Gaz sensörü üretiminde hedef malzeme olarak kullanılmak üzere yüksek saflıkta nano boyutlu SnO₂ toz üretimi

Abstract

Gaz sensörü uygulamalarında, SnO₂ esaslı malzemeler çeşitli gazları düşük konsantrasyonlarda bile kolaylıkla algılayabilme yeteneğine ve yüksek gaz hassasiyetine sahip olması, kolay tasarımı ve diğer sensör malzemelerine göre daha ucuz olmasından dolayı en çok tercih edilen malzemeler arasında yer almaktadır. Gaz sensörlerinin en kritik özelliği olan gaz hassasiyetini etkileyen malzeme özellikleri tane boyutu ve saflık derecesidir. Tane boyutunun 6 nm ve altında, malzeme saflık seviyesinin de kütlece >%99.95 olması beklenmektedir. Görüldüğü gibi, yüksek saflıkta, nano boyutlu, kontrol edilebilir tane boyut ve dağılımına sahip malzeme sentezinde, diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında hidrotermal süreç en uygun üretim yöntemidir. Bu kapsamda, çalışmanın bilimsel amacı, hidrotermal yöntemle sentez süresince SnO₂ partikülleri oluşum ve büyüme mekanizmasının süreç parametreleri (başlangıç maddesi derişimi ve sentez süresi) yardımıyla anlaşılmasıdır. Çalışmanın teknolojik amacı ise, üretilen SnO₂ tozundan hazırlanan hedef malzemeden magnetron sıçratma tekniğiyle SnO₂ esaslı ince film gaz sensörü üretim koşullarının belirlenmesidir. Süreç boyunca SnO₂ toz oluşum mekanizmasının anlaşılması için, başlangıç maddesi derişimi 0.025-1.0 M aralığında çalışılmıştır. Başlangıç maddesi derişimi 0.025 M'dan 0.1 M'a çıkarıldığında, SnO₂ tane boyutunun arttığı; 0.1 M'dan 1.0 M'a arttrıldığında tane boyutunun azaldığı görülmektedir. Yani, toz oluşum mekanizması 0.1 M kritik başlangıç maddesi derişiminde Ostwald irileşmesinden klasik çekirdeklenme teorisine kaydığı sonucuna varılmıştır. Ayrıca, SnO₂ büyüme mekanizması 1.0 M başlangıç maddesi derişiminde, sentez süresine (1-24 saat) bağlı olarak incelenmiş ve difüzyon kontrollü olduğu gözlenmiştir. Üretilen SnO₂ tozları ince film gaz sensörü sentezinde kullanılmak üzere hedef malzeme haline getirilmiştir. Farklı kompozisyonlarda ZnO katkılı olarak sentezlenen SnO₂ filmlerinden, atomik %0.55 Zn kompozisyonunda olanın düşük çalışma sıcaklıklarında en yüksek gaz hassasiyetine sahip olduğu gözlenmiştir.