GRAFEN YAPILARIN KARBON OKSİT ORTAMINDA ELEKTRİKSEL

advertisement
GRAFEN YAPILARIN KARBON OKSİT ORTAMINDA
ELEKTRİKSEL KARAKTERİZASYONU
Irmak KARADUMAN
YÜKSEK LİSANS TEZİ
FİZİK
GAZİ ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
TEMMUZ 2013
ANKARA
Irmak KARADUMAN tarafından hazırlanan ‘GRAFEN YAPILARIN KARBON
OKSĠT ORTAMINDA ELEKTRĠKSEL KARAKTERĠZASYONU’ adlı bu tezin
Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım.
Prof. Dr. Selim ACAR
…………………………………
Tez DanıĢmanı, Fizik Anabilim Dalı
Bu çalıĢma, jürimiz tarafından oy birliği ile Fizik Anabilim Dalı Yüksek Lisans tezi
olarak kabul edilmiĢtir.
Prof. Dr. Bahtiyar SALAMOV
..………………………………..
Fizik Anabilim Dalı, G.Ü.
Prof. Dr. Selim ACAR
………………………………...
Fizik Anabilim Dalı, G.Ü.
Doç. Dr. Abdullah YILDIZ
………………………………...
Enerji Sistemleri Mühendisliği Anabilim Dalı, Y.B.Ü.
Tez Savunma Tarihi: 23/07/2013
Bu tez ile G.Ü. Fen bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans Derecesini
onamıĢtır.
Prof. Dr. ġeref SAĞIROGLU
Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü
………………………………..
TEZ BİLDİRİMİ
Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranıĢ ve akademik kurallar çerçevesinde elde
edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu
çalıĢmada bana ait olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm.
Irmak KARADUMAN
iv
GRAFEN YAPILARIN KARBON OKSİT ORTAMINDA
ELEKTRİKSEL KARAKTERİZASYONU
(Yüksek Lisans Tezi)
Irmak KARADUMAN
GAZİ ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
Temmuz 2013
ÖZET
Bu çalışmada Hummers metoduyla iki farklı grafen numune üretildi. Öncelikle
grafen numunelerinin sıcaklığa bağlı elektriksel karakterizasyonu yapıldı. Van
der Pauw tekniği kullanılarak, 10 K adımlarla 30-300 K arasında 0.4 T
magnetik alan altında Hall etkisi ölçümleri alındı. Numunelerin sıcaklığa bağlı
özdirenç, taşıyıcı yoğunluğu ve Hall mobiliteleri incelendi. Özdirençlerin
sıcaklık arttıkça azaldığı, taşıyıcı yoğunlukları ve mobilitelerin ise sıcaklıktan
hemen hemen bağımsız olduğu gözlendi. Üretilen numunelerin karbon oksit
gazlarına
(karbonmonoksit-karbondioksit)
karşı
duyarlılıkları
incelendi.
Grafen numunelerinin farklı sıcaklıklarda (300 K-320 K-350 K) ve farklı gaz
konsantrasyonlarında (1000 ppm-500 ppm-250 ppm-125 ppm-50 ppm) zamana
bağlı olarak elektriksel karakterizasyonu yapıldı. Numunelerin CO ve CO2
gazlarına karşı duyarlılık gösterdiği tespit edildi. Grafen numunelerin
direncinde karbondioksitte azalma görülürken karbonmonoksitte artış görüldü.
Bilim Kodu
: 202.1.147
Anahtar Kelimeler : Grafen, Gaz Sensör, elektriksel karakterizasyon, CO2, CO
Sayfa Adedi
: 72
Tez Yöneticisi
: Prof. Dr. Selim ACAR
v
ELECTRICAL CHARACTERIZATION OF GRAPHENE
STRUCTURES IN CARBON OXIDE ENVIRONMENT
(M.Sc Thesis)
Irmak KARADUMAN
GAZİ UNIVERSITY
GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES
July 2013
ABSTRACT
In this study, two different graphene samples were produced by Hummers
method. First, the temperature-dependent electrical characterization of
graphene samples was performed. Hall effect measurements taken under 0.4 T
magnetic field by Van der Pauw technique were used from 30 to 300 K in steps
of 10 K. The temperature-dependent resistivity of the samples, the carrier
density and the Hall mobilities were analyzed. The resistivity was decreased
with increasing temperature. Carrier concentration and mobility was found to
be almost independent of the temperature. Samples were investigated with
respect to susceptibility of carbon oxide gases (carbon monoxide and carbon
dioxide). Graphene samples at different temperatures (300 K-320 K-350 K) and
concentrations of gas (1000 ppm- 500 ppm- 250 ppm- 125 ppm- 50 ppm) related
to time were electrically characterized. Samples were examined for sensitivity of
carbon monoxide and carbon dioxide with different concentration. It was
observed that Carbonmonoxide was increased the resistance of the samples,
while carbondioxide was decreased.
Science Code
:202.1.147
Key Words
:Graphene, Gas Sensor, electrical characterization, CO2, CO
Page Number
:72
Adviser
:Prof. Dr. Selim ACAR
vi
TEŞEKKÜR
Tez çalıĢmam sırasında bilgi ve tecrübesini esirgemeyen, yardım ve katkılarıyla beni
yönlendiren, ilgi ve desteğini benden hiçbir zaman eksik etmeyen kıymetli hocam
Prof. Dr. Selim ACAR’a en içten duygularımla teĢekkürü bir borç bilirim.
Ayrıca, numuneleri üreten ve bu çalıĢmada kullanmamıza izin veren Sayın Doç. Dr.
Hüseyin ÇELĠKKAN ve Yüksek Lisans öğrencisi Engin ER’e, tez çalıĢmamda
özdirenç ve Hall ölçümlerimi yapabilmem için Bozok Üniversitesi Bilim ve
Teknoloji Uygulama ve AraĢtırma Merkezi Hall Etkisi Ölçüm Sistemi Laboratuarını
kullanmama olanak sağlayan Bozok Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Dekanı
Sayın Prof. Dr. Recep ġAHĠNGÖZ’e, Hall ölçümleri sırasında yardımını
esirgemeyen Murat ARTUNÇ’a, ilgi ve desteğini eksik etmeyen hocam Sayın Doç.
Dr. Metin ÖZER’e teĢekkür ederim.
Yüksek lisans çalıĢmamda verdikleri öneri ve destekleriyle yanımda olan grubumuz
öğrencilerinden M.MürĢit SĠNCAR ve Özlem BARĠN’a, bana koĢulsuz her anımda
destek olan dostum Burcu ÇELĠK’e, desteklerini eksik etmeyen arkadaĢlarım
MELĠKE GÜMÜġ ve Mehtap ALTAY’a, yüksek lisans çalıĢmam boyunca bana
inanan ve maddi manevi desteklerini esirgemeyen aileme teĢekkür ederim.
Bu tez Gazi Üniversitesi, BAP 05/2012-37 kodlu projesi ile desteklenmiĢtir.
vii
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET........................................................................................................................... iv
ABSTRACT ................................................................................................................. v
TEġEKKÜR ................................................................................................................ vi
ĠÇĠNDEKĠLER .......................................................................................................... vii
ġEKĠLLERĠN LĠSTESĠ ............................................................................................... x
SĠMGELER VE KISALTMALAR ........................................................................... xiii
1.
GĠRĠġ .................................................................................................................... 1
2.
KARBON TEMELLĠ YAPILAR ......................................................................... 3
2.1. GiriĢ ............................................................................................................... 3
2.2. Karbon ........................................................................................................... 3
2.3. Karbonun HibritleĢmesi ................................................................................ 3
2.4. Karbon Temelli Yapılar ................................................................................. 5
2.4.1.
Elmas .............................................................................................. 5
2.4.2.
Grafit ............................................................................................... 6
2.4.3.
Fulleren ........................................................................................... 7
2.4.4.
Karbon nanotüp............................................................................... 8
2.4.5.
Amorf karbon .................................................................................. 8
2.5. GRAFEN ....................................................................................................... 9
2.5.1.
Grafenin yapısı ve özellikleri ........................................................ 11
2.5.2.
Grafenin örgü yapısı ..................................................................... 13
2.5.3.
Grafenin sentezlenmesi ................................................................. 14
2.5.4.
Kimyasal yöntemlerle grafen eldesi ............................................. 15
viii
Sayfa
3.
SENSÖRLER ...................................................................................................... 17
3.1. GiriĢ ............................................................................................................. 17
3.2. Sensörler ...................................................................................................... 17
3.3. Gaz Sensörleri ............................................................................................. 17
4.
3.3.1.
Gaz sensörlerinin çalıĢma prensibi ............................................... 17
3.3.2.
Bir gaz sensöründe bulunması gereken özellikler ........................ 18
3.3.3.
Gaz sensörlerin uygulama alanları ................................................ 18
3.3.4.
Gaz sensör çeĢitleri ....................................................................... 19
3.3.5.
Fiziksel soğurma ........................................................................... 23
3.3.6.
Kimyasal soğurma ........................................................................ 23
3.3.7.
Algılama mekanizması ................................................................. 24
SERA GAZLARI ................................................................................................ 27
4.1. GiriĢ ............................................................................................................. 27
4.2. Karbon Oksitleri (COX) ............................................................................... 27
5.
4.2.1.
Karbonmonoksit (CO) .................................................................. 28
4.2.2.
Karbondioksit (CO2) ..................................................................... 30
DENEYSEL TEKNĠKLER ................................................................................ 31
5.1. GiriĢ ............................................................................................................. 31
5.2. Ölçüm Teknikleri ........................................................................................ 31
5.2.1.
6.
Özdirenç ölçümleri ....................................................................... 31
BULGULAR VE TARTIġMA ........................................................................... 40
6.1. Sıcaklığa Bağlı Elektriksel Karakterizasyon ............................................... 40
6.2. Gaz Algılama Ölçümleri ............................................................................. 43
ix
Sayfa
7.
6.2.1.
GiriĢ .............................................................................................. 43
6.2.2.
Karbonmonoksit gazı ölçümleri.................................................... 44
6.2.3.
Karbondioksit gazı ölçümleri........................................................ 53
SONUÇ ............................................................................................................... 61
KAYNAKLAR .......................................................................................................... 65
ÖZGEÇMĠġ ............................................................................................................... 72
x
ŞEKİLLERİN LİSTESİ
Şekil
Sayfa
ġekil 2.1. Karbon atomu için sp3 hibritinin gösterimi.................................................. 4
ġekil 2.2. Karbon atomu için sp2 hibritinin gösterimi.................................................. 4
ġekil 2.3. Karbon atomu için sp hibritinin gösterimi ................................................... 5
ġekil 2.4. Elmas Yapısı ................................................................................................ 6
ġekil 2.5. Grafit Yapısı................................................................................................. 7
ġekil 2.6. Fulleren yapısı a) C60 fulleren yapısı b) C20 fulleren yapısı ........................ 7
ġekil 2.7. Karbon Nanotüpler....................................................................................... 8
ġekil 2.8. Amorf Karbon(aktif Karbon) ....................................................................... 9
ġekil 2.9. Grafen Tabakaları ...................................................................................... 12
ġekil 2.10. Grafenin Band Yapısı .............................................................................. 12
ġekil 2.11. Grafenin
ve
bandları için enerji dağılımı .......................................... 13
ġekil 2.12. Grafen Sentezleme Metodları .................................................................. 14
ġekil 2.13. Grafen oksitte Fonksiyonel Grupların UzaklaĢtırılması .......................... 15
ġekil 2.14. ÇeĢitli Ġndirgeme ĠĢlemleri ile Grafen Elde Etme.................................... 16
ġekil 3.1. Elektrokimyasal Gaz Sensör ...................................................................... 20
ġekil 3.2. Kızılötesi Gaz Sensörü ............................................................................... 21
ġekil 3.3. Yarıiletken Gaz Sensörü ............................................................................ 22
ġekil 3.4. Gaz Sensörü Algılama Mekanizma ........................................................... 26
ġekil 5.1. Ġki nokta ile ölçüm ..................................................................................... 32
ġekil 5.2. Van Der Pauw Metodu (4 farklı kontak alma konfigürasyonu) ................ 34
ġekil 5.3. Özdirenç Ölçümleri (a ve b), Hall mobilitesi ölçümleri (c ve d) ............... 35
ġekil 5.4 Hall Etkisi Ölçüm Sistemi ġematik Gösterimi [45].................................... 37
xi
Şekil
Sayfa
ġekil 5.5. Gaz Sensör Ölçüm Sistemi ġematik Gösterimi ......................................... 38
ġekil 6.1. GRE1 ve GRE2 numunelerinin sıcaklığa bağlı özdirenç değiĢimleri ve
lnρ – 1000/T grafiği................................................................................. 40
ġekil 6.2. GRE1 ve GRE2 numunelerinin sıcaklığa bağlı taĢıyıcı yoğunluğunun
değiĢimi ................................................................................................... 42
ġekil 6.3. GRE1 ve GRE2 numunelerinin sıcaklığa bağlı Hall mobilitelerinin
değiĢimi ................................................................................................... 42
ġekil 6.4. GRE1 numunesinin farklı sıcaklıklarda 1000ppm Karbonmonoksit gazına
karĢı gösterdiği direnç değiĢimi ................................................................ 44
ġekil 6.5. GRE2 numunesi farklı sıcaklıklarda 1000 ppm Karbonmonoksit gazına
karĢı gösterdiği direnç değiĢimi ............................................................... 45
ġekil 6.6. GRE1 numunesi için 350 K sıcaklıkta farklı CO gazı konsantrasyonlarına
karĢı gösterdiği direnç değiĢimi (1000ppm-500ppm-250ppm-125ppm50ppm) ..................................................................................................... 47
ġekil 6.7. GRE2 numunesi için 350 K sıcaklıkta farklı CO gazı konsantrasyonlarına
karĢı gösterdiği direnç değiĢimi (1000ppm-500ppm-250ppm-125ppm50ppm) ..................................................................................................... 47
ġekil 6.8. GRE1 numunesi için 350 K sıcaklıkta 1000 ppm CO gaz
konsantrasyonundaki direnç değiĢimi ..................................................... 48
ġekil 6.9. GRE2 numunesi için 350 K sıcaklıkta 1000 ppm CO gaz
konsantrasyonundaki direnç değiĢimi .................................................... 49
ġekil 6.10. GRE1 numunesinin 350 K de farklı gaz konsantrasyonlarında CO gazına
karĢı gösterdiği duyarlılık (1000ppm-500ppm-250ppm-125ppm-50ppm)
................................................................................................................. 50
ġekil 6.11. GRE2 numunesinin 350 K de farklı gaz konsantrasyonlarında CO gazına
karĢı gösterdiği duyarlılık (1000ppm-500ppm-250ppm-125ppm-50ppm)
................................................................................................................. 50
ġekil 6.12. GRE1 numunesi için duyarlılık-gaz konsantrasyonu değiĢimi grafiği (350
K sıcaklıkta) ............................................................................................ 52
ġekil 6.13. GRE2 numunesi için duyarlılık-gaz konsantrasyonu değiĢim grafiği (350
K sıcaklıkta ) ........................................................................................... 52
xii
Şekil
Sayfa
ġekil 6.14. GRE1 numunesinin farklı sıcaklıklarda 1000 ppm CO2 gazına karĢı
gösterdiği direnç değiĢimi (300 K, 320 K ve 350 K) ............................ 53
ġekil 6.15. GRE2 numunesinin farklı sıcaklıklarda 1000 ppm CO2 gazına karĢı
gösterdiği direnç değiĢimi (300 K, 320 K ve 350 K) ............................ 54
ġekil 6.16.
GRE1 numunesi için 350 K sıcaklıkta farklı Karbondioksit gazı
konsantrasyonlarında direnç değiĢimi (1000ppm-500ppm-250ppm125ppm-50ppm).................................................................................... 55
ġekil 6.17. GRE2 numunesi için 350 K sıcaklıkta farklı Karbondioksit gazı
konsantrasyonlarında direnç değiĢimi (1000ppm-500ppm-250ppm125ppm-50ppm).................................................................................... 55
ġekil 6.18. GRE1 numunesinin 350 K sıcaklıkta 1000ppm CO2 gaz
konsantrasyonuna karĢı gösterdiği direnç değiĢimi.............................. 56
ġekil 6.19. GRE2 numunesinin 350 K sıcaklıkta 1000ppm Karbondioksit gaz
konsantrasyonuna karĢı gösterdiği direnç değiĢimi.............................. 57
ġekil 6.20. GRE1 numunesinin 350 K de farklı gaz konsantrasyonlarında CO2
gazına karĢı gösterdiği duyarlılık (1000ppm-500ppm-250ppm-125ppm50ppm) .................................................................................................. 58
ġekil 6.21. GRE2 numunesinin 350 K de farklı gaz konsantrasyonlarında CO2 gazına
karĢı gösterdiği duyarlılık (1000ppm-500ppm-250ppm-125ppm-50ppm)
................................................................................................................ 58
ġekil 6.22. GRE1 numunesi duyarlılık-CO2 gaz konsantrasyonu değiĢim grafiği (350
K sıcaklıkta) ............................................................................................ 60
xiii
SİMGELER VE KISALTMALAR
Bu çalıĢmada kullanılan bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aĢağıda
sunulmuĢtur.
Simgeler
Açıklama
Sigma
Pi
R
Direnç
S
Duyarlılık
V
Voltaj
I
Akım
ρ
Özdirenç
d
Numune kalınlığı
RH
Hall direnci
nH
TaĢıyıcı Yoğunluğu
T
Tesla
Kısaltmalar
Açıklamalar
CO2
Karbondioksit
CO
Karbonmonoksit
H2
Hidrojen
NOX
Azot Oksitleri
NO
Azotmonoksit
N2
Azot
ppm
Milyonda bir
ppb
Milyarda bir
Kısaltmalar
Açıklamalar
xiv
ppq
Trilyonda bir
SnO2
Kalay di oksit
TS
Türk Standartları
WO3
TungstenOksit
1
1. GİRİŞ
Günümüzde endüstriyelleĢmenin artması sonucunda endüstriyel kaynaklı kirleticiler
çevre kirliliğini de beraberinde getirmiĢtir. Bu kirleticiler çok çeĢitli olup birçok
kaynaktan meydana gelerek çevreyi kirletmekte ve dolayısıyla insan ve diğer
canlıların sağlığını olumsuz etkilemektedir. Hava kirliliği insan sağlığını direkt
etkileyen maruz kalınması en yaygın olan çevre kirlenmesidir. Endüstriyel kaynaklı
birçok toksik kirletici içermektedir. Özellikle yanma iĢlemleri sırasında açığa çıkan
emisyonlar
oldukça
önemli
toksik
etki
göstermektedir.
Yanmanın
tam
gerçekleĢmemesi sonucu çevreye zararlı gazlar açığa çıkmakta ve çevreyi
kirletmekte bundan dolayı insan sağlığı da etkilenmektedir.
Kullanılan yakıta bağlı olarak yanma sonucunda çeĢitli gazlar açığa çıkar. Bu gazlar
içinde çevre kirliliğine neden olan karbondioksit (CO2) karbonmonoksit (CO),
azotmonoksit (NO), azot (N2), hidrojen (H2) gibi gazlar bulunur. Özellikle
karbonmonoksit ve azotmonoksit gazları insan sağlığını çok ciddi olarak
etkilemektedir. Bu nedenle çevre kirliliğinin derecesinin belirlenmesi ve sızıntı
durumunda gerekli önlemlerin alınması günümüzde önemli bir çalıĢma alanı
olmuĢtur. Kullanılan metotların kullanım zorluğu farklı yöntemlerin üzerinde toksik
gazların tayini için yapılan çalıĢmaları yoğunlaĢtırmıĢtır. Bu amaçla, çeĢitli tayin
yöntemlerinden biri de sensörlerin kullanımı ve geliĢtirilmesidir.
Sensörler, bulundukları ortamdaki fiziksel ve kimyasal değiĢimi elektrik sinyaline
dönüĢtürebilen aygıtlardır. Gaz ortamında çalıĢan ve gazların ortamda varlığını ve
konsantrasyonunu ölçmeye yönelik kullanılan aygıtlara ise ‘gaz sensörleri’ denir.
Endüstriyel alan, fiziksel parametrelerin kaydı için devamlı ölçüm cihazlarına bağlı
kalmıĢtır. Bu nedenle, sensör teknolojisi uzun bir geçmiĢe sahiptir. 1860 yılında
Wilhelm Von Siemens ilk sensörü imal etmiĢtir. Siemens, bakır bir iletken telin
sıcaklığa bağlı olan direncini kullanarak sıcaklık ölçümleri yapmıĢtır. 1900’lü
yılların baĢında büyük çaplı iĢlemlerin geliĢmesi ile ölçüm ve kontrol teknolojisinde
ortaya çıkan problemler, yarı iletken teknolojisinin geliĢmesine hız kazandırmıĢ ve
2
elektronik sinyal iĢleme ile kontrol tekniklerinin geliĢmesi alanlarında büyük adımlar
atılmıĢtır [1].
Teknolojinin geliĢmesi ve mikroiĢlemcilerin sensör uygulamalarında kullanılması
gaz ölçüm sistemlerinin geliĢmelerinin temel kaynakları olmuĢtur. Gazların dedekte
edilmesinde, katalitik gaz sensörleri, elektrokimyasal gaz sensörleri, kızılötesi gaz
sensörleri, optik sensörler, akustik sensörler, yarıiletken gaz sensörleri vb. çok çeĢitli
gaz sensörleri kullanılmaktadır. Her biri gazları algılamak için farklı bir algılama
prensibine sahiptir.
Grafen tabanlı gaz sensörlerini diğer sensör çeĢitlerinden ayıran en önemli özellik;
grafen iki boyutlu bir yapıya sahip olduğundan her atomunu yüzey atomu olarak
kullanır, bunun sonucunda her atom gaz reaksiyonlarına girebilir, çok yüksek
konsantrasyon oranlarında bile tek bir molekül duyarlılığı sağlanabilir.
GeliĢen teknoloji ile grafen numunesinin önemi artmaktadır. Gaz sensörleri ve yakıt
pili vb. uygulamalarda hızla çalıĢmalar yapılmaktadır. NASA grafen tabanlı gaz ve
basınç sensörleri üzerine çalıĢmalarını arttırmaktadır [2]. Honda katrilyonda bir (ppq)
seviyesinde gazlara duyarlılık gösteren sensör çalıĢması için patent almıĢtır [3]. Bu
çalıĢmalar grafen tabanlı gaz sensörlerinin yaygınlaĢmakta olduğunu ve yarıiletken
malzemelerin yerini alacağının en büyük kanıtı olmaktadır.
Bu tez çalıĢmasında Hummers metoduyla iki farklı grafen numune üretildi. Öncelikle
grafen numunelerinin sıcaklığa bağlı elektriksel karakterizasyonu yapıldı. Van der
Pauw tekniği kullanılarak, 10 K adımlarla 30-300 K arasında 0,4 T magnetik alan
altında Hall etkisi ölçümleri alındı. Numunelerin sıcaklığa bağlı özdirenç, taĢıyıcı
yoğunluğu ve Hall mobiliteleri incelendi. Üretilen numunelerin karbon oksit
gazlarına (Karbonmonoksit-karbondioksit) karĢı duyarlılıkları incelendi. Grafen
numunelerinin farklı sıcaklıklarda ve farklı gaz konsantrasyonlarında zamana bağlı
olarak elektriksel
karakterizasyonu
yapıldı.
Numunelerin
Karbonmonoksit gazlarına karĢı duyarlılık gösterdiği tespit edildi
karbondioksit
ve
3
2. KARBON TEMELLİ YAPILAR
2.1. Giriş
Ġnsan vücudunu karbona dayanan kimyasal bileĢikler oluĢturur. Ayrıca bilinen
elementlerin en çok yönlü olanıdır. BileĢiklerin %94’ü (4 milyondan çoğu) karbon
içerir. YaĢamın dayandığı temel iĢlevleri yerine getirmek için yeterli çeĢitlilikte ve
karmaĢıklıkta düzenlemeler oluĢturarak baĢka elementlerle birleĢme yeteneği,
yalnızca karbonda vardır [4]. Karbon hayat döngüsünün temelinde yer alır.
2.2. Karbon
Karbon atomu 6 elektronu ile periyodik tabloda IV. Grup elementlerinin ilk
elemanıdır. Karbon atomları kendi aralarında, bağlanmaya etkili olan elektronların
sayısına göre sp3,sp2 ve sp Ģeklinde üç farklı bağlanma (hibritleĢme) gösterirler.
Karbon elementi, her üç bağlanma geometrisini gösterebilen tek element olması
bakımından istisnai bir özelliğe sahiptir [5]. 5 tane allotropu vardır. Bunlar grafit,
elmas, karbon nanotüp, fulleren ve amorf karbondur.
2.3. Karbonun Hibritleşmesi
Karbon atomu için s ve p orbitalleri arasında bağlanmaya karıĢan elektronların
sayısına göre üç farklı hibritleĢme olabilir; sp3,sp2 ve sp. Karbon atomunun valans
elektron (en dıĢ elektron kabuğundaki elektron) sayısı 4’tür (2 tane 2s ve 2 tane 2p
elektronları). Burada 1s orbitali çekirdeğe yakın olan iç kısımda kaldığından, bu
orbitaldeki elektronlar bağ oluĢumunda yer almazlar. 2p orbitalindeki elektronlar
eĢlenmemiĢ yarı dolu durumdadır.
Bu orbitaller hibritleĢerek karbonun farklı
yapılarının ortaya çıkmasını sağlamaktadır. Bağlanma geometrisine göre fiziksel ve
kimyasal özellikler değiĢim gösterebilir. Karbon atomunun atomik orbitallerinin sp 3
Ģeklinde hibritleĢmesiyle tetrahedral geometri ortaya çıkar. ġekil 2,1’de karbon
atomu için sp3 hibritleĢmesinin gösterimi verilmektedir.
4
ġekil 2.1. Karbon atomu için sp3 hibritinin gösterimi
ġekilde bir tane s orbitalinin 3 tane p orbitaliyle örtüĢmesi sonucu oluĢan 4 sp3
orbitali ve tetrahedral geometriye sahip hibritleĢmiĢ orbital verilmiĢtir.
(C*: 1s2,2s1,2pX1,2pY1,2pZ1)
Karbonun diğer bir hibriti ise 2s ve 2p orbitallerinin oluĢturduğu sp2 yapısıdır.
HibritleĢmiĢ bu orbitalin yapısı trigonal planar bir geometrisi vardır. ġekil 2,2’de
karbon atomu için sp2 hibritleĢmesinin gösterimi verilmektedir.
ġekil 2.2. Karbon atomu için sp2 hibritinin gösterimi
ġekilde bir tane s orbitalinin, 2 tane p orbitaliyle birleĢmesi sonucu oluĢan 3 tane sp2
orbitali oluĢumu görülmektedir. Bu yapıya bir tane değiĢmemiĢ p orbitali ile beraber
trigonal planar geometriye sahip yapıyı oluĢturur. (C*: 1s2,2s1,2pX1,2pY1,2pZ1)
Sp hibrit yapısına sahip olan karbon zincirlerine ise, kabrin ismi verilmektedir.
5
ġekil 2.3. Karbon atomu için sp hibritinin gösterimi
ġekilde 2,3’de karbon atomu için sp hibritleĢmesinin gösterimi verilmektedir. Bir
tane s orbitaliyle bir tane p orbitalinin hibritleĢmesiyle oluĢan iki tane sp orbitali ve
iki tane değiĢmemiĢ p orbitaliyle lineer geometriyi oluĢturması gösterilmektedir
(C*: 1s2,2s1,2pX1,2pY1,2pZ1) [6].
2.4. Karbon Temelli Yapılar
2.4.1. Elmas
Bir karbon atomu, çevresindeki dört karbon atomu ile dört σ bağı oluĢturmuĢtur.
Karbon atomları bir tetrahedral düzenlemeye sahiptir. HibritleĢme modeli, elmasta
karbon atomlarının sp3 hibritleĢmesi yaptığını ve σ bağlarının sp3 hibritlerinin
örtüĢmesinden oluĢmuĢtur. Her karbon atomu kendisini çevreleyen dört karbon
atomuyla düzgün dörtyüzlü meydana getirecek Ģekilde bağlanmıĢtır. Ġki tane kare
tabanlı piramidin taban tabana gelmiĢ Ģekli görünümündedir.
Elmas yapısında elektronlar, kovalent bağlarla bir bölgede bulunduklarından yapı
boyunca hareketleri kısıtlanmıĢtır. Bu nedenle, elmas iletken değildir. Oda
sıcaklığında ve basıncında, elmasın grafite dönüĢeceğini beklenir. Ancak elmas gibi
kuyumculuk endüstrisinde kullanılan değerli taĢların bağ ve kristal yapılarında yeni
6
düzen gerektiren faz değiĢmeleri çoğu kez aĢırı derecede yavaĢ yürür [7]. ġekil
2,4’de elmas yapısının Ģekli verilmektedir.
ġekil 2.4. Elmas Yapısı
2.4.2. Grafit
Karbonun diğer allotropu olan grafitte, karbon atomlarının kovalent bağlarla
oluĢturduğu altıgen halkalar içeren tabakalar bulunur. HibritleĢme modeline göre,
grafitte karbon atomları sp2 hibritleĢmesi yapmıĢtır. Altıgen halkalarda C-C, σ bağı
sp2 hibritlerinin örtüĢmesinden oluĢmuĢtur.
Grafit kayganlık özelliğinden dolayı "kurĢun" kalem yapımında kullanılır. Elektrik
akımı iletme yeteneğinden dolayı grafit, pil ve endüstriyel elektrolizlerin
elektrotlarını yapmak için kullanılır [7]. ġekil 2,5’de grafit yapısının Ģekli
verilmektedir.
7
ġekil 2.5. Grafit Yapısı
2.4.3. Fulleren
60 karbon atomunu içi boĢ küre Ģeklini alarak dizilmesiyle oluĢan yapılardır.C60
olarak gösterilir. Her bir karbon atomu altıgen ve beĢgen Ģeklini almıĢ karbon
atomlarıyla bağ yapmaktadır. Çok kararlı ve küresel olan yapı, 1985’te keĢfedildi.
C60 molekülünden baĢka C20, C24 ve C82 gibi çok sayıda, baĢka fullerenler de vardır.
Bu bileĢikler, helyum atmosferi altında grafitin lazerle bozundurulması sonucu elde
edilirler. Azot ve oksijen fulleren oluĢumunu engellediğinden, elde edilen kurum
(hava ile hidrokarbonların yanması sonucu) fulleren içermez [7]. ġekil 2,6’da
fulleren yapısının Ģekli verilmektedir.
ġekil 2.6. Fulleren yapısı a) C60 fulleren yapısı b) C20 fulleren yapısı
8
2.4.4. Karbon nanotüp
Karbon nanotüpler, 1991 yılında NEC çalıĢanı Sumio Iijima tarafından ark
buharlaĢtırma tekniği ile fullerenlerin sentezinde katot üzerinde biriken maddeler
üzerinde çalıĢırken ilk defa keĢfedilmiĢtir [8].
Malzeme bilimciler, kimyacılar ve fizikçilerin yoğun ilgisini çeken karbon
nanotüpleri mukavemet, esneklik ve sertlik açısından malzeme bilimcilerin ilgisini,
kimyacıların nanotest-tüpleri olarak ilgisini ve fizikçilerin ise olağandıĢı elektronik
özellikleri nedeniyle ilgisini çekmiĢtir. Genel olarak karbon nanotüpleri içice geçmiĢ
tüp sayılarına göre tek duvarlı (SWCNT), çift duvarlı (DWCNT), çok duvarlı
(MWCNT) vb. Ģeklinde isimlendirilir. Uzunlukları ve çapları üretim yöntemlerine
göre değiĢmekle birlikte çap uzunluk oranı 100 ile 1000 arasında değiĢmektedir [9].
ġekil 2,7’de karbon nanotüp yapısının Ģekli verilmektedir.
ġekil 2.7. Karbon Nanotüpler
2.4.5. Amorf karbon
Karbonun belirgin, kendilerine özgü bir yapısı ya da biçimi olmayan allotropuna
amorf karbon denir.
Odun, kömür, hindistancevizi gibi maddelerin çeĢitli iĢlemlerden geçirilmesiyle elde
edilir. Hazırlanma iĢlemi sırasında organik madde yaklaĢık olarak 2000 °F'a kadar
ısıtılır ve maddeye yüksek basınç uygulanır. Böylece karbon gözenekli yapıya
bürünür, yüzeyi artar. Öyle ki 1 gramında -kullanım alanına bağlı olarak- 200m² ile
9
1500m² arasında bir yüzey elde edilir [7]. ġekil 2,8’de amorf karbon yapısı
verilmektedir.
ġekil 2.8. Amorf Karbon(aktif Karbon)
2.5. GRAFEN
Grafenin keĢfiyle, Ģimdiye kadar bilinmeyen bir malzeme sınıfı ortaya çıkmıĢtır. Ġlk
önceleri tek tabaka grafit olarak adlandırılan bu malzeme daha sonraları grafen adını
almıĢtır.
Ġlk olarak 1930’da, Landau ve Peierls grafenin, 2 boyutlu kristalin yapısını,
gösterdiğini termodinamik yasalarına bağlayarak açıklamıĢlardır. 1947’de P.R
Wallace tarafından grafitin band yapısı hesaplanmıĢtır. 1957’de Linus Pauling
grafenin elektronik yapısı ve özelliklerine yayınladığı makalelerle ıĢık tutmuĢtur.
1980’e kadar karbonun sadece 3 temel formu olduğu sanılıyordu (elmas, grafit,
amorf karbon).
Grafen ilk olarak, ince karbon filmlerin elektriksel özelliklerinin incelenmesi ile ilgi
bir çalıĢmanın sonucu olarak ortaya çıkmıĢtır. 2004 yılında Manchester
Üniversitesinde bir grup, grafenin elektriksel özelliklerini çalıĢmaya baĢladı. Grup,
grafen eldesinde basit ama etkili bir metot kullandı; mekanik kopartma yöntemi. Bu
10
yöntem yapıĢtırıcı bandın grafit üzerine yapıĢtırılarak, aniden çekilmesi ile grafen
tabakalarının koparılması yöntemidir [10]. Ġlerleyen yıllarda aynı grup, grafit
tabakalarından 5 ve 10 mikron boyutlarında grafen tabakaları elde etti. Elde edilen bu
tabakların yüksek kristal kalitesi ve makroskobik devamlılık sergilediğini gördüler.
Kullanılan metodun basitliğine rağmen, 2D materyallerin veya grafenin neden daha
önce bulunamadığı anlaĢılmıĢtır. Ġlk neden, tek tabakalar, kristal içerisinde
azınlıktaydılar ve ıĢıkta veya yaygın olarak kullanılan cam yüzey üzerinde
görünemiyorlardı.
Diğer bir neden ise 2D materyallerin termodinamik
dengesizlikten dolayı asla var olmayacağına inanılıyordu. Bu çalıĢmalar tek tabaka
yapıların, kristal yapılarından kolayca ayrılabileceğini kanıtladı.
2005 yılında, grafenin elektronik özellikleri üzerine çalıĢmalar yayınlanmaya baĢladı.
Manchester Üniversitesindeki grup, grafen yaprakların kuantum elektrodinamik
özellikleri üzerine çalıĢmaya baĢladı. Grafende elektron iletiminin Dirac’ın göreceli
denklemi ile sağlandığını ve kesirli kuantum Hall etkisi sergilediğini kanıtladılar.
2006 yılında, grafitin soyulması metodu kullanılarak grafen/polimer bileĢikleri
hazırlandı. Bu çalıĢmalarda grafit oksit grafen kaynağı olarak kullanıldı fakat grafit
yapısındaki yalıtkan organik bileĢikler indirgenmek zorundaydı.
Aynı yıl Princeton Üniversitesinde, grafitin oksidasyon ve termal geniĢlemesiyle tek
yaprak iĢlevsel grafenler elde edildi. Yüksek sıcaklık ve patlayıcı kimyasallar içeren
bir metod olmasına rağmen, elde edilen ürünlerin %80’nin tek yaprak grafen olduğu
gösterildi.
2007 yılında, Princeton Üniversitesi, Nortwestern Üniversitesi ve Max-Planck
Enstitüsü grafit oksit indirgenmesi ile yüksek miktarda grafen yaprakları elde ettiler.
2008 yılında, kolay, maliyeti düĢük ve yapı kusurları en aza indirgenmiĢ yeni grafen
sentez metodları geliĢtirildi.
Dublin, Ġrlanda’daki Trinity Kolejinde bir grup, sıvı fazda organik bileĢenler içeren
okside olmamıĢ grafen yaprakları elde ettiler. Aynı yıl North California
Üniversitesindeki bilim adamları,
sülfonik asit ile oksijen içeren fonksiyonel
11
grupların uzaklaĢtırıldığı grafen oksit tabakaları elde ettiler. Yeni sentezleme
metotlarının haricinde, grafenin elastik ve termal özellikleri ve çeĢitli uygulama
alanları (transistörler, sıvı kristal aygıtlar ve polimer nanobileĢikler) büyük bir ilgi ile
araĢtırılmaya devam edilmiĢtir.
2009 yılında, dünya çapında grafene duyulan ilgi arttı ve grafenin sentezi,
karakterizasyonu, tek ve birkaç katman özellikleri ile ilgili makaleler ve
değerlendirmeler yayınlandı. Grafenin elektriksel ve mekaniksel özellikleri, güneĢ
pilleri, ultrakapasitörler ve transistörler gibi enerji depolama alanlarında geniĢ ölçüde
kullanılmaya baĢlandı. 2010’de Nobel Fizik Ödülü’ne iki boyutlu grafen
malzemesiyle ilgili çığır açan çalıĢmaları nedeniyle Andre Geim ve Konstantin
Novoselov’u layık gördü [10].
2.5.1. Grafenin yapısı ve özellikleri
Grafen sp2 hibritli bal peteği görünümünde ve tamamen karbon atomlarından oluĢan
grafit yapısının tek katmanlı hali olup, 2 boyutlu kristal yapıdır. Kimyasal olarak çok
reaktif olmadığından kararlı bir malzeme olup, aynı zamanda iyi bir iletkendir.
Grafende, her karbon atomu 3 tane komĢu karbon atomuyla
2pz orbitaliyle de
(sigma) bağı yaparken,
(pi) bağı yapar. pz ( ) orbitali düzeyinde bulunan elektronlar
(sistemin hem altında hem üstünde) sistemde delokalize olarak düzlem üzerinde
iletkenlik özelliği sağlar [6]. ġekil 2.9.’da grafen tabakalarının Ģekli gösterilmektedir.
12
ġekil 2.9. Grafen Tabakaları
Grafen yasak enerj, aralıklıksız bir yarıiletken olup, düĢük enerjili elektronik
uyarımlar Dirac fermiyonları aracılığıyla tanımlanır [11].
Grafende bal peteği örgü yapısından dolayı, enerji-momentum iliĢkisi de birçok
malzemeden
farklıdır.
Bu
enerji-momentum
iliĢkisindeki
farklılık
grafen
elektronlarının farklı fiziğinden kaynaklanmaktadır. ġekil 2,10’da grafenin band
yapısı verilmektedir.
ġekil 2.10. Grafenin Band Yapısı
13
Grafenin yasak enerji aralığının olmaması, elektronik uygulamalara sınırlama
getirmektedir. Bu yüzden grafenin yasak enerji aralığına sahip olması kritik bir önem
taĢımaktadır. Literatürde yapılan çalıĢmalarda göstermektedir ki; kimyasal olarak
katkılama, metal kontak kullanma, grafene mekanik gerilme uygulama, üretim
tekniğinin çeĢitliliği vb. metotlarla grafenin yasak enerji aralığı değiĢtirilebilmektedir
[12].
2.5.2. Grafenin örgü yapısı
Grafen, grafitin tek atomik tabakasıdır. Grafende, altıgen örgü içindeki karbon
atomları sp2 hibritleĢmesiyle kovalent bağ yaparak bağlanır. Karbon atomunun dört
valans elektronundan üçü, en yakın komĢulukları ile her biri üç
Kovalent
(sigma) bağı yapar.
(sigma) bağları, bağlı atomlar arasında güçlü bağlar oluĢtururlar ve örgü
yapı içindeki karbonun tüm allotroplarının dayanıklılığından sorumludur. Her
karbona atomu üzerindeki, yarı dolu p orbitali ise, grafen düzlemine diktir [12]. ġekil
2,11’de grafenin
ve
ġekil 2.11. Grafenin
bandları için enerji dağılımı verilmektedir.
ve
bandları için enerji dağılımı
14
Band diyagramında
valans bandı,
bağları
ve
* bandları olarak ikiye ayrılır. Alttaki band
bandına karĢılık gelirken, üstteki band ise iletim bandına * bandına
karĢılık gelmektedir. Grafende
bandlarının konik yapısı K noktasındaki dağınım
bağıntısının Ģeklinden kaynaklanır ki, burada kütlesiz elektronlar ve deĢikler K
noktası civarında lineer dağınım bağıntısı gösterirler [9]. Grafen düzlemi ( ,
)
vektörleri tarafından tanımlanan ve her birim örgü hücresinde iki farklı karbon atomu
(A,B)
bulunan altıgen örgüdür [5].
2.5.3. Grafenin sentezlenmesi
Grafenin hazırlanma basamağı son yıllarda ilgi çeken konuların baĢında gelmektedir.
Basit ve güvenli yoldan grafen hazırlanması noktasında kullanılacak reaktifler önem
kazanmaktadır. Grafen, hem fiziksel (mekanik soyma vb.) hem de kimyasal
yöntemlerle (Hummers Metodu vb.) yüksek kalitede hazırlanabilmektedir. ġekil
2,12’de grafenin sentezlenme metodlarının Ģematik gösterimi verilmektedir.
ġekil 2.12. Grafen Sentezleme Metodları
15
2.5.4. Kimyasal yöntemlerle grafen eldesi
Grafen tabakalarının izole edilmesinden sonra uygulanan ilk sentezlenme
yöntemlerinden biri, kimyasal olarak grafitin grafit oksite yükseltgenmesi daha
sonrasında ise hidrazin veya hidrokinon gibi kuvvetli bir indirgeyici ile grafen
tabakalarına indirgenmesi olmuĢtur. Grafit oksit, 1859’da Brodie tarafından toz
halindeki grafitin nitrik asit ve potasyum nitratla karıĢtırılıp yükseltgenmesini
sağlayarak elde edilmiĢtir. Literatürde karĢılaĢılan grafenin grafit oksitten sentezi,
çoğu zaman Hummers metodu ile gerçekleĢtirilmektedir. Hummers metodu
(kimyasal yükseltgenme) uygulandıktan sonra karbon atomlarına bağlı karbolik asit,
epoksi ve alkol grubu içeren grafen tabakaları elde edilmektedir [6].
Kimyasal yöntemin temelinde grafitten yola çıkarak güçlü yükseltgenler ve
ultrasonik yardımıyla (Hummers Metodu) önce grafen oksit hazırlanmakta, daha
sonra indirgenler yardımıyla indirgenerek grafen elde edilmektedir (ġekil 2.13).
Kimyasal yoldan hazırlanan grafen sentezinde hidrazin ve türevleri, NaBH4,
aminoasit, l-glutathione içeren bileĢikler gibi pek çok indirgeyici reaktif
kullanılmaktadır.
ġekil 2.13. Grafen oksitte Fonksiyonel Grupların UzaklaĢtırılması
16
Fakat bu iĢlemler grafen üzerinde bazı dezavantajlar oluĢturmaktadır. Bunlar,
tabakaların dönmesi, katlanması veya indirgenmemiĢ epoksi, karboksil ve hidroksil
gruplarından dolayı çapraz bölümlerin kalınlığının 1 nm’ye kadar çıkması olarak
sıralanabilir.
Grafen üretimi sırasında, bünyesinde barındırdığı, bu fonksiyonel gruplar grafen
yapısının iletkenliğini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu yüzden çeĢitli yöntemlerle
indirgenen grafende; bu yabancı oksijen fonksiyonel gruplarının azaltılması esas
alınır [13].
Literatürde; grafen yapısındaki fonksiyonel grupların kimyasal indirgeme veya
sıcaklıkla uzaklaĢtırılmıĢ; böylelikle grafenin iletkenliğinde önemli ölçüde değiĢim
olduğu gözlenmiĢtir [13,14]. ġekil 2,14’de grafenin çeĢitli indirgeme metodları ile
eldesi verilmektedir.
ġekil 2.14. ÇeĢitli Ġndirgeme ĠĢlemleri ile Grafen Elde Etme
17
3. SENSÖRLER
3.1. Giriş
Sensör teknolojisindeki ve elektronikteki ilerleme, yeni malzemelerin sentezlenmesi,
fiziksel ve kimyasal özelliklerinin incelenmesi sayesinde artıĢ göstermektedir.
Günümüzde çok değiĢik sensör çeĢitleri kullanıma sunulmaktadır [15].
3.2. Sensörler
Fiziksel ortam değiĢikliklerini (ısı, ıĢık, basınç, ses vb) algılayan cihazlara sensör adı
verilir. Sensörlerden alınan veriler elektrik sinyaline dönüĢtürüldükten sonra
elektronik devreler tarafından yorumlanarak mekanik aletlere kumanda edilebilir.
Ancak tespit edeceğimiz değiĢikliğe uygun sensör kullanılmalıdır. Sensörler fiziksel
ve kimyasal sensörler olmak üzere iki gruba ayrılır. Ayrıca uygulama alanlarına
(Klinik, Endüstriyel, Çevresel ) ve boyutlarına (Mikro, Makro, Mini, Bench Tip)
göre de sınıflandırmak mümkündür.
3.3.
Gaz Sensörleri
Gaz ortamında çalıĢan ve gazların ortamda varlığını ve konsantrasyonunu ölçmeye
yönelik kullanılan aygıtlara ‘gaz sensörleri’ denir. Gaz ölçüm cihazlarının en önemli
parçası sensör kısmıdır. Çünkü bu kısım birebir ortamdaki gazlar ile etkileĢim
içindedir. Tespit edilmesi istenen gazın ortama girmesiyle, sensör maddesi
elektriksel, optiksel veya kimyasal özelliklerine bağlı olarak gaz molekülleri ile
etkileĢir ve bunu elektriksel değerlendirme birimine aktarır.
3.3.1. Gaz sensörlerinin çalışma prensibi
Gaz ölçüm sistemlerinde sensör kısmı dıĢındaki bileĢenler sensör maddesinin verileri
doğrultusunda hareket ederler. Sensör maddesi ile gaz molekülleri arasındaki
etkileĢimler sonucu sensör maddesinin fiziksel ve kimyasal özelliklerinde
18
değiĢiklikler meydana gelir. Bu tür değiĢikliklerin belirlenmesi gaz sensörlerinin
temel çalıĢma prensibidir.
Genel olarak sensörler, parçacık tespiti için kullanılan özelliklerine göre
sınıflandırılır. Bu özellik iletkenlik, potansiyel, kapasite, ısı, kütle ve optik özellikler
gibi sensörle etkileĢen maddelere göre değiĢen özelliklerdir.
Genel olarak sensör maddesinin, elektriksel, optik ve kimyasal olmak üzere üç
özelliğinden yararlanılmaktadır.
Elektriksel özelliklere göre çalıĢan gaz sensörü, zararlı gaz ile etkileĢtiğinde sensörün
iletkenlik, direnç ve buna benzer elektrik özelliklerinde değiĢmeler gözlenir.
Optik özelliklere göre çalıĢan gaz sensörü, zararlı gaz molekülleri ile etkileĢtiğinde
sensör maddesine ait spektrumda değiĢiklikler gözlenir. Bu spektrumda bazı yeni
pikler oluĢması, var olan piklerin kaybolması ya da piklerin kayması Ģeklinde
gözlenir. Piklerdeki bu değiĢim ortamdaki gaz konsantrasyonuna bağlıdır [15].
Kimyasal özelliklerine göre çalıĢan gaz sensörü, zararlı gaz molekülleri ile
etkileĢtiğinde kimyasal özelliklerinde değiĢiklikler meydana gelir. Bu kimyasal
değiĢiklikler sensör maddesinin değiĢmesi Ģeklinde olabilir [15].
3.3.2. Bir gaz sensöründe bulunması gereken özellikler
Bir gaz sensöründe; seçicilik, tekrarlanabilirlik, kararlılık, geniĢ ölçüm aralığı, hızlı
cevap zamanı, hızlı geriye dönme zamanı, yüksek duyarlılık gibi temel parametreler
bulunmalıdır [16,17].
3.3.3. Gaz sensörlerin uygulama alanları
Gaz sensörleri; kimyasalların teĢhisinde, su analizlerinde, yiyecek ve içecek
sanayisinde, hastalıkların bulunması ve tedavisinde, kimyasal isletmelerde, ev, iĢyeri,
19
otomobil vb. yerlerin havalandırma tesisatlarında, ilaç sanayisinde, uzay sanayisinde,
mikrodalga fırınlarda otomatik piĢirme kontrollerinde, havalandırma kontrol
sistemlerinde, elektriksel iĢlemlerde, alkol kontrollerinde vb. birçok alanda yaygın
bir Ģekilde kullanılmaktadır.
3.3.4. Gaz sensör çeşitleri
Yarıiletken teknolojisinin geliĢmesi ve mikroiĢlemcilerin sensör uygulamalarında
kullanılması gaz ölçüm sistemlerinin geliĢmelerinin temel kaynakları olmuĢtur.
Gazların dedekte edilmesinde çok çeĢitli gaz sensörleri kullanılmaktadır. Her biri
gazları algılamak için farklı bir algılama prensibine sahiptir.
Katalitik gaz sensörleri
Katalitik gaz sensörlerinde platin ısıtıcı bir tel, gaz moleküllerinin geçiĢine izin veren
geçirgen bir seramik taĢıyıcı üzerine yerleĢtirilmiĢtir. Bu seramik taĢıyıcının üzeri,
gaz örneğinin yanmasını kolaylaĢtırmak için katalizör platin veya paladyum ile
kaplanır. Platin ısıtıcıya sürekli bir gerilim uygulanarak algılayıcının sıcaklığı yüzeye
gelen gaz örneğini yakabilecek seviyede tutulur. Gaz örneğinin yanması esnasında
ortaya çıkan enerji algılayıcının sıcaklığını, dolayısıyla platin ısıtıcının direncini
arttırır. Bu tip sensörlerde gaz tespiti, dirençte meydana gelen değiĢimlerin
gözlenmesiyle sağlanır. Ortaya çıkan enerji ve ısıtıcının dirençteki değiĢim,
ortamdaki gaz molekülleri ile orantılıdır. Sürekli olarak direnç ölçülerek direncin
belli bir değere ulaĢmasından sonra uyarı verilir. Bu sensörler, yüksek sıcaklıkta
çalıĢır ve yanma sonucu oluĢan sıcaklık artıĢından kaynaklanan tel direncindeki
değiĢiklikleri göstererek % 0,05-5 arasında değiĢen gaz konsantrasyonunu algılar. Bu
tip sensörler daha çok hidrokarbon kökenli yanıcı gazlara karĢı duyarlıdır [18].
Elektrokimyasal gaz sensörleri
Elektrokimyasal gaz sensörleri genellikle klor, karbon monoksit, kükürt dioksit,
hidrojen sülfat, amonyak, nitrik asit, azot dioksit gibi zararlı gazların tespitinde
20
kullanılmaktadır. Elektrokimyasal sensör sisteminde, ortama gören zararlı gazın
sensör maddesi ile kimyasal etkileĢmesi sonucu sensör maddesi elektrik akımı üretir.
Gaz konsantrasyonları ile orantılı olan akım, anoda akan negatif iyonlar ve katoda
akan pozitif iyonlar olarak oluĢur. Bu reaksiyon geri dönüĢümlüdür. ġekil, bir
elektrokimyasal gaz sensörünün yapısını göstermektedir. Bu sensörlerin en büyük
dezavantajı ise yavaĢ algılama (tam bir algılama için birkaç saniyeden 20 s
üzerindeki değerlere kadar değiĢerek) süresidir [2]. Yukarıda belirtilen zararlı gazlara
karĢı oldukça duyarlı olan bu tip sensörlerin kullanım ömrü en fazla 1 veya 2 yıl
arasında değiĢmektedir [4]. ġekil 3,1’de elektrokimyasal gaz sensörü Ģekli
verilmektedir.
ġekil 3.1. Elektrokimyasal Gaz Sensör
Kızılötesi gaz sensörleri;
Kızılötesi gaz sensörleri, sensör maddesinin optik özelliklerinden yararlanarak
gazları tespit etmektedir. Bu tip sensörler dalga boyu kızılötesi bölgeye düĢen ıĢığı
soğuran karbon dioksit, karbon monoksit ve hidrokarbonların tespitinde kullanılır.
ġekilde kızılötesi sensör Ģeması gösterilmektedir. Gaz, pompalama ve difüzyon yolu
ile küvete gönderilir. Küvetin içi kızılötesi ıĢık kaynağı ile aydınlatılır. Küvette
bulunan aynadan yansıyan ıĢığın bir kısmı piezoelektrik ölçüm dedektörüne, bir
kısmı ise referans sinyali olarak diğer dedektöre gönderilir. Ortamdaki gaz
konsantrasyonuna bağlı olarak ıĢık Ģiddetlerindeki değiĢimin elektronik devre
21
tarafından kontrol edilmesi suretiyle gaz tespiti yapılır [19,20,21]. ġekil 3,2’de
kızılötesi gaz sensörünün Ģekli verilmektedir.
ġekil 3.2. Kızılötesi Gaz Sensörü
Akustik sensörler
Herhangi bir maddenin titreĢen bir hacminden belli bir miktar madde
uzaklaĢtırıldığında ya da eklendiğinde, rezonans frekansında bir değiĢme gözlenir.
Burada özel bir kesiliĢe veya kristalografik düzenlenime sahip piozelektrik kuartz
kullanılmaktadır. Kuartz yüzeyi üzerine fiziksel bir baskı uygulayan gaz ya da buhar
molekülleri bu yöntem kullanılarak dedekte edilebilir.
Optik sensörler
ÇeĢitli
optik
sistemler
kullanılarak
buhar
ya
da
gazların
algılanması
gerçekleĢtirilebilmektedir. Ġnce filmlerin soğurmasını ölçebilen bir optik fiber
yardımıyla gaz algılanması yapılabilmektedir. IĢın materyalin üzerinden saçılır ve
çıkan dalgalar sayesinde materyalin soğurma özellikleri elde edilebilir [15,18].
22
Yarıiletken gaz sensörleri;
Yarıiletken gaz sensörler 1970’li yıllarda Japonya’da üretilmeye baĢlamıĢtır. Bu tip
sensörler elektrik özelliklerinde değiĢimlere göre çalıĢmaktadır. Gazı algılama biçimi
yarıiletken malzeme üzerine serbest elektronların gaz molekülleri ile etkileĢmesi
sonucu olmaktadır. Bu etkileĢim yarıiletken elektriksel değiĢikliğe sebep olur. ġekil
3,3’de yarıiletken gaz sensörünün Ģekli verilmektedir.
ġekil 3.3. Yarıiletken Gaz Sensörü
Yarıiletken gaz sensörlerinde diğer gaz sensörlerinden farklı olarak elektrik
direncinin direkt ölçülmesi ile hedef gaz konsantrasyon değiĢimi nicel bir Ģekilde
yapılabilir [4,18].
Yarıiletken malzemenin yüzeyi üzerinde serbest elektronlar bulunmakta ve böylece
yarıiletken elektrik akımını iletebilmektedir. Yarıiletken malzeme hava ile temas
ettiğinde, yüzeyi tarafından oksijen atomları tutulur ve serbest elektronlar oksijen
atomlarına bağlanırlar. Sonuç olarak hava ile temas eden yarıiletken malzemede
elektriksel iletkenlik azalma eğilimi gösterir. Yarıiletken malzemenin yüzeyi gaz ile
karĢılaĢtığında oksijen atomları serbest kalır. Dolayısıyla yarıiletken elektronları da
serbest konuma geçeceğinden elektriksel iletkenlik tekrar yükselir [4,18].
23
Algılama mekanizmasına bakmaksızın bir gaz sensörünün cevap karakteristiği hedef
moleküller ile ara yüzey olarak kullanılan algılayıcı madde arasındaki etkileĢmenin
doğasına bağlıdır. Bu etkileĢmelerin türünün bilinmesi arayüzey maddesinin tasarımı
için önemlidir. Algılayıcı madde ile hedef molekülleri arasındaki etkileĢmeler
fiziksel ve kimyasal etkileĢmeler olarak iki grupta toplanır. Adsorpsiyon durumunda
bu etkileĢmelere sırasıyla fiziksel ve kimyasal adsorpsiyon denir [22].
Bir vakum sisteminde eriĢilen vakumlarda gaz moleküllerinin ortalama serbest yolu
düzeneğin boyutları yanında çok uzundur. Bu nedenle, vakum düzeneğinin iletken ve
yarıiletken yüzeyleri ile gaz moleküllerinin etkileĢmesi, moleküller arası çarpıĢmaya
göre çok daha baskındır. Yüzeye çarpan moleküller, kısa ya da çok uzun süreler
yüzeyde tutunabilirler. Gaz molekülerli yüzeyle genelde üç Ģekilde etkileĢebilir [19].
Gaz molekülleri, fiziksel olarak soğurulur, kimyasal soğurma oluĢur ve yüzey
atomlarıyla kimyasal tepkimeye girerek bağ yapar.
3.3.5. Fiziksel soğurma
Gaz molekülleri bulundukları kabın yüzeylerinde yapısal olarak oluĢan boĢluklarda,
yüzey atomları ile Van der Waals etkileĢmesine girerek tutulurlar. Bu olgu geri
dönüĢümlüdür. Soğurulan molekül konsantrasyonu arttığında ( yani yüzeye birim
zamanda çarpan molekül sayısı arttığında) yüzeydeki soğurma da artar. Molekül
konsantrasyonu azaldığında, soğurulmuĢ moleküllerin bir miktarı serbest kalır ve gaz
fazına geçerler. Fiziksel soğurmanın oluĢum enerjisi oldukça düĢüktür. (~ 1-2 kcal)
Bu ise atomların Van der Waals etkileĢmesi için gerekli enerjidir. Sıcaklık arttıkça
fiziksel soğurma azalır. Bu tür soğurma, belli tür moleküllere özgü olmayıp, belli bir
sıcaklık aralığında her tür molekül ve yüzey için geçerlidir [22].
3.3.6. Kimyasal soğurma
Gaz molekülleri, yüzeyin yerel yapısını bozmadan, yüzey atomları ile bağ
oluĢturabilir. Bu olay geri dönüĢümlü olmayan bir etkileĢim türü olup soğurulan
molekül konsantrasyonunu azaltarak ya da herhangi bir çözücü ile yüzeyi
24
temizlemek mümkün değildir. Kimyasal soğurmanın oluĢum enerjisi, 10-100 kcal
mertebesinde olup, bu kimyasal bağ yapmak için yeterli bir büyüklüktür. Fiziksel
soğurmanın tersine, belirli bir sıcaklık aralığında sıcaklık arttıkça, kimyasal soğurma
da artar. Ġletken yüzeylerde, yalnızca iletkenle bağ yapma yatkınlığı olan gaz türleri
kimyasal olarak soğurulur. Kimyasal soğurmada kimyasal bağ, metal atomlarının
örgüdeki yerlerini bozmadan yüzeyde tek bir tabaka yapacak Ģekilde oluĢur.
Kimyasal tepkime, kimyasal tepkime sonucunda, gaz molekülleri ile kabın
yüzeyindeki atomlar bileĢik yaparak yüzeyde tamamen farklı bir yapı oluĢturur ve
metal atomları yerlerini terk ederek ilk örgülerinden farklı bir örgü içinde yer alırlar.
Böylece kimyasal soğurmadan farklı bir oluĢum ortaya çıkar [22,23].
3.3.7. Algılama mekanizması
Fiziksel ve kimyasal yarıiletken sensörler daha iyi anlaĢılabilmesi için katı yapısı ve
yüzey algılama özelliklerinin bilinmesi gerekmektedir. Pek çok sensör çeĢidi
üretilmesine rağmen, algılama mekanizması çoğu madde için aynıdır.
Gaz sensörlerinde, havadaki küçük oranlı gaz moleküllerinin varlığında, iletkenlik
bandı ile adsorbe edilmiĢ parçacıklardaki değiĢimden dolayı serbest parçacık
yoğunluğundaki fark, aktif tabakadaki elektriksel dirençte bir değiĢim meydana
getirir [24,25].
Yükseltgeyici bir gaza maruz kaldığı zaman, bu gazlar O- iyonları ile reaksiyona
girer ve yüzey tarafından adsorbe edilir. Yükseltgeyici gaz iyonları, O- iyonları
yardımıyla elektronları yüzeyden koparır. yüzeydeki elektron konsantrasyonu azalır.
Bunun sonucunda dirençte artıĢ gözlenir. Yüzey, indirgeyici bir gaza maruz kaldığı
zaman, bu gazlar O- iyonları ile reaksiyona girer, bunun sonucu olarak elektronları
iletkenlik bandına geri salar. Sonuç olarak, yüzeydeki elektron konsantrasyonu artar .
Dirençte düĢme gözlenir.
Gaz algılama mekanizması iki ana reaksiyondan meydana gelir. Ġlk reaksiyon,
havadaki oksijenin oksit yüzey tarafından kimyasal olarak O2- (moleküler), O-
25
(atomik) ve OH- (hidroksil) olarak adsorbe edilmesi ile meydana gelir. Elektronların
iletkenlik bandından adsorbe edilmiĢ oksijenlere transferi sonucunda, yüzeye oksijen
tutunur ve bu bir azalma bölgesi(uzay yük bölgesi) oluĢturulmasına sebep olur
[25,26].
Ġkinci reaksiyon kirletici gaz molekülleri ile adsorbe edilmiĢ oksijen arasında
meydana gelir, indirgeyici bir gaz potansiyel bariyerde (tanecikler arasında) bir
azalma meydana getirir ve yüzeyde adsorbe olmuĢ oksijen iyonlarının nötrleĢmesi ile
elektriksel dirençte bir düĢüĢ gözlenir [27,28].
Algılama performansları özellikle duyarlılık, 3 bağımsız faktör tarafından kontrol
edilir [29,30,31].
Algılama Mekanizması
DönüĢtürme Mekanizması
Yararlılık
Algılama Mekanizması,(yüzey özellikleri); Redoks özellikleri, Asit-Baz özellikleri
ve spesifik gaz algılamasına bağlıdır. Hedef gazın oksit tabakası ile kimyasal
reaksiyona girmesiyle iliĢkilidir. Gaz sensöründeki, iyonize olmuĢ oksijen atomları
bu kimyasal reaksiyondan sorumludur ve bu iyonize olmuĢ oksijen atomları
kolaylıkla değiĢtirilebilir. Katkılama, algılama mekanizması için çok önemlidir
[30,31].
DönüĢtürme Mekanizması (tanecikler arası özellikler); Tanecik büyüklüğü,
katkılama ve yüklerin mobilitesine bağlıdır. kimyasal reaksiyon sonucunda iĢ
fonksiyonundaki değiĢim ile meydana gelen sinyali, elektrik sinyaline çevirmekle
iliĢkilidir. Bu mekanizma sistem boyunca akım ölçümlerini gerçekleĢtirebilir [30].
Yararlılık (yüzey ve difüzyon reaksiyonları arasındaki kinetik faktör); bariyer
yüksekliği, algılama mekanizmasındaki deliklerin boyutları, difüzyon derinliği, film
kalınlığı, materyalin katkılanması ve hedef gazın konsantrasyonuna bağlıdır.
Niceliksel bir ölçüm için, kinetik enerji etkisini hesaba katmak için gereklidir. Bu
26
faktör hedef gazın yüzeyin içine nüfus etmesiyle ilgilenir. Eğer reaksiyon oranı
difüzyonla karĢılaĢtırıldığında çok yüksek ise, hedef gaz yüzey içine nüfuz edemez
ve sensörün gaza yanıt verme oranı düĢer [30,31].
Algılama Mekanizması
Tanecik Büyüklüğü
ġekil 3.4. Gaz Sensörü Algılama Mekanizma
Algılama Yüzeyi
27
4. SERA GAZLARI
4.1.Giriş
Atmosfer az veya çok miktarda, büyük bölümü suni olan yabancı maddelerin üretimi
ile kirletilir. Bunların baĢında petrol ürünleri ve endüstriyel kirleticiler gelmektedir.
Özellikle son yıllarda, endüstriyel aktivitenin, ĢehirleĢmenin ve nüfusun arması ile
kirletici maddelerin kullanımı ve miktarı da hızla artmaktadır.
Atmosfere dağılarak, onu kirleten kirleticiler katı, sıvı ve gaz halindedirler. ÇeĢitli
kaynaklardan meydana gelen kirlilik maddeleri toz, is, sis, buhar, kül, duman vb.
olarak havaya geçerler. Atmosferdeki bu kirleticiler, kirletici kaynaklardan atmosfere
doğrudan verilen kirleticiler ve kirleticilerle atmosferik özellikler arasında kimyasal
olaylar sonucu oluĢan kirleticiler olmak üzere iki Ģekilde bulunurlar. Atmosfere
kirletici kaynaklardan yayılan kirleticiler, kükürt dioksit, azot oksitler, karbon
monoksit, hidrokarbonlar asılı vaziyette bulunan katı partiküllerdir.
4.2.
Karbon Oksitleri (COX)
Fosit yakıtların kullanılması ve orman yangınları gibi nedenlerle atmosfere büyük
oranda karbondioksit (CO2) gazı yayılır. Bunun yanında, oksijenle metanın
tepkimeye girmesiyle oluĢan karbonmonoksit (CO) gazı da bir kirleticidir. Karbon
oksitleri baĢ dönmesi ve reflekslerde yavaĢlamaya sebep olur. Havada yüksek oranda
bulunmaları ölümlere neden olabilir.
Atmosfer ile ilgili alanlarda çalıĢan bilim adamlarının en önemli gündem
maddelerinden birini uzun zamandan beri ozon tabakasındaki delik oluĢturmaktadır.
Bir grup, alınan tedbirler ile problemin ortadan kalktığını ve önemli bir problem
olmadığını iddia ederken, diğer bir grup ise bu düĢünceye katılmamaktadır.
Ozonun en önemli düĢmanı kloroflorokarbon (CFC) gazlarıdır. Bu gaz 1930’ da
Thamos Midgely adlı araĢtırmacının General Motors firması için yaptığı çalıĢmalar
sonucu geliĢtirilmiĢ ve soğutma maksatlı ev aletlerinde kullanılmaya baĢlanmıĢtır.
28
1940’ lı yılların ortalarında ABD’ deki soğutucuların büyük bir çoğunluğu CFC ile
çalıĢıyordu. Ġlerleyen yıllarda CFC üretimi ciddi boyutlarda arttı ve yeni kullanım
alanları buldu.
1970’ de ozon tabakası üzerindeki olumsuz tesire ilk defa Paul Crutzen dikkat çekti;
onun yaptığı çalıĢmada zararlı maddelerin azot oksitleri olduğu tespit edildi. 1974’
de Richard Stolarski ve Ralph Cicerone uzay mekiklerinin egzozlarından çıkan
klorinin ozona zarar verdiği uyarısında bulundular. Aynı yıl F. Sherwood Rowland
ve M. Molina strotosfere ulaĢan CFC’ lerin ozona zarar verdiğini ilk defa iddia ettiler
ve CFC üretiminin en kısa zamanda sınırlandırılıp yasaklanmasını istediler. Devam
eden çalıĢmalar bu ikazı destekleyici neticeler verince, 1976’ da ABD’ de, spreylerde
CFC kullanımının 1978’ den itibaren yasaklanma kararı alındı. Ġlerleyen yıllarda
milletler arası giriĢimler baĢladı. Bu arada ozonun Antarktika üzerinde inceldiği
tespit edildi (1985). 1987’ de 140 ülkenin imzaladığı Montreal Protokolü ile CFC
üretimindeki artıĢların durdurulması ve üretimin 1998’ de yarıya indirilmesi
kararlaĢtırıldı. 1992’ de Kopenhag’ da yapılan toplantıda ise CFC’ lerin geliĢmiĢ
ülkelerde 1996’ da, geliĢmekte olan ülkelerde ise 2010 yılında tamamen üretimden
kaldırılması kararlaĢtırıldı. 1996’ da, yapılan çalıĢmalarla milletler arası protokollere
uyulması halinde ozon tabakasının kendini tamir edebildiğinin 21. Yüzyılda
gözlenebileceği tahmini öne sürüldü [32].
4.2.1. Karbonmonoksit (CO)
Karbonmonoksit, renksiz, kokusuz, oldukça zehirli, tatsız ve aĢındırıcı olmayan
ölümcül bir gazdır. Karbonmonoksit suda az çözünen ve normal Ģartlarda havadan
daha az yoğun olan çok zehirli bir gazdır.
Karbonmonoksit, yakıt içindeki karbonun eksik yanması ile, yani yanma bölümünde
yeterli hava olmadığı zaman meydana gelir. Trosferde bulunan iz gazlardan biridir.
Atmosferdeki karbonmonoksit konsantrasyonu genel olarak yaz aylarında daha
düĢük, kıĢ aylarında ise daha yüksektir. Çünkü kıĢ aylarında ilaveten ısınma amacı
ile yakıt kullanılmaktadır. Karbonmonoksit gazının atmosferde bozunma süresi
29
takriben 2,5 aydır. Yani atmosferde bozunmadan yaklaĢık olarak iki ay
kalabilmektedir [32,33].
ġehir içi bölgelerde, koridor halindeki cadde ve sokaklarda trafik yoğunluğu
yüksekse havadaki karbonmonoksit konsantrasyonu da
genelde yüksek olur.
Özellikle inversiyonlu günlerde bu tür yerlerde karbonmonoksit konsantrasyonunun
çok daha yüksek olması kuvvetle muhtemeldir
Havadan biraz daha hafif, renksiz, kokusuz, zehirli bir gazdır. Yanma sürecinde
yakıttaki karbonun eksik yanma sonucunda tümüyle karbondioksite yükseltgenmeyip
bir bölümünün karbon monoksite dönüĢmesiyle oluĢur. BaĢlıca karbon monoksit
kaynağı içten yanmalı motorlardır.
Katı ya da sıvı maddelerin parçacıkları, kurum ya da is biçiminde gözle
görülebilenlerden ancak elektron mikroskobuyla gözlenebilecek olanlara kadar
değiĢen boyutlardadır. Çevreyi kirleten parçacıkların oluĢumuna yol açan baĢlıca
nedenler hareketsiz merkezlerde yakıt kullanımı ile sanayi etkinlikleridir; orman
yangınları da küçük bir yüzde oluĢturur.
Karbonmonoksit insan sağlığı için çok zehirli bir gazdır. Karbonmonoksitle
zehirlenmenin ilk belirtisi, gribe benzer. BaĢ ağrısı, uyuklama, yorgunluk, nefes
kesilmesi,
bulantı
ve
baĢ
dönmesi
Ģeklinde
de
etkisini
gösterebilir.
Karbonmonoksitten zehirlenen çoğu kiĢi grip olduğunu zannederek yanılır. Kirliliğe
maruz kalmanın takip eden etkisi bilinçsizlik, solunum hastalığı ve ölümdür. Karbon
monoksit, özellikle 0-18 yaĢ arası astımlı çocuklar üzerinde ciddi olumsuz etkiye
sahiptir. Karbonmonoksitin insan sağlığı üzerindeki en olumsuz etkisi; kalp ve beyin
gibi canlı organizmalara oksijen verme kapasitesini azaltmasıdır. Kalp hastası kiĢiler,
karbon monoksit kirliliğine karĢı özellikle hassastırlar.
Solunan havada bulunan karbon monoksit konsantrasyonunun insan sağlığı üzerine
etkisi çok önemlidir. Solunum yolu ile alınan karbon monoksit, akciğer tarafından
kolayca absorbe edilir. Akciğer tarafından absorbe edilen karbonmonoksit (CO)
30
kandaki hemoglobinle (Hb) yavaĢ olarak tersinir reaksiyona girer. Karboksi
hemoglobin kanda oksijen eksilmesine neden olur. Karboksi hemoglobin, kanın
oksijen taĢıma kapasitesini düĢürür.
Hemoglobin oksijene göre CO ile 240 kat daha fazla reaksiyona girme kabiliyetine
sahiptir. Hemoglobini, karbonmonoksit ile doygun hale getirmek için gerekli karbon
monoksitin kısmi basıncı, oksijenle doygun hale getirmek için gerekli oksijenin
kısmi basıncının sadece
dır. Kanda COHb oluĢması sağlık açısından ciddi
problem olur. Dünya Sağlık TeĢkilatı karbon monoksit sınır değerlerini belirlenen
maruz kalma süreleri içinde kandaki karboksi hemoglobin seviyesinin % 2,5
açmaması esas alınarak belirlenmiĢtir. Karbon monoksit için Türkiye’ ye ait sınır
değerleri A.B. standartlarına göre yaklaĢık 3 kat daha yüksektir. Bu standartların
yeniden düzenlenmesi gereklidir [32,33,34].
4.2.2. Karbondioksit (CO2)
Havadan
ağırdır,
renksiz
ve
kokusuzdur,
atmosferik
basınçta
katı
hale
dönüĢtürülebilir, basınç altında ise sıvı olarak bulunur. Kimyasal olarak asidiktir.
Suda çözünebilir, yanmayı desteklemez [32,33].
Renksiz, kokusuz, zehirsiz havaya oranla daha ağır bir gazdır. Karbondioksit gazı
yeraltından doğal olarak veya atık baca gazlarından elde edilir. Karbondioksit gazı 56,6 °C’ de ve 4.16 bar basınçta aynı anda katı, sıvı ve gaz halinde bulunur. Gaz iki
ayrı Ģekilde doldurulabilir, bunlar gaz ve sıvı fazlarda dikiĢsiz çelik tüplere
doldurulabilir. Bu gaz basınç altında sıvılaĢtığı, sıcaklık altında gazlaĢtığı için TSE’
nin belirlediği (0,75 kg/lt; Tġ11169’ da) dolum oranına göre dolumu yapılmaktadır.
TSE standartlarına göre sıvı/gaz karbondioksitin birinci sınıfının safiyeti minimum %
99,9, ikinci sınıfının safiyeti minimum % 99,7 olmalıdır. (TSE - TS 2603) Tüpün dıĢ
rengi RAL 7000 dir ve tüpün periyodik bakımı test basıncı 345 ve 450 barlık tüpler
için 10 yıl, 225 barlık tüpler için 5 yıldır (TS 11169) [34,35,36].
31
5. DENEYSEL TEKNİKLER
5.1.
Giriş
Grafen numunelerinin 10 K adımlarla 30-300 K arasında 0,4 T magnetik alan altında
van der Pauw tekniği kullanılarak Hall etkisi ölçümleri yapılmıĢtır. Kontaklar gümüĢ
pastası ile alınmıĢtır. Numunelerin sıcaklığa bağlı özdirenç, taĢıyıcı yoğunluğu ve
Hall mobiliteleri incelenmiĢtir. Ayrıca grafen numunelerinin Van der Pauw tekniği
kullanılarak, farklı sıcaklıklarda (300 K-320 K- 350 K) ve farklı gaz
konsantrasyonlarında (1000 ppm-500 ppm- 250 ppm-125 ppm-50 ppm) gaza
duyarlılığını belirleyebilmek zamana bağlı olarak direnç ölçümleri yapılmıĢtır.
5.2.
Ölçüm Teknikleri
5.2.1. Özdirenç ölçümleri
Elektrikte direnç ölçümleri direnç değerinin büyüklüğüne göre sınıflandırılarak
uygun yöntemlerle ölçülür. Dirençler değerleri bakımından değeri 0,1 Ω dan küçük
olan küçük değerlikli dirençler, değeri 0,1-106 Ω olan orta değerlikli dirençler ve
değeri 106 Ω dan büyük olan dirençler olmak üzere üç sınıfa ayrılır. Elektriksel
özdirenç ölçümü bu sınıflandırmalardan genellikle küçük değerlikli direnç ölçme
grubuna girmektedir. Küçük değerlikli direnç ölçmelerinde dirençler dört uçlu yapılır
ve bunların ölçülmesinde çeĢitli metotlar kullanılır [37].
Küçük değerlikli dirençlerin ölçülmesinde ölçme düzeneğini oluĢturan ölçü aletleri
hataları, bağlantı hataları, bağlantı iletkenlerin dirençleri ve bağlantı noktaları
arasında meydana gelen temas dirençleri sonuca etki etmekte ve ölçülen değerin
hatalı bulunmasına neden olmaktadır. Bu ölçme hatalarının en aza indirilebilmesi ve
ölçme yapılabilmesi için iki nokta kontak ve dört nokta kontak metotları
geliĢtirilmiĢtir [37].
Ġnce metal filmlerin ve yarıiletken malzemelerin elektriksel özelliklerinin
ölçülmesinde, genellikle iki nokta kontak ve dört nokta kontak metotları
32
kullanılmaktadır. Ölçülecek örnek üzerinden akım geçerken, belirli bir bölgesinde
elektrik potansiyel farkı ölçümü bu yöntemlerin temeli olup daha hassas ölçme
yapabilen dört nokta metotları yaygın olarak kullanılmaktadır [38].
Ġki nokta yöntemi ile özdirenç ölçümü
Malzemelerin özdirençlerinin belirlenmesi için tipik olarak numune içinde bir
elektrik alan yaratacak olan bir güç kaynağına, bu elektrik alan nedeniyle numune
içinde meydana gelen I elektrik akımının büyüklüğünün ve keyfi seçilen herhangi iki
nokta arasında meydana gelen V potansiyel düĢmesinin belirlenmesine ihtiyaç vardır.
Malzemenin bu amaç için belirlenmesi gereken elektrik direnci, malzemenin
üzerinden geçen I akımı ve bunun meydana getirdiği V geriliminin oranı ile bulunur
[38].
Direnç,
formülü ile gösterilir.
ġekil 5.1. Ġki nokta ile ölçüm
33
Ġki metal iletken kontak tel ile yapılan bu ölçüm yöntemi ikili prop yöntemi olarak
adlandırılır. Burada direncin belirlenmesi için V ve I değerinin doğrudan
belirlenmesi yeterlidir. Bu yöntemle yapılan direnç belirleme ölçümünde elde edilen
R değeri, kontaklarında direncini içerir. Bu durumda elde edeceğimiz R direnci ve
buna bağlı elde edilen ρ özdirenci değeri sadece numuneye ait olmayacaktır.
Direncin elde edilmesi numunenin özdirencini belirlenmesini sağlar. Homojen bir
numunenin özdirenci belirlemek istendiğinde malzemenin geometrik özellikleri
bilinmelidir. Özdirenç;
(5.1.)
ile verilir. Burada G gösterimi numunenin boyutlarını yani yüzey geometrik sınırları
ve kalınlığı, elektriksel kontakların numune üzerindeki konumunu ve diziliĢ düzenini
içeren bir fonksiyonudur ve ‘geometrik düzeltme katsayısı/faktörü’ olarak tanımlanır
[38,39].
Standard bir iki nokta ölçümü ile elde edilen toplam direnç (RToplam) değeri
numunenin direncinin dıĢında baĢka ek dirençleri de içerir. Bu ek dirençler iletken
telin direnci (RTel), numuneye akımı aktaran iletken uçların (prob) direnci (Rprop),
bağlantı ucu ve numune temas noktasındaki ara yüzeyin direnci ve eğer gerekli halde
kullanılmıĢsa bağlantı uçlarını numuneye tutturan iletken lehimin (pasta) direncinin
(Rpasta) toplamıdır. Bu nedenle numunenin bu yöntemle hesaplanan ρ özdirenci
gerçek değerden daha yüksektir [39,40].
Van Der Pauw Yöntemi ile Özdirenç Ölçümü
Dört nokta kontak yöntemi tekniğinde olduğu gibi kontakların ikisine akım
uygulanırken diğer iki kontak arasındaki potansiyel fark ölçülür. Dört nokta kontak
metodu ile özdirenç ölçme de ölçmenin doğruluğu, numunenin Ģekline ve boyutuna
bağlı olup malzemenin boyutları mümkün olduğu kadar düzgün geometrik Ģekiller
halinde hazırlanmaktadır. Van Der Pauw tekniğinde ise serbest formlu düzlemsel
levha Ģeklindeki malzemelerin özdirenç ölçümleri yapılabilmektedir. Bu ölçümler
için numunenin kenarının dört noktasına omik kontaklar yapılır. Van der Pauw
34
tekniğinde kontaklar son derece küçük olmalı, kontaklar numune yüzeyinde simetrik
olmalı, numune plaka halinde, homojen, izotropik olmalıdır. Kesinlikle sonsuz
küçüklükte bir kontak yapmak mümkün değildir. Fakat mümkün olan en küçük
boyuttaki kontaklar hataları minimize edecektir [41,42,43].
ġekil 5.2. Van Der Pauw Metodu (4 farklı kontak alma konfigürasyonu)
Van der Pauw metoduyla dört nokta kontak ölçümünde özdirenci hesaplamak için,
A, B, C ve D noktalarından elektrotlar numune yüzeyine temas ettirilir. RAB,CD
direnci, A ve B noktaları arasındaki akıma karĢılık gelen D ve C noktaları arasındaki
potansiyeli olarak tarif edilir. RAB,CD direnci de benzer Ģekilde tarif edilir
[39,40].
(5.2.)
Ġle özdirenç bulunur. Formüldeki d numunenin kalınlığıdır.
direnci; A ve B
temas noktaları arasındaki akıma karĢı, C ve D temas noktaları arasında oluĢan
35
dirençtir. Formülde verilen f değeri ise
ve
değerlerinin farklı çıkması
durumundaki düzeltme faktörüdür [43,44].
(5.3.)
Hall etkisi ölçümleri
Genelde Hall Ölçümleri özdirenç ölçümleri ile birleĢtirilir ve geleneksel Hall ölçüm
düzeneğine karĢılık gelen Ģekil 3,6’daki verilen düzenek kullanılır. Manyetik alan
numune yüzeyine dik uygulanır. Bir çapraz kontak çiftinden akım uygulanır ve diğer
çapraz voltaj çiftinden voltaj okunur.
ġekil 5.3. Özdirenç Ölçümleri (a ve b), Hall mobilitesi ölçümleri (c ve d)
36
Uygulanan akım Amper, manyetik alan Gauss, numune kalınlığı cm ve okunan
voltaj Volt birimlerinde alındığında Hall katsayısı;
(5.4.)
Burada ∆R13,24 numuneye dik B (Gauss) manyetik alan uygulandığında R13,24
direncindeki değiĢimdir.
Hall mobilitesi
H
ve Hall taĢıyıcı yoğunluğu nH aĢağıdaki gibi verilir;
.
(5.6.)
(5.7.)
Yukarıdaki eĢitliklerden anlaĢılacağı üzere numune kalınlığı, sadece hacimsel
özdirenç ve Hall taĢıyıcı yoğunluğu için gereklidir. Yüzeysel özdirenç ve Hall
taĢıyıcı yoğunluğu için gerekli değildir [45].
5.3.
Ölçüm Sistemi
Sıcaklığa bağlı özdirenç ve Hall etkisi ölçümleri için Bozok Üniversitesi Bilim ve
Teknoloji
Uygulama
ve
AraĢtırma
Merkezi
Hall
Etkisi
Ölçüm
Sistemi
Laboratuarı’nda Teknis HLFL1 model Hall etkisi ölçüm sistemi kullanılmıĢtır. ġekil
5.4’de Hall Etkisi ölçüm sistemi Ģematik gösterimi verilmiĢtir.
37
ġekil 5.4. Hall Etkisi Ölçüm Sistemi ġematik Gösterimi [45]
ġekilde görülen Hall etkisi ölçüm sistemi bilgisayar kontrollü bir sistemdir. Sabit
akım, manyetik alan, sıcaklık verileri bilgisayar ortamına aktarılır. Program
sayesinde Van der Pauw ve Hall etkisi ölçüm teknikleri kullanılarak gerekli olan
özdirenç (ρ), Hall taĢıyıcı yoğunluğu (nH) ve mobilite (
H)
değerlerinin deneysel
olarak ölçülmesi sağlanır.
Bilgisayar kontrollü zamana ve gaz konsantrasyonuna bağlı direnç ölçüm sistemi bu
tez çalıĢması kapsamında tarafımızdan kurulmuĢtur. Gaz sensör ölçüm sistemi,
Keithley 2400 akım gerilim ölçüm sistemi, LakeShore 325 sıcaklık kontrol ünitesi,
JANIS VPF 100 kryostat, mikser ve ALICAT MC serisi gaz akıĢ kontrolcülerinden
oluĢmaktadır. Bu sistemde kullanılan cihazlar ve gazlar Gazi Üniversitesi 05/201128, 05/2011-54, 05/2012-37 ve 05/2012-56 kodlu BAP projeleri yoluyla temin
edilmiĢtir. Bilgisayar kontrollü bir deney setidir. ġekil 5.5.’de Gaz sensör ölçüm
sistemi Ģematik gösterimi verilmiĢtir.
38
ġekil 5.5. Gaz Sensör Ölçüm Sistemi ġematik Gösterimi
Kryostatın çalıĢma sıcaklığı 80 K ile 475 K arasındadır. LakeShore 325 sıcaklık
kontrol ünitesi PID sistemle sıcaklık kontrolü yapabilmektedir. Gaz akıĢ kontrolcüsü,
vakumlanabilir hücreye giren gazın akıĢ hızını yüksek duyarlılıkta (0-500 sccm)
ayarlanmasını sağlamaktadır. Gaz akıĢ kontrolcüsünün birinden kuru hava diğerinden
etkisi incelenecek gaz geçmektedir ve bu kontrolcüler sayesinde gazın akıĢ hızı
istenilen seviyede sabit tutulmaktadır. Hazırlanan bilgisayar programı gaz akıĢ
kontrolcülerini ve KEITHLEY 2400 akım gerilim ölçüm sistemini birlikte kontrol
etmektedir. Bu amaçla sıcaklığa bağlı olarak gaz duyarlı direnç ölçümlerini
yapabilmek için kryostat sisteme uygun hale getirilecek Ģekilde dizayn edilmiĢtir.
Hücre içerisine giren gaz miktarı milyonda bir (ppm) cinsinden istenilen düzeyde ve
yüksek hassasiyette olmak üzere zamana bağlı olarak istenilen zaman aralıklarında
açılıp kapanmakta bu esnada ise akım gerilim sistemi ölçüm yapabilmektedir.
Program sayesinde bu ölçümlerin akım-zaman grafikleri bilgisayar ekranına eĢ
zamanlı olarak aktarılmaktadır.
39
5.4.
Numunelerin Hazırlaması
Numuneler Gazi Üniversitesi, Fen Fakültesi, Kimya Bölümünde Doç. Dr. Hüseyin
ÇELĠKKAN ve Engin ER tarafından hazırlanmıĢtır.
Grafen oksit numuneler Hummers metodu kullanılarak üretilmiĢtir. 1 g grafit tozu
tartılarak, buz banyosunda soğutulmuĢ 23 mL deriĢik H2SO4 çözeltisi içerisine
konuldu. 3 mg KMnO4 tartılarak yavaĢça eklenir ve karıĢımın sıcaklığı 20 0C’nin
altında olacak Ģekilde 30 dakika karıĢtırıldı. KarıĢım buz banyosundan çıkartıldı ve
oda sıcaklığında 30 dakika daha karıĢtırıldı. Üzerine 46 mL destile su eklenerek(
yavaĢça) sıcaklığın 98 0C’ye çıkması sağlandı. 15 dakika karıĢtırılmaya devam
edildi. Balondaki karıĢım bir behere alındı ve üzerine 140 mL saf su ilave edildi. 8.5
mL %35’lik H2O2 ilavesiyle reaksiyon tamamlandı. Katı ürün 5000 spm
santrifujlenerek çözeltiden ayrıldı. %5’lik 60 mL HCl çözeltisi ile yaklaĢık 5 defa
yıkandı. Son yıkama sonrasında yıkama suyuna BaCl2 çözeltisi ilave edilerek çökme
olup olmadığı kontrol edildi. Varsa yeniden yıkama yapıldı. Katı ürün 5 defa saf
suyla yıkandı. Nihai ürün olarak grafen oksit elde edildi.
Bir balona
elde edilen grafen oksitten 100 mg alınır ve üzerine 25 ml
deriĢik H2SO4 veya H3PO4 çözeltisi eklendi. Sonrasında balon
geri soğutucu
düzeneğe bağlanarak karıĢım, 120 ⁰C’de sıcaklıkta 2 saat boyunca reaksiyon devam
etti. Bu iĢlemin ardından karıĢım buz banyosunda soğuyana kadar bekletildi. Daha
sonra karıĢım bir behere alınarak deiyonize su ile karıĢımın pH’sı değiĢmeyinceye
kadar yıkandı. Son olarak karıĢımın yoğunluğu 1 mg/ml olacak Ģekilde hacmi 100
ml’ye tamamlandı. Elde edilen grafen çözeltisi önce etüvde (60 ⁰C) daha sonra da
vakum etüvde (60 ⁰C) 1 gün bekletildi. Grafen numuneleri elde edildi.
40
6. BULGULAR VE TARTIŞMA
6.1.
Sıcaklığa Bağlı Elektriksel Karakterizasyon
Grafen numunelerinin 10 K adımlarla 30-300 K arasında 0.4 T magnetik alan altında
van der Pauw tekniği kullanılarak Hall etkisi ölçümleri yapılmıĢtır. Numunelerin
sıcaklığa bağlı özdirenç, taĢıyıcı yoğunluğu ve Hall mobiliteleri incelenmiĢtir.
Deneylerde kullanılan H2SO4 ile indirgeme iĢlemi yapılan grafen numunesi GRE1,
H3PO4 ile indirgeme iĢlemi yapılan grafen numunesi GRE2 olarak adlandırılmıĢtır.
6.1.1. Sıcaklığa bağlı özdirenç ölçümleri
ġekil 6,1’de GRE1 ve GRE2 numunelerinin sıcaklığa bağlı özdirenç değiĢimleri
verilmiĢtir.
25
GRE2
GRE1
cm)
4.0
3.5
3.0
(
2.0
ln
2.5
20
1.5
GRE2
GRE1
(ohm.cm)
1.0
5 10 15 20 25 30 35
15
1000/T (K-1)
10
5
0
0
50
100
150
200
250
300
T(K)
ġekil 6.1. GRE1 ve GRE2 numunelerinin sıcaklığa bağlı özdirenç değiĢimleri ve
lnρ – 1000/T grafiği
41
Numunelerin sıcaklık değiĢimine karĢı duyarlı olduğu görülmüĢtür. Sıcaklık artarken
numunelerin özdirençleri azalmıĢtır. Numuneler yarıiletken davranıĢ sergilemiĢlerdir.
Sıcaklığa bağlı değiĢim GRE1 numunesinde daha fazla iken GRE2 numunesinde
daha azdır. Grafikten görüldüğü gibi 100 K ile 300 K arsında her iki numune için
özdirencin değiĢim hızı düĢükken 30 K ile 100 K arasında özellikle GRE1
numunesinin özdirencin değiĢim hızı oldukça yüksektir. Numuneler kimyasal olarak
sentezlenmiĢtir. Kimyasal olarak hazırlanan grafen oksit, indirgenme iĢlemine
baĢlamadan önce yalıtkan özellik sergilemektedir [46]. Yapısında yabancı
fonksiyonel oksijen grupları (epoksil, karboksil vb.) bulunmaktadır ve bu yabancı
fonksiyonel oksijen grupları iletkenliği önemli ölçüde etkilemektedir. Sıcaklık
arttıkça fonksiyonel oksijen grupları yapıdan uzaklaĢmakta, grafen yapıların
özdirenci düĢmekte ve bu yapılar yarıiletken özellik sergilemeye baĢlamaktadırlar
[42]. Oda sıcaklığındaki özdirenç değerleri sırasıyla GRE1 ve GRE2 numuneleri için
2,61 Ω ve 6,04 Ω olarak ölçülmüĢtür. Lnρ-1000/T grafiğinin eğimlerinden,
denklemi kullanılarak numunelerin yasak enerji aralıkları hesaplandı. GRE2
numunesi için yasak enerji aralığı 10,5 meV olarak hesaplanırken, GRE1 numunesi
için yasak enerji aralığı 6 meV olarak hesaplanmıĢtır. Grafen yasak enerji aralığına
sahip olmayan bir yarıiletkendir. Kimyasal yöntemler, katkılama, sıcaklık değiĢimi,
basınç değiĢimi, elektrik alan uygulama vb. metotlarla değiĢtirilebilir bir yasak enerji
aralığı oluĢturulmaktadır [46,47]. Deneylerde kullanılan örneklerde kimyasal
indirgeme yöntemiyle üretilen grafenlerdir.
6.1.2. Sıcaklığa bağlı taşıyıcı yoğunluğu ve Hall mobilite ölçümleri
ġekil 6,2 ve ġekil 6,3’de GRE1 ve GRE2 numunelerinin taĢıyıcı yoğunluklarının ve
Hall mobilitelerinin sıcaklığa bağlı değiĢimleri verilmiĢtir.
-3
nH (cm )
42
GRE1
GRE2
1E20
1E19
1E18
1E17
1E16
1E15
1E14
1E13
1E12
1E11
1E10
1E9
1E8
0
50
100
150
200
250
300
T (K)
ġekil 6.2. GRE1 ve GRE2 numunelerinin sıcaklığa bağlı taĢıyıcı yoğunluğunun
değiĢimi
10
GRE1
GRE2
2 -1 -1
H (cm V s )
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
50
100
150
200
250
300
T(K)
ġekil 6.3. GRE1 ve GRE2 numunelerinin sıcaklığa bağlı Hall mobilitelerinin
değiĢimi
43
Yeterince düĢük sıcaklıklarda katkılı yarıiletkenlerde iletim etkileri iletkenlik
bandındaki serbest taĢıyıcılardan kaynaklanmaz. Ġletim, elektronların iletkenlik
bandına girmeksizin safsızlık atomları arasındaki yasak enerji aralığında meydana
gelir. Bu tip iletim safsızlık bandı iletimi olarak bilinir. Bununla beraber, safsızlık
seviyelerinde hareket eden bir elektronun mobilitesi çok küçük olmasına rağmen, bu
elektronun geniĢçe yayılmıĢ safsızlıklar arasındaki etkileĢimden dolayı, daha düĢük
sıcaklıklarda safsızlık bandı iletkenliği, iletkenlik bandında elektronlar bulunmadığı
için, baskın olacaktır [48,49]. DüĢük sıcaklıklarda safsızlık atomundan gelen
elektronların iletime katılabilmesi için safsızlık atomlarının dalga fonksiyonlarının
overlap olması gerekir. Böylece bir elektron bir atomdan diğerine geçerken herhangi
bir enerjiye ihtiyaç duymaz ve iletime katılır [48].
Kimyasal yolla üretilen (Hummers metodu vb.) grafenlerin yapısında yabancı
fonksiyonel oksijen grupları (epoksil, karboksil vb.) bulunmaktadır. Bu yabancı
fonksiyonel oksijen grupları iletkenliği önemli ölçüde etkilemektedir [50,51].
Kimyasal yolla grafen üretim metodlarında titiz olunmasına rağmen, üretilen
grafenler tamamen mükemmel değildir, yapı bozuklukları, kusurlar ve safsızlıklar
içerirler. Her ne kadar yabancı fonksiyonel oksijen grupları grafen yapısından
uzaklaĢtırılmaya çalıĢılsa da yapıda kalmakta, yapıda safsızlık etkisi yaratmakta ve
numunelerde değiĢimlere neden olmaktadır. Grafiklerde görüldüğü Numunelerin
taĢıyıcı yoğunlukları ve mobiliteleri sıcaklıktan hemen hemen bağımsızdır. Hall
katsayısı numunelerin p tipi olduğunu göstermiĢtir.
6.2.
Gaz Algılama Ölçümleri
6.2.1. Giriş
Bu bölümde H2SO4 ve H3PO4 ile üretilen grafen numunelerinin farklı sıcaklıklarda
ve farklı gaz konsantrasyonlarında zamana bağlı olarak direnç değiĢimleri
verilmiĢtir. Bu ölçümlerde CO ve CO2 gazları kullanılmıĢtır.
44
Grafen numunelerin çalıĢma sıcaklıklarını belirleyebilmek için, 0.5 mV gerilimde,
1000 ppm gaz konsantrasyonunda farklı sıcaklıklarda ölçümler yapılmıĢtır. Daha
sonra numunelerin gaza duyarlılığını belirleyebilmek için 350 K sıcaklıkta, 5 farklı
gaz konsantrasyonunda (1000 ppm, 500 ppm, 250 ppm, 125 ppm ve 50 ppm),
zamana bağlı olarak direnç ölçümleri yapılmıĢtır.
6.2.2. Karbonmonoksit gazı ölçümleri
Farklı sıcaklıklarda alınan ölçümler
Örneklerin çalıĢma sıcaklığını tespit edebilmek amacıyla alınan ölçümlerdir. Farklı
sıcaklıklarda, 0,5 mV gerilimde, 1000 ppm CO gaz konsantrasyonunda ölçümler
yapılmıĢtır. Ölçümler, 300 K, 320 K ve 350 K de yapılmıĢtır. Ölçüm sonuçları ġekil
6.4. ve ġekil 6.5.’de sırasıyla GRE 1 ve GRE2 numuneleri için verilmiĢtir.
Gaz Kapali
9.9
R( )
9.8
350 K
320 K
300 K
9.7
9.6
9.5
Gaz Açik
9.4
9.3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15
Zaman (dk.)
ġekil 6.4. GRE1 numunesinin farklı sıcaklıklarda 1000ppm Karbonmonoksit gazına
karĢı gösterdiği direnç değiĢimi
45
14
350 K
13.8
320 K
R (Ω)
13.6
300 K
13.4
Gaz
Kapalı
Gaz
Açık
13.2
13
12.8
12.6
12.4
10
12
14
16
18
20
Zaman (dk.)
ġekil 6.5. GRE2 numunesi farklı sıcaklıklarda 1000 ppm Karbonmonoksit gazına
karĢı gösterdiği direnç değiĢimi
Yukarıdaki grafiklerden açıkça görüldüğü gibi numuneler oda sıcaklığında gaza
duyarlılık göstermemiĢtir. Sıcaklık arttıkça duyarlılık artmıĢ 350 K sıcaklıkta
numunelerin özdirençlerinde gaza bağlı olarak önemli değiĢimler gözlenmiĢtir.
Günlük uygulamalarda kullanılan gaz sensörlerinde de (SnO2) ısıtıcılar bulunmakta
ve sensör sıcaklığını (yaklaĢık 500C) istenilen düzeye getirerek çalıĢma verimini
yükseltmesi sağlanmaktadır [52,53]. Literatür taraması gösterir ki; çoğu gaz
sensörlerinin çalıĢma sıcaklığı oldukça yüksektir. Hung ve arkadaĢları, Au katkılı
ZnO ince film çalıĢmalarında, 5 ppm CO gazına karĢı duyarlılık elde ettiklerini
bildirmiĢler ancak bu duyarlılığı 523 K sıcaklıkta elde etmiĢlerdir [54]. Kaur ve
arkadaĢları, katkısız SnO2 numunelerinin 573 K sıcaklıkta NO2 gazını algıladıklarını,
tungsten oksit (WO3) katkılı SnO2 numunelerinin ise 423 K sıcaklıkta NO2 gazını
algıladıklarını bildirmiĢlerdir [55]. Ponzoni ve arkadaĢları, 3 boyutlu ZnO nano
yapılarda yaptıkları çalıĢmalarda, 50 ppb NO2 gazına karĢı duyarlılık elde etmiĢler,
yapıların NO2 gazına karĢı maksimum duyarlılığı 523 K sıcaklıkta olduğunu
46
belirtmiĢlerdir [56]. Ancak, Pearce ve arkadaĢları, SiC üzerine büyüttükleri grafen
numunelerinde 298 K sıcaklıkta NO2 gazına karĢı duyarlılık elde etmiĢler, 323 K ve
373 K sıcaklıklarda duyarlılık artmaya baĢlamıĢtır [57].
Belirli bir sıcaklığın altında duyarlılığın olmamasının asıl nedeni elektriksel olarak
kararsızlıktır. Elektriksel kararsızlığın sebebi ortamdaki karıĢık oksit fazlarıdır ve
buna bağlı olarak çalıĢma sıcaklığının etkisi ile kimyasal olarak adsorblanan
moleküler oksijen tipi O-2, O- veya O2-2 Ģeklinde olup yüzeydeki taĢıyıcı elektron
sayısını değiĢtirmeleridir. Sıcaklık artıĢı ile birlikte karıĢık oksit fazlarının azalması
ile birlikte kararsızlık kaybolmaktadır [30].
Kimyasal yolla üretilen grafenlerin yapısında yabancı fonksiyonel oksijen grupları
(epoksil, karboksil vb.) bulunmaktadır. Üretim metodlarında titiz olunmasına
rağmen, üretilen grafenler tamamen mükemmel değildir, yapı bozuklukları, kusurlar
ve safsızlıklar içerirler. Bu yabancı fonksiyonel oksijen grupları iletkenliği önemli
ölçüde etkilemektedir [58,59]. Her ne kadar yabancı fonksiyonel oksijen grupları
grafen yapısından uzaklaĢtırılmaya çalıĢılsa da yapıda bir miktar kalmakta ve
iletkenlikte değiĢimlere neden olmaktadır.
Sabit sıcaklıkta farklı konsantrasyonlarda alınan ölçümler
Örneklerin CO gazını algılama özelliklerinin incelenmesi amacıyla yapılan
ölçümlerdir. 0,5 mV geriliminde, 350 K sıcaklıkta, 1000 ppm, 500 ppm, 250 ppm,
125 ppm ve 50 ppm gaz konsantrasyonları için ölçümler yapılmıĢtır. Kuru hava
sürekli olarak sabit akıĢ hızında kryostat içerisine gönderilmiĢtir. Havanın akıĢ hızı,
aynı koĢullar altında farklı konsantrasyon davranıĢlarını gözlemleyebilmek için
daima sabit tutulması gerekmektedir. ġekil 6.6. ve ġekil 6.7. ’de numuneler için 350
K sıcaklıklarda farklı CO gaz konsantrasyonlarına karĢı gösterdiği direnç değiĢimleri
verilmiĢtir.
47
9.9
Gaz Kapali
9.8
R( )
9.7
1000 ppm
500 ppm
250 ppm
125 ppm
50 ppm
9.6
9.5
Gaz Açik
9.4
9.3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15
Zaman (dk.)
ġekil 6.6. GRE1 numunesi için 350 K sıcaklıkta farklı CO gazı konsantrasyonlarına
karĢı gösterdiği direnç değiĢimi (1000ppm-500ppm-250ppm-125ppm50ppm)
13.8
Gaz Kapali
13.6
R( )
13.4
1000ppm
500 ppm
250 ppm
125 ppm
50 ppm
13.2
13.0
12.8
Gaz Açik
12.6
12.4
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15
Zaman (dk.)
ġekil 6.7. GRE2 numunesi için 350 K sıcaklıkta farklı CO gazı konsantrasyonlarına
karĢı gösterdiği direnç değiĢimi (1000ppm-500ppm-250ppm-125ppm50ppm)
48
CO indirgeyici bir gaz özelliği sergilemektedir. Örnek yüzeyindeki oksijen
iyonlarıyla birleĢip, CO2 oluĢturmakta ve ortama elektron vermektedir. Ortamdaki
elektron
konsantrasyonu
miktarında
artıĢ
meydana
gelmektedir.
n-tipi
yarıiletkenlerde direnç düĢerken, p-tipi yarıiletkenlerde ise direnç yükselir [25].
Karbon temelli yapılar genellikle p-tipi yarıiletken davranıĢ sergilemektedirler
[60,61]. Ancak katkılama, büyütme, farklı üretim teknikleri vb. özellikler nedeniyle
n-tipi davranıĢa da kayabilirler [60]. Ġncelenen numunelerde ortama CO verildiğinde
dirençte yükselme meydana gelmiĢ ve gaz konsantrasyonunu arttırdıkça dirençte artıĢ
gözlenmiĢtir. Bu çalıĢmada kullanılan numuneler Hall ölçümlerinde de p-tipi özellik
sergilemiĢlerdir. BaĢlangıç direnç değiĢimlerinin farklı olması, grafen oksitten grafen
eldesi sırasında H2SO4 ve H3PO4 olmak üzere iki
kullanılmasıdır. Çözeltilerin
özellikleri birbirinden farklıdır ve bu yapılarda farklı özellikler ortaya çıkmasına
sebep olmuĢtur. ġekil 6,8 ve ġekil 6,9’da numunelerdeki 350 K sıcaklıkta 1000 ppm
CO gaz konsantrasyonuna karĢı gösterdiği direnç değiĢimleri verilmiĢtir.
9.9
Gaz Kapali
1000ppm
9.8
R( )
9.7
9.6
9.5
9.4
9.3
Gaz Açik
0
5
10
15
20
Zaman (dk.)
ġekil 6.8. GRE1 numunesi için 350 K sıcaklıkta 1000 ppm CO gaz
konsantrasyonundaki direnç değiĢimi
49
13.8
1000 ppm
Gaz Kapali
13.6
R( )
13.4
13.2
13.0
12.8
12.6
12.4
Gaz Açik
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Zaman (dk.)
ġekil 6.9. GRE2 numunesi için 350 K sıcaklıkta 1000 ppm CO gaz
konsantrasyonundaki direnç değiĢimi
GRE1 ve GRE2 numunesinde 3 tekrar periyodunda ölçümler alınmıĢtır. Her
seferinde CO gazı gönderildiğinde aynı değer okunmuĢ, gaz kesildiğinde ise
baĢlangıç değerine dönmüĢtür. Böylelikle gaz sensörü temel parametrelerinden
tekrarlanabilirlik ilkesine uygun olduğu gözlenmiĢtir. Örnekler 1000 ppm gaz
konsantrasyonunda, CO gazını algılamıĢlar ve uygulanan CO gazı, değiĢim periyodu
ile uyumlu bir davranıĢ göstermiĢtir. CO gazı numune yüzeyine gönderildikten sonra
direnç değerinde anında yükselme meydana gelmiĢtir. Gaz kapatıldığı anda numune
yüzeyine sabit akıĢ hızında kuru hava gönderilmiĢtir. Kuru hava ile örneklerin
yüzeyin temizlendiği, tekrar CO gazı gönderildiğinde aynı direnç değeri okunduğu
için söylenebilmektedir. Sensör ölçümlerinde, malzemenin hassasiyeti ya da tepkime
süreleri verilirken bağıl değiĢim göz önüne alınır. Direncin bağıl değiĢimi
hesaplanırken Rb=[(Rg-Ro)/Ro]*100 formülü kullanılır. Bu formülde; Rb bağıl
değiĢim, Rg gaz ortamındaki direnci, Ro vakum ortamındaki direnci belirtmektedir.
ġekil 6.10. ve ġekil 6.11.’de GRE1 ve GRE2 numunelerinin 350 K de farklı gaz
konsantrasyonlarında CO gazına karĢı gösterdiği duyarlılıklar verilmiĢtir.
50
Duyarlilik (% R/R)
6
1000 ppm
500 ppm
250 ppm
125 ppm
50 ppm
5
4
3
2
1
0
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15
Zaman (dk.)
ġekil 6.10. GRE1 numunesinin 350 K de farklı gaz konsantrasyonlarında CO gazına
karĢı gösterdiği duyarlılık (1000ppm-500ppm-250ppm-125ppm-50ppm)
R/R )
10
1000 ppm
500 ppm
250 ppm
125 ppm
50 ppm
8
Duyarlilik (
6
4
2
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Zaman (dk.)
ġekil 6.11. GRE2 numunesinin 350 K de farklı gaz konsantrasyonlarında CO gazına
karĢı gösterdiği duyarlılık (1000ppm-500ppm-250ppm-125ppm-50ppm)
51
GRE1 numunesi 50 ppm CO gaz konsantrasyonunda yaklaĢık %3,5 lik bir duyarlılık
göstermiĢtir. Konsantrasyon miktarı arttıkça duyarlılık artıĢ gözlenmektedir ancak
250 ppm gaz konsantrasyonundan sonra duyarlılıktaki artıĢ yavaĢlamıĢtır. 1000 ppm
gaz konsantrasyonunda %5.5’lik bir değiĢim gözlenmiĢtir. GRE2 numunesi 50 ppm
CO gaz konsantrasyonunda yaklaĢık %5,5 lik bir duyarlılık göstermiĢtir. 125 ppm ile
50 ppm arasındaki duyarlılık yakındır. Ancak konsantrasyon arttıkça duyarlılık
artmıĢtır. 1000 ppm gaz konsantrasyonunda %9’luk bir değiĢim gözlenmiĢtir.
Numuneler
farklı
tekniklerle
üretildiklerinden
dolayı
farklı
duyarlılıklar
sergilemiĢlerdir. Her iki numunede CO gazının artan konsantrasyonlarında, artan
duyarlılıklar göstermiĢlerdir.
Benzer Ģekilde karbon temelli yapılarda indirgeyici gaz özelliği taĢıyan amonyak,
hidrojen sülfür, metan gibi gazların etkileri de literatürde bulunmaktadır. Gautam ve
arkadaĢlarının yaptığı çalıĢmada, kimyasal buhar biriktirme metoduyla elde ettikleri
grafen numunelerinde amonyak gazına karĢı 423 K sıcaklıkta %3’lük bir duyarlılık
gözlerken, 473 K sıcaklıkta %6’lara çıkan bir duyarlılık gözlemlemiĢlerdir. Gautam
yine aynı çalıĢmasında grafen numunelerinin 473 K sıcaklıkta metan gazına karĢı
%3.75 ‘lik bir duyarlılık sergilediğini gözlemlemiĢlerdir [62]. Cuong ve
arkadaĢlarının yaptığı çalıĢmada, ZnO katkılı grafen numunelerinde oksijen ve
nitrojen ortamlarında H2S gazının 2 ppm konsantrasyonda gösterdiği duyarlılıkları
incelemiĢlerdir. Hava ortamında elde edilen duyarlılıklar %15’lerdeyken N2
ortamında %1,5 duyarlılık elde edilmiĢtir [63]. Zhou ve arkadaĢlarının yaptığı
çalıĢmada, Cu2O nanokristal büyüttükleri grafen numunelerinde H2S gazına karĢı 10
ppb seviyesinde %4.8 direnç değiĢimi elde ettiklerini rapor etmiĢler ve grafen
numunelerin tek molekül duyarlılığında olduğunu kanıtlamıĢlardır [64]. ġekil 6,12 ve
ġekil 6,13’de GRE1 ve GRE2 numuneleri için direnç-gaz konsantrasyonu grafikleri
verilmiĢtir. Gaz konsantrasyonu arttıkça direnç değiĢiminde artıĢ gözlenmiĢtir.
Duyarlilik (% R/R)
52
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0
200
400
600
800
1000
Gaz Konsantrasyonu (ppm)
ġekil 6.12. GRE1 numunesi için duyarlılık-gaz konsantrasyonu değiĢimi grafiği
(350 K sıcaklıkta)
Duyarlilik (% R/R)
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
200
400
600
800
1000
Gaz Konsantrasyonu (ppm)
ġekil 6.13. GRE2 numunesi için duyarlılık-gaz konsantrasyonu değiĢim grafiği
(350 K sıcaklıkta )
53
6.2.3. Karbondioksit gazı ölçümleri
Farklı sıcaklıklarda alınan ölçümler
Örneklerin çalıĢma sıcaklığını tespit edebilmek amacıyla alınan ölçümlerdir. Farklı
sıcaklıklarda, 0,5 mV gerilimde, 1000 ppm CO2 gaz konsantrasyonunda ölçümler
yapılmıĢtır. Ölçümler, 300 K, 320 K ve 350 K de yapılmıĢtır. Ölçüm sonuçları ġekil
6,14 ve ġekil 6,15’de sırasıyla GRE 1 ve GRE2 numuneleri için verilmiĢtir.
10.0
350K
320K
300K
R( )
9.8
Gaz Açik
9.6
Gaz Kapali
9.4
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Zaman (dk.)
ġekil 6.14. GRE1 numunesinin farklı sıcaklıklarda 1000 ppm CO2 gazına karĢı
gösterdiği direnç değiĢimi (300 K, 320 K ve 350 K)
54
13.6
350 K
320 K
300 K
13.4
Gaz Açik
R( )
13.2
13.0
12.8
12.6
Gaz Kapali
12.4
0
2
4
6
8
10
12
Zaman (dk.)
ġekil 6.15. GRE2 numunesinin farklı sıcaklıklarda 1000 ppm CO2 gazına karĢı
gösterdiği direnç değiĢimi (300 K, 320 K ve 350 K)
Yukarıdaki grafiklerden açıkça görüldüğü gibi numuneler oda sıcaklığında gaza karĢı
direnç değiĢimi göstermemiĢlerdir. Sıcaklık arttıkça duyarlılık artmıĢ, 350 K
sıcaklıkta numunelerin dirençlerinde gaza bağlı olarak maksimum değiĢimler
gözlenmiĢtir.
Sabit sıcaklıkta farklı konsantrasyonlarda alınan ölçümler
Örneklerin karbondioksit (CO2) gazını algılama özelliklerinin incelenmesi amacıyla
yapılan ölçümlerdir. 0,5 mV geriliminde, kuru hava ortamında, 350 K sıcaklıkta,
1000ppm, 500 ppm, 250ppm, 125 ppm ve 50 ppm gaz konsantrasyonları için
ölçümler yapılmıĢtır. Kuru hava sürekli olarak sabit akıĢ hızında kryostat içerisine
gönderilmiĢtir. ġekil 6,16 ve ġekil 6,17’de numunelerin sabit sıcaklıkta farklı
Karbondioksit gazı konsantrasyonlarındaki direnç değiĢimleri verilmiĢtir.
55
10.1
1000 ppm
500 ppm
250 ppm
125 ppm
50 ppm
10.0
R( )
9.9
9.8
9.7
Gaz Açik
9.6
9.5
9.4
Gaz Kapali
9.3
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Zaman (dk.)
ġekil 6.16. GRE1 numunesi için 350 K sıcaklıkta farklı Karbondioksit gazı
konsantrasyonlarında direnç değiĢimi (1000ppm-500ppm-250ppm125ppm-50ppm)
13.8
1000 ppm
500 ppm
250 ppm
125 ppm
50 ppm
13.6
R( )
13.4
13.2
Gaz Açik
13.0
12.8
12.6
Gaz Kapali
12.4
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Zaman (dk.)
ġekil 6.17. GRE2 numunesi için 350 K sıcaklıkta farklı Karbondioksit gazı
konsantrasyonlarında direnç değiĢimi (1000ppm-500ppm-250ppm125ppm-50ppm)
56
CO2 gazı yükseltgeyici (oksitleyici) bir gaz özelliği sergilemektedir. Örnek
yüzeyinden elektron koparmakta ve karbonmonoksit anyonu haline gelmektedir.
Böylelikle ortamdaki elektron konsantrasyonu miktarında azalma meydana
gelmektedir. n tipi yarıiletkenlerde direnç yükselirken p tipi yarıiletkenlerde direnç
düĢer [28]. Karbon temelli yapılar genellikle p tipi yarıiletken davranıĢ
sergilemektedirler [60,61]. Ġncelenen numunelerde ortama CO2 verildiğinde dirençte
düĢme meydana gelmiĢ ve gaz konsantrasyonunu arttırdıkça dirençte düĢme
gözlenmiĢtir. Bu çalıĢmada kullanılan numuneler Hall ölçümlerinde de p tipi özellik
sergilemiĢlerdir. ġekil 6.18 ve ġekil 6.19’da numunelerdeki 350 K sıcaklıkta
1000ppm Karbondioksit gaz konsantrasyonuna karĢı gösterdiği direnç değiĢimleri
verilmiĢtir
1000 ppm
9.9
R( )
9.8
9.7
Gaz Açik
9.6
9.5
9.4
9.3
Gaz Kapali
0
5
10
15
20
25
Zaman (dk.)
ġekil
6.18.
GRE1 numunesinin 350 K sıcaklıkta 1000ppm
konsantrasyonuna karĢı gösterdiği direnç değiĢimi
CO2
gaz
57
13.6
1000 ppm
13.4
R( )
13.2
Gaz Açik
13.0
12.8
12.6
12.4
Gaz Kapali
0
5
10
15
20
Zaman (dk.)
ġekil 6.19. GRE2 numunesinin 350 K sıcaklıkta 1000ppm Karbondioksit gaz
konsantrasyonuna karĢı gösterdiği direnç değiĢimi
GRE1 ve GRE2 numunesinde 3 tekrar periyodunda ölçümler alınmıĢtır. Her
seferinde CO2 gazı gönderildiğinde aynı değer okunmuĢ, kuru hava gönderildiğinde
baĢlangıç değerine dönmüĢtür. Böylelikle gaz sensörü temel parametrelerinden
tekrarlanabilirlik ilkesine uygun olduğu gözlenmiĢtir. Örnekler 1000 ppm gaz
konsantrasyonunda, değiĢim periyodu ile uyumlu bir davranıĢ göstermiĢtir. CO2 gazı
numune yüzeyine gönderildikten sonra direnç değerinde anında yükselme meydana
gelmiĢtir. Gaz kapatıldığı anda numune yüzeyine sabit akıĢ hızında kuru hava
gönderilmiĢtir. Kuru hava ile örneklerin yüzeyin temizlendiği, tekrar CO2 gazı
gönderildiğinde aynı direnç değeri okunmasından bellidir. Sensör ölçümlerinde,
malzemenin hassasiyeti ya da tepkime süreleri verilirken bağıl değiĢim göz önüne
alınır [65]. Direncin bağıl değiĢimi hesaplanırken; Rb=[(Rg-Ro)/Ro]*100 formülü
kullanılır. Bu formülde; Rb bağıl değiĢim, Rg gaz ortamındaki direnci, Ro vakum
ortamındaki direnci belirtmektedir. ġekil 6.20 ve ġekil 6.21’de GRE1 ve GRE2
numunelerinin 350 K de farklı gaz konsantrasyonlarında CO2 gazına karĢı gösterdiği
duyarlılıklar verilmiĢtir.
58
1000 ppm
500 ppm
250 ppm
125 ppm
50 ppm
Duyarlilik (% R/R)
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
0
2
4
6
8
10
12
14
Zaman (dk.)
ġekil 6.20. GRE1 numunesinin 350 K de farklı gaz konsantrasyonlarında CO2
gazına karĢı gösterdiği duyarlılık (1000ppm-500ppm-250ppm-125ppm50ppm)
Duyarlilik (% R/R)
2
1000 ppm
500 ppm
250 ppm
125 ppm
50 ppm
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
0
2
4
6
8
10
12
14
Zaman (dk.)
ġekil 6.21. GRE2 numunesinin 350 K de farklı gaz konsantrasyonlarında CO2 gazına
karĢı gösterdiği duyarlılık (1000ppm-500ppm-250ppm-125ppm-50ppm)
59
GRE1 numunesinde 50 ppm karbondioksit gazında yaklaĢık %3,5 lik bir değiĢim
gözlenmiĢtir. Gaz konsantrasyonu artıkça değiĢim hızında azalma gözlenmiĢtir.1000
ppm gaz konsantrasyonunda %5’lik bir değiĢim vardır. (50 ppm karbondioksit gaz
konsantrasyonundaki duyarlılık ile yaklaĢık aynı cevabı verdiği görülmüĢtür.) GRE2
numunesi ise 50 ppm karbondioksit gaz konsantrasyonunda yaklaĢık %1,5 lik bir
duyarlılık gösterir iken 1000 ppm gaz konsantrasyonunda %7’lik bir değiĢim
göstermiĢtir. GRE2 numunesindeki değiĢim hızı daha fazla olmuĢtur.
Ancak literatürdeki çalıĢmalarda göstermektedir ki gaz sensörü uygulamalarında en
küçük gaz molekülünü algılamak esastır. Yapılan deneysel çalıĢmalarda, gaz
algılama konsantrasyonu ppm seviyesinden ppb ve ppt seviyelerine inmeye
baĢlamıĢtır [66,67]. GRE1 numunesi düĢük gaz konsantrasyonları için karbondioksit
gazı algılama da uygun bir numune olduğu söylenebilir.
Kumar ve arkadaĢlarının yaptığı çalıĢmada, benzer karbon yapıda numunelerin
karbondioksit gazına karĢı duyarlılığı %8,05 olarak vermiĢtir [68]. Kang ve
arkadaĢlarının yaptığı çalıĢmada, inceledikleri karbon temelli yapılarda %8 duyarlılık
gözlemlemiĢlerdir [61]. Yoon ve arkadaĢlarının yaptığı çalıĢmada, 313 K’den 333
K’e sıcaklığı arttırırken, grafen numunelerinde CO2 gazına karĢı duyarlılığın %
4,37’den % 7,27’ye çıktığını gözlemlemiĢlerdir [69]. Benzer Ģekilde karbon temelli
yapılarda yükseltgeyici gaz özelliği taĢıyan azotlu gazların (NOx) etkileri de
literatürde bulunmaktadır. Lu ve arkadaĢlarının yaptığı çalıĢmada, grafen oksit
numunelerinde NO2 gazına karĢı %12’lik bir duyarlılık elde etmiĢtir [70]. Chung ve
arkadaĢlarının yaptığı çalıĢmada, ozon kullanarak modifiye ettikleri grafen
numunelerinde, 0,2 ppm seviyesinde %12 seviyelerinde duyarlılık elde ettiklerini
rapor etmiĢlerdir [71]. Li ve arkadaĢlarının yaptığı çalıĢmada, yarıiletken
numunelerde
yaptığı
çalıĢmada
0,2
ppm
gözleyebilmesine rağmen elde edilen duyarlılık
seviyesinde
direnç
değiĢimi
%3,5 seviyelerini geçememiĢtir
[72]. ġekil 6,22 ve ġekil 6,23’de GRE1 ve GRE2 numuneleri için direnç-gaz
konsantrasyonu grafikleri verilmiĢtir. Gaz konsantrasyonu arttıkça duyarlılık
değerleri artmıĢtır.
60
Duyarlilik (% R/R)
-3.2
-3.4
-3.6
-3.8
-4.0
-4.2
-4.4
-4.6
-4.8
-5.0
0
200
400
600
800
1000
Gaz Konsantrasyonu (ppm)
ġekil 6.22. GRE1 numunesi duyarlılık-CO2 gaz konsantrasyonu değiĢim grafiği (350
K sıcaklıkta)
Duyarlilik (% R/R)
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
0
200
400
600
800
1000
Gaz Konsantrasyonu (ppm)
ġekil 6.23. GRE2 numunesi duyarlılık- CO2 gaz konsantrasyonu grafiği (350 K
sıcaklıkta)
61
7. SONUÇ
Grafen, sp2 hibritleĢmesi yapan karbon atomlarının oluĢturduğu, bal peteği yapısında
bulunan iki boyutlu karbon formudur. Grafende; altıgen örgü içindeki karbon
atomları sp2 hibritleĢmesiyle kovalent bağ yaparak bağlanır. Karbon atomunun dört
valans elektronundan üçü, en yakındaki komĢuları ile üç sigma bağı yapar. Kovalent
sigma bağları; bağlı atomlar arasında güçlü bağlar oluĢturur ve örgü yapıdaki
karbonların dayanıklılığından sorumludur. Her karbon atomu üzerindeki yarı dolu p
orbitali ise grafen düzlemine diktir ve
(pi) bağı yaparlar. KomĢu karbon
atomlarıyla bağ yaparak tamamen dolu bir band yaratan
valans bandına, boĢ olan
* ise iletim bandına karĢılık gelmektedir. Valans ve iletim bandı Brillouin bölgesi
sınırlarında birbirlerine temas ederler ve böylece grafeni sıfır yasak enerjili bir
yarıiletken yapmaktadırlar. Ancak elektrik alan uygulama, kimyasal metodlar,
sıcaklık, katkılama vb. metodlarla yasak enerji aralığında değiĢim yapılabilmektedir.
Bu da grafeni yeni nesil uygulamalarda bir numaralı materyal haline getirir.
Ölçümlerde kullandığımız H2SO4 ile indirgeme iĢlemi yapılan grafen numunesi
GRE1, H3PO4 ile indirgeme iĢlemi yapılan grafen numunesi GRE2 olarak
adlandırılmıĢtır.
Kimyasal Ġndirgeme yoluyla üretilen grafen numunelerinde, indirgeme iĢleminde
güçlü indirgenler kullanılarak (hidrazin ve türevleri, NaBH4, aminoasit, l-glutathione,
askorbik asit, Hidro Ġyodik asit, okzalik asit) grafen numuneleri elde edilmektedir.
Ġndirgenme iĢlemi sırasında yabancı fonksiyonel oksijen gruplarının uzaklaĢtırılması
oldukça önemlidir. Yapıdaki oksijen gruplarının uzaklaĢtırılması, iletkenliğin
artmasına sebep olmaktadır. Ancak üretim metodlarında titiz olunmasına rağmen,
üretilen grafenler yapı bozuklukları, kusurlar ve safsızlıklar içerirler. Her ne kadar
yabancı fonksiyonel oksijen grupları grafen yapısından uzaklaĢtırılmaya çalıĢılsa da
yapıda kalmakta, yapıda safsızlık etkisi yaratmakta ve numunelerde akım iletim
mekanizmalarında değiĢimlere neden olmaktadır. Bu tez çalıĢmasında indirgenme
iĢleminde H2SO4 ve H3PO4 indirgenleri kullanılmıĢ, böylelikle bu indirgenlerin
grafen yapısının elektriksel özelliklerine etkileri değerlendirilmiĢtir.
62
Numunelerin sıcaklığa bağlı özdirenç, taĢıyıcı yoğunluğu ve Hall mobiliteleri
incelenmiĢtir. Özdirencin sıcaklık değiĢimine karĢı duyarlı olduğu görülmüĢtür.
Sıcaklık artarken numunelerin özdirençleri azalmıĢtır. Numuneler yarıiletken
davranıĢ sergilemiĢlerdir. Numunelerin taĢıyıcı yoğunlukları ve mobiliteleri
sıcaklıktan hemen hemen bağımsız olduğu gözlenmiĢtir. Hall Katsayısı numunelerin
p tipi olduğunu göstermiĢtir. H3PO4 indirgeni kullanılan numunenin özdirencinin
sıcaklığa bağlı değiĢimi H2SO4 indirgeni ile üretilene göre daha hızlıdır ve özdirenci
daha yüksektir. Böylece indirgeme iĢlemi sırasında farklı indirgenlerin, grafen
yapısından yabancı fonksiyonel oksijen grupları uzaklaĢtırma oranının farklı olduğu
açıkça görülmüĢtür.
Gaz Algılama Ölçümlerinde karbonmoksit (CO) ve karbondioksit (CO2) gazları
kullanılmıĢtır. Örneklerin çalıĢma sıcaklığını tespit edebilmek amacıyla 1000 ppm
gaz konsantrasyonunda, farklı sıcaklıklarda karbonmonoksit (CO) ve karbondioksit
(CO2) gazları için ölçümler yapılmıĢtır.
Ölçümler, 300 K, 320 K ve 350 K de yapılmıĢtır. Her iki numune içinde 300 K
sıcaklığında bir duyarlılık gözlenmemiĢtir. Sıcaklık arttıkça duyarlılık artmıĢ, 350 K
de maksimum duyarlılık göstermiĢlerdir. Oda sıcaklığında duyarlılığın olmamasının
nedeni elektriksel olarak kararsızlıktır. Elektriksel kararsızlığın sebebi ortamdaki
karıĢık oksit fazlarıdır ve buna bağlı olarak çalıĢma sıcaklığının etkisi ile kimyasal
olarak adsorblanan moleküler oksijen tipi O-2, O- veya O2-2 Ģeklinde olup yüzeydeki
taĢıyıcı elektron sayısını değiĢtirmeleridir. Sıcaklık artıĢı ile birlikte karıĢık oksit
fazlarının azalması ile birlikte kararsızlık kaybolmaktadır [30]. Numunelerin
karbonmonoksit ve karbondioksit gazlarına karĢı gösterdiği direnç değiĢimi ve
duyarlılıklar göstermektedir ki gaz molekülleri ile numune yüzeyleri arasında yük
alıĢveriĢine dayalı bir etkileĢme olduğunu göstermektedir. Ortamda gaz yok iken
numune yüzeyinde adsorbe edilmiĢ O2 molekülleri bir elektron tüketim bölgesi
oluĢtururlar. Numune gaz molekülleri ile etkileĢtiğinde, O2 molekülleri de gaz ile
etkileĢir ve O2 molekülleri yüzeyden atılmaya baĢlar. O2 moleküllerinin yüzeyden
63
ayrılması ile gazın özelliğine göre (indirgeyici veya yükseltgeyici) elektron salınır
veya numuneden bir elektron koparılır. Böylelikle iletkenlikte değiĢim gözlenir.
Her iki numunede çok yüksek sıcaklıklara ihtiyaç duymadan gazları algılamıĢlardır.
350 K sıcaklıkta baĢarılı sonuçlar elde edilmiĢtir. GRE1 numunesi 50 ppm CO gaz
konsantrasyonunda yaklaĢık %3,5 lik bir duyarlılık göstermiĢtir. 1000 ppm gaz
konsantrasyonunda %5,5’lik bir değiĢim gözlenmiĢtir. GRE2 numunesi ise 50 ppm
CO gaz konsantrasyonunda yaklaĢık %5,5 lik bir duyarlılık göstermiĢtir. 1000 ppm
gaz konsantrasyonunda %9’luk bir değiĢim gözlenmiĢtir. Konsantrasyon arttıkça
duyarlılık artmıĢtır. Numuneler farklı tekniklerle üretildiklerinden dolayı farklı
duyarlılıklar
sergilemiĢlerdir.
Her
iki
numunede
CO
gazının
artan
konsantrasyonlarında, artan duyarlılıklar göstermiĢlerdir.
GRE1 numunesinde 50 ppm karbondioksit gazında yaklaĢık %3,5 lik bir değiĢim
gözlenmiĢtir. Gaz konsantrasyonu artıkça değiĢim hızında azalma gözlenmiĢtir.1000
ppm gaz konsantrasyonunda %5’lik bir değiĢim vardır. GRE2 numunesi ise 50 ppm
karbondioksit gaz konsantrasyonunda yaklaĢık %1,5 lik bir duyarlılık gösterir iken
1000 ppm gaz konsantrasyonunda %7’lik bir değiĢim göstermiĢtir. GRE2 numunesi
karbon oksit gazlarına karĢı daha fazla tepki göstermiĢ ve daha iyi duyarlılıklar elde
edilmiĢtir.
50 ppm’den 1000 ppm gaz konsantrasyonuna çıkıldıkça duyarlılıklarda artıĢ
gözlenmiĢtir. Gaz konsantrasyonu artıĢıyla beraber, yüzeyden daha fazla oksijen
iyonları koparılmakta, böylelikle hedef moleküller ile yüzey arasındaki etkileĢme
artmıĢ ve daha yüksek duyarlılıklar elde edilmiĢtir. CO gazında konsantrasyon
değiĢimlerinde daha net duyarlılıklar elde edilmiĢtir. Numunelerin algılama hızları ve
geri dönüĢ mekanizmaları da oldukça çabuk olmuĢtur. Geri dönüĢ süreleri
göstermektedir ki gaz ile grafen yüzeyi arasındaki fiziksel adsorpsiyon mekanizması
iĢlemektedir.
Fiziksel
adsorpsiyonda,
Gaz
molekülleri
bulundukları
kabın
yüzeylerinde yapısal olarak oluĢan boĢluklarda, yüzey atomları ile Van der Waals
etkileĢmesine girerek tutulurlar. Bu olgu geri dönüĢümlüdür. Fiziksel adsorpsiyonun
oluĢum enerjisi oldukça düĢüktür. (~1-2 kcal) Bu ise atomların Van der Waals
64
etkileĢmesi için gerekli enerjidir. Bu tür soğurma, belli tür moleküllere özgü
olmayıp, belli bir sıcaklık aralığında her tür molekül ve yüzey için geçerlidir [19].
CO gazı indirgeyici (ortama elektron veren) bir gaz özelliği sergilerken, CO2 gazı
yükseltgeyici (ortamdan elektron koparan) bir gaz özelliği sergilemektedir. CO gazı
örnek yüzeyindeki oksijen iyonlarıyla birleĢip, CO2 oluĢturmakta ve ortama elektron
vermektedir.
Ortamdaki
elektron
konsantrasyonu
miktarındaki
artıĢ,
n-tipi
yarıiletkenlerde direnç düĢmesine, p-tipi yarıiletkenlerde ise direnç yükselmesine
sebep olmaktadır [25]. CO2 gazı ise örnek yüzeyinden elektron koparmakta ve
karbonmonoksit anyonu haline gelmektedir. Böylelikle ortamdaki elektron
konsantrasyonu miktarında azalma meydana gelmekte, bunun sonucunda n-tipi
yarıiletkenlerde direnç yükselirken p-tipi yarıiletkenlerde direnç düĢmektedir [28,73].
Üretimdeki indirgenme süresi, kullanılan indirgen çeĢidi, yapıdaki kusurlar, yabancı
fonksiyonel oksijen gruplarının yeterince uzaklaĢtırılamaması vb. durumlarda direnç
değiĢimine etki etmektedirler [74].
Ġlerleyen çalıĢmalarda grafen yapılarda katkılama ile gaza olan duyarlılık
incelenmesinin arttırılması düĢünülmektedir. Oda sıcaklığında, düĢük güç tüketimi
yapan sensör uygulamalarına geçilmesi nihai hedefler arasındadır.
65
KAYNAKLAR
1. Aslan, M., ‘Kapalı Ortam Hava Kalitesinin Belirlenmesi Ġçin Sensörleri
GeliĢtirilmesi’, Gebze Yüksek Teknolojisi Enstitüsü Mühendislik ve Fen
Bilimleri Ensititüsü, Yüksek Lisans Tezi, Fizik Anabilim Dalı, 13-14, (2002)
2. Ġnternet: Graphene Tracker, Related Posts
http://www.graphenetracker.com/nasa-researches-graphene-gas-strainsensors/, (2013)
3. Ġnternet: Graphene Tracker, Related Posts
http://www.graphenetracker.com/honda-applied-for-patent-for-graphenebased-gas-sensors/, (2013)
4. ġennik, E., ‘Yüksek Yönelim Pirolitik Grafit(HOPG) Kullanılarak Paladyum
Nanotel Dizilerinin Üretilmesi ve Hidrojen Gazını Algılama Özelliklerinin
Ġncelenmesi’, Gebze Yüksek Teknolojisi Enstitüsü Mühendislik ve Fen
Bilimleri Ensititüsü, Yüksek Lisans Tezi, Fizik Anabilim Dalı, 22, (2009)
5. Ahıska, G., ‘Karbon Nanotüplerin Elektronik Özellikleri’, Ankara
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Fizik Anabilim
Dalı, 1-6, (2009)
6. Arseven, M., ‘Polikristalin Bakır Folyo Üzerinde Grafen Sentezi’, Hacettepe
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Nanoteknoloji ve
Nanotıp Anabilim Dalı,6-14 (2011)
7. William, D., Callister, Jr.,’ Materials Science and Engineering: An
Ġntroduction’, New York, Willey& Sons, 2002
8. Endo, M., ‘Carbon nanotubes and other carbon materials’, Dekker
Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, 2004
9. KocabaĢ, S., ‘Karbon Nanotüplerin Üzerinde Hidrojen Adsorpsiyonunun
Ġncelenmesi’, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,
Doktora Tezi, Kimya Anabilim Dalı, 5, (2006)
10. Uygur, G., ‘Grafen Benzeri Tabaka Eldesi Ġçin Sıvı Fazda Grafit
AyrıĢtırması’, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek
Lisans Tezi, Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı, 10-12, (2010)
11. Nonikov, D.S., ’Elastik Scattering Theory and transport in graphene’, Phys.
Rev. B., 76, 245435, (2007)
12. Bayat, D., ‘Grafen Tabanlı Nano Yapılarda Safsızlık Etkileri’, Ankara
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Fizik Anabilim
Dalı, 3-5, (2010)
66
13. Jasuja, K., Berry, V., ‘Implantation and Growth of Dendritic Gold
Nanostructures on Graphene Derivatives: Electrical Property Tailoring and
Raman Enhancement’, Acs Nano, 3(8): 2358-2366, (2009)
14. Guo, B., Fang, L., Zhang, B., Gong, J.R., ‘Graphene Doping:A Review’,
Insciences J., 1(2): 80-89, (2011)
15. ġen, S., ‘SeçilmiĢ Organik Malzemelerin Ġnce Film ve Organik Buhar
Sensörü Özelliklerinin Ġncelenmesi’, Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Fizik Anabilim Dalı, 28-30, (2008)
16. Llobet, E., ‘ Gas Sensors Using Carbon nanomaterials:A Review’, Sensors
and Actuators B:Chemical, 170, 32-45, (2013)
17. Dumludağ, F., ‘MS ve MIS yapılarının Gaz Algılama Özelliklerinin
Ġncelenmesi’, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi,
Fizik Anabilim Dalı, 40-41, (2000)
18. TaĢaltın, N., ‘Palladyum, Niobyum, Tantalyum Nanotellerin Üretilmesi ve
Hidrojen Gazını Algılama Özelliklerinin Ġncelenmesi’, Gebze Yüksek
Teknolojisi Enstitüsü Mühendislik ve Fen Bilimleri Ensititüsü, Doktora
Tezi, Fizik Anabilim Dalı, 7-9, (2010)
19. Li, C., Yin, Z., ‘ Infrared Gas Sensors’, ISECS’10, 29-31 July 2010, 101-104
20. Zhang, G., Li, Y., Li, Q., ‘ A miniaturized Carbon Dioxide Gas Sensor Based
on Infrared Absorption’, Optics and Lasers in Engineering 48:1206-1212,
(2010)
21. Melendez, J., Castro, A.J., Lopez, F., Meneses, J., ‘Spectrally Selective Gas
Cell for Electrooptical Ġnfrared Compact Multi Gas Sensor’, Sens. Actuators
A , 46-47:417-421, (1995)
22. Çolak, Z., ‘Anodik Oksidasyon Yöntemi ile Üretilen Titanyum Oksit
Nanotüplerin Hidrojen Gazı Algılama Özelliklerinin Ġncelenmesi’, Gebze
Yüksek Teknolojisi Enstitüsü Mühendislik ve Fen Bilimleri Ensititüsü,
Yüksek Lisans Tezi, Fizik Anabilim Dalı, 33-39 ,(2008)
23. Ko, G., Kim, H.Y., Ahn, J., Park, Y.M., Lee, K.Y., Kim, J., ‘Graphene based
nitrogen dioxide gas sensors’, Curr. Appl. Phys. , 10: 1002-1004, (2010)
24. Yüce G., ‘Karbon Nanotüplerin Üretilmesi ve Gaz Algılama Özelliklerinin
AraĢtırılması’, Gebze Yüksek Teknolojisi Enstitüsü Mühendislik ve Fen
Bilimleri Ensititüsü, Yüksek Lisans Tezi, Fizik Anabilim Dalı, 20-22 (2009)
67
25. Wang, C., Yin, L., Zhang, L., Xiang, D. And Gao, R.,’ Metal Oxide Gas
Sensors: Sensitivity and Influencing Factors’, Sensors, 10: 2088-2106, (2010)
26. Korotcenkov, G., ‘Metal Oxides for solid-state gas sensors: What determines
our choice?’, Materials Science and Engineering B, 139:1-23, (2007)
27. Aroutiounian, V., ’Metal Oxide Hydrogen, Oxygen and Carbon Monoxide
Sensors for Hydrogen Setups and Cells, International Journal of Hydrogen
Energy, 32:1145-1158, (2007)
28. Wetchakun, K., Samerjai, T., Tamaekong, N., Liewhiran, C., Siriwong, C.,
Kruefu, V., Wisitsoraat, A., Tuantranont, A., Phanichphant, S.,
‘Semiconducting Metal Oxides as Sensors for Enviromentally Hazardous
gases’, Sens. Actuators B , 160:580-591, (2011)
29. Yamazoe, N., Shimanoe, K., ‘Basit approach to the Transducer Function of
Oxide Semiconductors Gas Sensors’, Sens. Actuator B, 160: 1352-1362,
(2011)
30. Günkaya, G., ‘Nanokristalin SnO2 Sentezlenmesi ve Elektroforez Kaplama
Yöntemiyle Sensör Üretimi’, Anadolu Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,
Yüksek Lisans Tezi, Seramik Mühendisliği Anabilim Dalı, 33-34, (2008)
31. Korotcenkov, G., ‘The Role of Morphlogy and Crystallographic Structure of
Metal Oxides in Response of Conductometric-type Gas Sensors’, Materials
Science and Engineering, R 61:1-39, (2008)
32. Strauss, W., Air Pollution Control Part:II , New York , Wiley-Interscience.
33. Toros, H., ‘Ġstanbul’da Asit YağıĢları, Kaynakları ve Etkileri’ İstanbul
Teknik Üniversitesi, Doktora Tezi, Meteroloji Mühendisliği Anabilim Dalı,
(2000)
34. Hübner, M., Simion, C.E., Haensch, A., Barsani, N., Weimar, U., ‘CO
sensing mechanism with WO3 based gas sensors’, Sens. Actuators B,
153:103-106, (2010)
35. Kim, D.H., Yoon, J.Y., Park, H.C., Kwang, H.K., ‘CO2-sensing
Characteristics of SnO2 Thick Film by Coating Lanthanum Oxide’, Sens.
Actuators B, 62:61-66, (2000)
36. Varınca, K.B., GüneĢ, G., Ertürk, F., ‘Hava Kirleticilerinin Ġnsan Sağlığı ve
Ġklim DeğiĢikliği Üzerine Etkisi’, Yıldız Teknik Üniversitesi Çevre
Mühendisliği Bölümü, Ġstanbul
68
37. Yazıcı, D., ‘Fosfin Metal Komplekslerinin Fiziksel Özellikleri’, Çukurova
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Fizik Anabilim
Dalı,10-12, (2007)
38. Yılmaz, S., ’Dy2O3, Eu2O3, Sm2O3 KatkılanmıĢ β-Bi2O3 Tipi Katı
Elektrolitlerin Sentezlenmesi’, Karakterizasyonları ve Katıhal Oksijen Ġyonik
Ġletkenliklerinin AraĢtırılması, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,
Doktora Tezi, Fizik Anabilim Dalı, 30-32, (2008)
39. ġat, F., ‘Yarıiletkenlerde Ġletkenlik Ölçümü’, Mersin Üniversitesi Fen
Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Fizik Anabilim Dalı,46-48 (2010)
40. Kara, Ġ., ‘LEC Tekniği ile Büyütülen Zn Katkılı InAs Yarıiletkeninde
Sıcaklığa Bağımlı Manyetik ve Elektron Ġletim Özellikleri’, Gazi Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Fizik Anabilim Dalı, 26-29,
(2006)
41. Mian, A., Law, J., ‘Computational Ġnvestigation of Van Der Pauw Structures
for MEMS Pressure Sensors’, Computational Materials Science, 49:652662, (2010)
42. Patois,T., Lakard, B., Martin, N., Fievet, P., ‘ Effect of Various Parameters
on the Conductivity of free Standing Electrosynthesized polypyrrole films’,
Synthetic Metals, 160:2180-2185, (2010)
43. Lozanova, S.V., Roumenin, Ch.S., ‘ A three-point-probe method for
measuring resistivity and the Hall coeffient using Hall Devices with minimal
design complexity’, Measurements , 43:385-391, (2010)
44. Çelik, Y., ‘Kimyasal Yöntemle Büyütülen Çinko Oksit Ġnce Filmlerin
Yapısal, Optiksel ve Elektriksel Özelliklerinin Ġncelenemesi’, Ankara
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Fizik
Mühendisliği Anabilim Dalı,16-19, (2005)
45. Acar, S.,‘GaAs ve InP Yarıiletkenlerde Elektriksel Karakterizasyon’, Gazi
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Fizik Anabilim Dalı, 3741, (2003)
46. Pei,S., Cheng, H.M., ‘The reduction of graphene oxide’, Carbon , 50:32103228,(2010)
47. Wu, Z-S., Ren, W., Gao, L., Liu, B., Jiang, C., Cheng, H-M., ‘Synthesis of
high quality graphene with a pre-determined number of layers’, Carbon,
47(2): 493-9, (2009)
69
48. Yıldız, A.,’ InxGa1-xN Yarıiletkeninin Elektron Ġletim Özellikleri’, Gazi
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Fizik Anabilim Dalı, 2022, (2007)
49. Aydın CankuĢ, G., ‘MBE ile Büyütülen Si Delta-Katkılı GaAs’nin Elektriksel
ve Yapısal Özelliklerinin Ġncelenmesi’ , Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri
Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Fizik Anabilim Dalı, 58-61, (2007)
50. Hernandez, Y.,Pang, S.,Feng, X., Müllen, K., ‘Graphene And Its
Synthesis’,Polymer Science:A Comprehensive Reference, Volume 8, Max
Planck Institute for Polymer Research, Mainz, Germany
51. Park, S., Ruoff, R.S., ‘Chemical Methods for The Production of graphenes’,
Nature nanotechnology, advance online publication,(2009)
52. Ġnternet:Technical Data MQ4 Gas Sensor
https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Biometric/MQ-4.pdf , (2013)
53. Ġnternet: Technical Data MQ5 Gas Sensor
http://www.parallax.com/Portals/0/Downloads/docs/prod/sens/MQ-5.pdf
,(2013)
54. Hung, N.L., Kim, H., Hong, S.K., Kim, D., ‘Enhancement of CO sensing
properties in ZnO thin films deposited on self-assembled Au nanodots’, Sens.
Actuators B, 151:127-132, (2010)
55. Kaur, J., Roy, S.C., Bhatnagar, M.C., ‘Highly Sensitive SnO2 thin Film NO2
gas sensor operating at lower temperature’, Sens. Actuators B, 123:10901095, (2007)
56. Ponzoni, A., Comini, E., Sberveglieri, G., Zhou, J., Deng, S.Z., Xu, N.S.,
Ding,Y., Wang, Z.L., ‘ Ultrasensitive and Highly Selective Gas Sensors
Using Three-Dimensional Tungsten Oxide Nanowire Networks’, Appl. Phys.
Lett. 88, 203101, (2006)
57. Pearce, R., Iakimov, T., Andersson, M., Hultman, L., Spetz ,A.L., Yakimova,
R., ‘Epitaxially Grown Graphene Based Gas Sensors For Ultra Sensitive NO2
Detection’, Sens. Actuators B , 155:451-455, (2011)
58. Zhang, W., Lin, C.-T., Liu, K.-K., Tite, T., Su, C.-Y., Chang, C.-H., Lee, Y.H.L., Chu, C.-W., Wei, K.-H., Kuo, J.-L., Li, L.-J., ‘Opening an electrical
band gap of bilayer graphene with molecular doping’, AcsNano, 5(9):75177524,
59. Guo, B., Fang, L., Zhang, B., Gong, J.R., ‘Graphene Doping:A Review’,
Insciences J., 1(2):80-89, (2011)
70
60. Yavari, F., Kritzinger, C., Gaire, C., Song, L., Gullapalli, H., Borca-Tasciuc,
T., Ajayan, P.M. and Koratkar, N., ‘Tunable Bandgap in graphene by the
controlled adsorption of water molecules’, Small, 6(22):2535-2538, (2010)
61. Kang, S.C., Im, J.S., Lee, S.-H.,Bae, T.-S., Lee, Y.-S., ‘High Sensitivity gas
sensors using electrically conductive and porosity-developed carbon
nanofiber’, Colloids and Surfaces A:Physicochem. Eng. Aspects 384:297303, (2011)
62. Gautam, M., Jayatissa, A.H., ‘Gas Sensing Properties Of Graphene
Synthesized By Chemical Vapor Deposition’, Materials Science And
Engineering C, 31:1405-1411, (2011)
63. Cuong, T.V., Pham, V.H., Chung, J.S., Shin, K.W., Yoo, D.H., Hahn, S.H.,
Huh, J.S., Rue, G.H., Kim, E.J., Hur, S.H., Kohl, P.A., ‘ Solution-processed
Zno-Chemically Converted Graphene Gas Sensor’, Materials Letters, 64:
2479-2482, (2010)
64. Zhou, L., Shen, F., Tian, X., Wang, D., Zhang, T., Chen, W., ‘ Stable Cu2O
Nanocrystals Grown on Functionalized Graphene Sheets and Room
Temperature H2S Gas Sensing with Ultrahigh Sensitivity’, Nanoscale, 5:
1564-1569, (2013)
65. Wan, Q., Li, Q.H., Cheng, Y.J., Wang, T.H., He, X.L., Li, J.P, Lin, C.L.,
‘Fabrication and Ethanol Sensing Characteristics of ZnO nanowire Gas
Sensors’, Appl. Phys. Lett., 84(18), (2004)
66. Chen, G., Paronyan, T.M. and Harutyunyan, A.R., ‘Sub-ppt dedection with
pristine graphene’, Appl. Phys. Lett. 101, (2012)
67. Fowler, J.D., Allen, M.J., Tung, V.C., Yang, Y., Kaner, R.B. and Weiller,
B.H., ‘Practical Chemical Sensors from Chemically Derived Graphene’, Acs
Nano 3(2):301-306, (2009)
68. Kumar, G.S., Rao, J.V.R., ‘Dedection of NH3&CO2 Using Carbon Nanotubes
At Room Temperature’, International Journal of Nanotechnology and
Application (IJNA), 3(1):11-18, (2013)
69. Yoon, H.J., Jun, D.H., Yang, J.H., Zhou, Z., Yang, S.S., Cheng, M.M-C.,
‘ Carbon Dioxide Gas Sensor Using A Graphene Sheet’, Sensors and
Actuators B, 157:310-313, (2011)
70. Lu, G., Ocola, L.E., Chen, J., ‘Gas Dedection Using Low Temperature
Reduced Graphene Oxide Sheets’, Appl. Phys. Lett., 94, 083111, (2009)
71. Chung, M.G., Kim, D.H., Lee, H.M., Kim, T., Choi, J.H., Seo, D.K., Yoo, J.B., Hong, S.-H., Kang, T.J., Kim, Y.H., ‘ Highly Sensitive NO2 Gas Sensor
71
Based on Ozone Treated Graphene’, Sens. Actuators B:Chemical, 166-167:
172-176, (2012)
72. Li, M., Hu, M., Liu, Q., Ma, S., Sun, P., ‘ Microstructure Characterization
and NO2-Sensing Properties of Porous Silicon with Ġntermediate Pore Size,
Appl. Surf. Sci. , 268:188-194, (2013)
73. Ucda, T., Bhuiyan, M.M.H., Norimatsu, H., Katsuki, S., Ikegami, F., Mitsugi,
F., ‘ Development of carbon nanotube-based gas sensors for NOx gas
dedection working at low temperature’, Physica E , 40:2272-2277, 2008
74. Robinson, J.T., Perkins, F.K., Snow, E.S., Wel, Z., and Sheehan, P.E., ‘
Reduced Graphene Oxide Molecular Sensors’, Nano Letters, 8(10): 31373140, (2008)
72
ÖZGEÇMİŞ
Kişisel Bilgiler
Soyadı, Adı
: KARADUMAN Irmak
Uyruğu
: T.C.
Doğum tarihi ve yeri
: 13.05.1988 Ankara
Medeni Hali
: Bekar
Telefon
:
e-mail
: irmak.karaduman@gazi.edu.tr
Eğitim
Derece
Eğitim Kurumu
Mezuniyet Yılı
Lisans
Gazi Üniversitesi/Fizik Bölümü
2011
Lise
Anıttepe Süper Lisesi
2006
Yabancı Dil
Ġngilizce
Download