Fabrication of organic/p-type semiconducting metal oxide hybrid structures for gas sensing applications

Abstract

Bu çalışmada p-tipi yarıiletken metal oksit nanotellerin organic ince filmler ile oluşturduğu hybrid yapılarn gas algılama özellikleri incelenmiştir. P-tipi yarıiletken metal oksit malzeme olarak Cu2O ve CuO nanoteller sentezlenmiştir. Cu2O nanoteller, Cu filmin KOH + NH4F sulu çözeltisi içerisinde anodizasyon ve sonrasında termal oksitleme işlemi ile oluşturulmuştur. Yapısal, optiksel, DC elektriksel karakterizasyonları yapılmış, H2 ve NO2 gazına karşı algılama özellikleri incelenmiştir. CuO nanoteller Si alttaş üzerine termal oksitleme yöntemiyle sentezlenmiştir. CuO nanotellerin yapısal karakterizasyonları yapılmış ve H2, etanol gazına karşmı sensör testleri gerçekleştirilmiştir. Organic malzemeler olarak çinko fitalosiyanin (ZnPc) ve fulleren ile fonksiyanelleştirilmiş poly(styrene-co-chloromethlystrene) (P(S-co-CMS-C60)) kullanılmıştır. Kloroform ile çözülen organikler CuO ve Cu2O nanoteller üzerine spin kaplama yöntemi ile kaplanarak hibrit heteroyapıları oluşturulmuştur. ZnPc@Cu2O nanotel hibrit yapısının 150 °C'de 0.5 ppm, 1 ppm, 2.5 ppm ve 5ppm NO2 gazına karşı kuru hava akışı altında Cu2O nanotellerden daha iyi algılama gösterdiği gözlemlenlemiştir. Ayrıca 150 °C'de %38 bağıl nemin ZnPc filmin NO2 gazına karşı algılamasını önemli miktarda düşürdüğü, ZnPc@Cu2O hybrit yapısının algılamasını arttırdığı gözlemlenmiştir. P(S-co-CMS-C60)@CuO hybrit yapısının 100 °C'de 1000 ppm H2 gazına karşı tepkisi sade CuO nanotellerin algılamasıyla karşılaştırılmıştır. Hybrit yapının algılamayı ve tepki hızını artırdığı gözlemlenmiştir.

In this work, gas sensing properties of hybrid structures, composed of p-type semiconducting metal oxide nanowires and organic thin films, were investigated. Cu2O and CuO nanowires were synthesized as p-type semiconducting metal oxide material. Cu2O nanowires were fabricated with anodization in KOH+NH4F aqeous solution and following thermal oxidation process. Their structural, optical, DC electrical characterizations were done and sensing properties against H2 and NO2 gas were investigated. CuO nanowires were fabricated with thermal oxidation on Si substrates. Sensor tests were performed against H2 and ethanol gases after structural characterization of CuO nanowires. Zinc-pthlocyanine and fullerene functionalized poly(styrene-co-chloromethlystrene) (P(S-co-CMS-C60)) were used as organic materials. The hybrid heterostructures were synthesized with spin coating of dissolved organics in chloroform on Cu2O and CuO nanowires. ZnPc@Cu2O hybrid nanostructures showed better sensor response than Cu2O nanowires against 0.5 ppm, 1 ppm, 2.5 ppm and 5 ppm NO2 gas at 150 °C under dry air flow. While the sensor response of only ZnPc film decreased sharply against NO2 gas at 150 °C under 38% relative humidity, the sensor response of ZnPc@Cu2O hybrid structure increased. The sensor response of P(S-co-CMS-C60)@CuO hybrid structure and pure CuO nanowires were compared at 100 °C against 1000 ppm H2 under dry air flow. It was observed that the hybrid structure increased the sensivity and sensor response.