainable alternative for hydrogen storage and transportation due to its stable structure, portability, and potential to be produced from renewable energy sources. However, the toxic and flammable nature of NH₃ poses serious risks to human health and the environment, necessitating its safe and sensitive detection. In this study, the development of high-performance gas sensors capable of detecting NH₃ at room temperature was targeted. For this purpose, pure and yttrium (Y)-doped (%1, %3, %5, and %7) ZnO nanostructures were synthesized on silicon substrates via the hydrothermal method using different chemical precursor salts (acetate and nitrate). Silicon substrates enabled the controlled growth of nanostructures and improved sensor performance due to their low bandgap, surface processability, and compatibility with metal-oxide-semiconductor (MOS) technology, facilitating sensitivity even at low temperatures. The synthesized structures were thoroughly characterized using XRD, SEM, Raman, XPS, and wettability analyses. Structural analyses revealed that all samples possessed a hexagonal wurtzite crystal structure, and Y doping significantly influenced the morphology of the ZnO nanorods, increasing their surface-to-volume ratio. This enhancement improved the interaction between the sensor and the target gas, thereby increasing the sensing performance. Among the fabricated sensors, the one with 3% Y doping and acetate/acetate precursors (AA3) exhibited the highest response, achieving a 101% response to 50 ppm NH₃ at room temperature. Additionally, it demonstrated fast response and recovery times of 20 and 41 seconds, respectively. Dynamic measurements showed a linear increase in sensor response with increasing NH₃ concentrations. The sensor also exhibited excellent baseline current stability, long-term durability, selectivity, and tolerance to environmental conditions up to 70% relative humidity. This study demonstrates that metal oxide-based sensors can achieve high sensitivity in NH₃ detection under room temperature conditions and highlights the effectiveness of Y-doped ZnO nanostructures as a promising solution in this field.
Benzer Tezler
- Terleme düzeyini sürekli takip edebilen nadir toprak elementi katkılandırılmış ZnO/CuO kompozit ince filmlerin tasarımı ve üretimi
Design and production of rare-earth elements doped ZnO/CuO composite thin films for continuous sweat rate monitoring
NURDAN SELİN KIRIK
Doktora
Türkçe
2022
BiyomühendislikHatay Mustafa Kemal ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BÜNYAMİN ŞAHİN
- Otomotiv sanayisinde kullanılan kaynak pimleri için hidrotermal yöntemle ıtriyum tetragonal zirkonya polikristal toz sentezi
The synthesis of yttria tetragonal zirconia polycrystal powder by hydrothermal method for welding pins used in automotive industry
ARİFE YURDAKUL
Doktora
Türkçe
2015
Mühendislik BilimleriDumlupınar ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN GÖÇMEZ
- Color tunable upconversion based white light properties of er-Tm-Yb phosphors and pmma nanocomposites
Er-Tm-Yb fosfor ve polimer nanokompozitlerde renk ayarlanabilir üst dönüşüm esaslı beyaz ışık özellikleri
SEVCAN TABANLI
Doktora
İngilizce
2019
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖNÜL ERYÜREK
- Otlukbeli ve Keşiş Dağları arasındaki sahanın litolojik yapı ve araziden yararlanma ilişkisinin Google Earth Engine ve XRF analizi ile değerlendirilmesi
Evaluation of the lithological structure and land use relationship in the area between Otlukbeli and Keşiş Mountains using Google Earth Engine and XRF analysis
ONUR ATABAY
- Bi tabanlı süperiletken ailesinin kristal yapısına itriyum katkısı ile termal, mekanik ve morfolojik özelliklerin değişimi
Change of thermal, mechanical and morphological properties with yttrium addition to the crystal structure of the Bi-based superconducting parents
TOLGAHAN YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiBolu Abant İzzet Baysal ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜRCAN YILDIRIM
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ MERCAN