Development of ITO (In2O3 – SnO2) based gas sensors

Abstract

Metal oksit geniş bant aralıklı aygıtlar, yeni nesil gaz sensörleri için gelecek vadetmektedir. Bu tez, indirgeyici hidrojeni (H2) ve yükseltgeyici karbon dioksiti (CO2) algılayan, direnç tabanlı geniş bant aralıklı yarı iletken gaz algılama aygıtları üzerine gerçekleştirilmiştir. RF Magnetron saçtırma sistemi ile şeffaf indiyum kalay oksit ince film tabakaları büyütülmüştür. İnce filmler Al arka kontak üzerine büyütülmüş ve ince film yüzeyi gaz algılama için açık bırakılmıştır. Bu çalışmada, H2 ve CO2 gazları için duyarlılık gösteren üç farklı ITO gaz sensorü incelenmiştir. Ayrıca, yapısal, morfolojik ve optik özelliklerine bağlı olarak duyarlılığın nasıl değiştiği de araştırılmıştır. X-ışını difraksiyon ölçümleri, SEM görüntüleri, soğurma ölçümleri ve gaz sensörü ölçümleri ile O2 kısmi basıncına bağlı olarak aygıtların kristal yönelim, tane boyutu, bant aralığı, başarım ölçüsü ve gaz sensörü duyarlılığı özelliklerinin değişimi gösterilmiştir. Tüm hazırlanan filmlerde %90'ın üzerinde geçirgenlik değerleri bulunmuş ve temel soğurma kenarında kayma ile birlikte ve direk optik yasak enerji aralığı 3,46 ve 4.13 eV arasında olduğu bulunmuştur. Soğurma ölçümleri, O2 kısmi basıncının artması ile yasak enerji bant aralığının ve başarım ölçüsünün arttığını göstermiştir. XRD verilerine göre (400) ve (411) düzlemlerine ait piklerin baskın olduğu ve bu piklerin şiddetlerinin ve oranlarının O2 kısmi basıncına göre değiştiği gösterilmiştir. Bu aygıtlar, 50°C sıcaklığın üzerinde ve 400 sccm konsantrasyonlarında H2 ve CO2 için duyarlıdır. Gaz algılama performansı, farklı ölçüm sıcaklıklarında (30°C ile 200°C aralığında), dinamik gaz algılama sistemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Aygıtların 200°C sıcaklıkta maksimum H2 duyarlılığı (RS =%22) gösterdiği tespit edilmiştir. Ayrıca aygıtlar, kısa cevap zamanı (92,3 s) ve kısa geri dönme zamanı (24,2 s) göstermişlerdir.

Wide bandgap metal oxide based devices are promising candidates for the next generation gas sensors. In this thesis, resistive based wide band gap semiconductor gas sensing devices detecting reducing-hydrogen (H2) and oxidizing-carbon dioxide (CO2) are presented. Transparent Indium tin oxide (ITO) thin film layers were deposited employing RF magnetron sputtering system. The thin films are back contacted with Al leaving thin film surface free for gas detection. In this work three different types of ITO gas sensors were investigated for their sensitivity for H2 and CO2 gases. Also discussed how sensitivity varies according to structural, morphological, optical properties and O2 partial pressure. The X-ray diffraction measurements, SEM images absorption measurements and gas sensing measurements have revealed that the crystal orientation, growth rate, band gap, figure of merit and gas sensor sensitivity changed relevant to O2 partial pressure introduced to thin film. All the prepared films show the larger values of transmittance >90% along with the shift in the fundamental absorption edge and the direct optical band gap which was found to be between 3.46 and 4.13 eV. Absorption measurements show bandgap and figure of merit increasing with increase of O2 partial pressure. XRD data reveals the dominant peaks as (400) and (441) also while O2 partial pressure has effects on the intensities and the ratios of these peaks. These devices are sensitive to H2 and CO2 concentrations well below 400 sccm at over 50 0C temperature. Gas-sensing performance was conducted using dynamic gas-sensing system, at elevated temperatures in the range of 30°C to 200°C. The maximum sensitivity (RS=22%) to H2 was found at the temperature of 200°C. CO2 results show dependency of the temperature. Response time (92.3 s) and recovery times (24.2 s) are the main features of this device.