ZnO/CuO p–n Heteroyapı İnce Filmler ile Sürdürülebilir ve Düşük Güç Tüketimli NO₂ Gaz Algılama

Öz

Hava kalitesinin izlenmesi, özellikle trafik ve endüstriyel faaliyetler sonucu ortaya çıkan başlıca kirleticilerden biri olan azot dioksitin (NO₂) algılanması açısından sürdürülebilir şehirlerin geliştirilmesinde kritik bir rol oynamaktadır. Bu çalışmada, toprakta bol bulunan ve toksik olmayan metal oksitlerden oluşan ZnO/CuO p–n heteroyapı ince filmler kullanılarak düşük güç tüketimli ve sürdürülebilir bir NO₂ gaz sensörü sunulmaktadır. Heteroyapı ince filmler, düşük enerji gereksinimine sahip çözelti bazlı sol–gel spin coating yöntemi ile üretilmiş ve görece düşük sıcaklıklarda tavlanarak çevre dostu ve ölçeklenebilir bir üretim süreci gerçekleştirilmiştir. Yapısal ve morfolojik karakterizasyon sonuçları, ZnO ve CuO fazlarının başarıyla oluştuğunu göstermektedir. Gaz algılama ölçümleri, ZnO/CuO heteroyapı sensörlerinin tek katmanlı ZnO ve CuO ince filmlere kıyasla özellikle düşük çalışma sıcaklıklarında NO₂ gazına karşı belirgin şekilde daha yüksek duyarlılık sergilediğini ortaya koymuştur. Bu iyileştirilmiş algılama performansı, ZnO/CuO arayüzünde oluşan deplesyon bölgesinin NO₂ molekülleri ile etkileşim sonucu etkin biçimde modüle edilmesine ve p-tipi CuO yüzeyinin oksitleyici gazlara olan yüksek ilgisine atfedilmektedir. Önerilen sensör mimarisi, düşük güç tüketimi ile güvenilir NO₂ algılaması sağlayarak sürekli hava kalitesi izleme uygulamaları için güçlü bir aday sunmaktadır. Soy metal içermeyen malzeme seçimi, düşük sıcaklıklı sol–gel üretim yaklaşımı ve heteroyapı arayüz mühendisliği bir araya geldiğinde, ZnO/CuO ince filmlerin yeni nesil sürdürülebilir ve enerji verimli gaz sensörleri için umut vadeden bir platform olduğu görülmektedir.

Anahtar Kelimeler

• ZnO/CuO heteroyapı
• NO₂ gaz sensörü
• Sol-jel ince filmler
• Metal oksit gaz sensörü
• Sürdürülebilir algılama teknolojisi

Sustainable and Low Power Consumption NO₂ Gas Detection with ZnO/CuO p–n Heterostructure Thin Films

Öz

Monitoring air quality plays a critical role in the development of sustainable cities, particularly in detecting nitrogen dioxide (NO₂), one of the primary pollutants resulting from traffic and industrial activities. This study presents a low-power consumption and sustainable NO₂ gas sensor using ZnO/CuO p–n heterostructure thin films composed of metal oxides that are abundant in soil and non-toxic. The heterostructure thin films were produced using a solution-based sol–gel spin coating method with low energy requirements and annealed at relatively low temperatures, resulting in an environmentally friendly and scalable production process. Structural and morphological characterization results show that ZnO and CuO phases were successfully formed. Gas sensing measurements revealed that ZnO/CuO heterostructure sensors exhibited significantly higher sensitivity to NO₂ gas, especially at low operating temperatures, compared to single-layer ZnO and CuO thin films. This improved sensing performance is attributed to the effective modulation of the depletion region formed at the ZnO/CuO interface as a result of interaction with NO₂ molecules and the high affinity of the p-type CuO surface for oxidizing gases. The proposed sensor architecture provides reliable NO₂ detection with low power consumption, making it a strong candidate for continuous air quality monitoring applications. The combination of non-noble metal material selection, low-temperature sol-gel fabrication approach, and heterostructure interface engineering reveals ZnO/CuO thin films as a promising platform for next-generation sustainable and energy-efficient gas sensors.

Anahtar Kelimeler

• ZnO/CuO heterojunction
• NO₂ gas sensor
• Sol–gel thin films
• Metal oxide gas sensor
• Sustainable sensing technology

Kaynakça

1. I. Manisalidis, E. Stavropoulou, A. Stavropoulos, and E. Bezirtzoglou, “Environmental and Health Impacts of Air Pollution: A Review,” Frontiers in Public Health, vol. 8, p. 505570, Feb. 2020.
2. S. Sharma, M. Zhang, Anshika, J. Gao, H. Zhang, and S. H. Kota, “Effect of restricted emissions during COVID-19 on air quality in India,” Science of The Total Environment, vol. 728, no. 21, p. 138878, Aug. 2020.
3. A. Dey, “Semiconductor metal oxide gas sensors: A review,” Materials Science and Engineering: B, vol. 229, pp. 206–217, Mar. 2018.
4. L. Kong, Z. Yuan, H. Gao, and F. Meng, “Recent progress of gas sensors based on metal oxide composites derived from bimetallic metal-organic frameworks,” TrAC Trends in Analytical Chemistry, vol. 166, p. 117199, Sep. 2023.
5. A. Mirzaei, S. G. Leonardi, and G. Neri, “Detection of hazardous volatile organic compounds (VOCs) by metal oxide nanostructures-based gas sensors: A review,” Ceramics International, vol. 42, no. 14, pp. 15119–15141, Nov. 2016.
6. Y. Zhang, R. Li, R. Guo, M. Jiao, G. Wang, and Z. Zhao, “Recent Progress in Low-Power-Consumption Metal Oxide Semiconductor Gas Sensors,” Materials 2025, Vol. 18, vol. 18, no. 21, Oct. 2025.
7. E. Nayman, M. Gözükızıl, and İ. Usta, “Deposition of cdo semiconductors on yarns by dip coating method and gas sensor applications,” Textile and Apparel, vol. 34, no. 2, pp. 117–126, 2023.
8. M. Gozukizil and E. Nayman, “Deposition of CdO thin films by dip coating technique and the effect of concentration on gas sensor applications,” Latin Am Appl Res, vol. 54, no. 1, pp. 119–125, 2024.

9. H. Pakdel, M. Borsi, M. Ponzoni, and E. Comini, “Enhanced Gas Sensing Performance of CuO-ZnO Composite Nanostructures for Low-Concentration NO2 Detection,” Chemosensors , vol. 12, no. 4, Apr. 2024.
10. M. F. Gozukizil and E. Nayman, “CO2 Gaz Sensörü Uygulamaları için CuO İnce Film Üretimi ve Karakterizasyonu,” Duzce University Journal of Science and Technology, vol. 11, no. 4, pp. 2246–2254, Oct. 2023.
11. A. Moumen, N. Kaur, N. Poli, D. Zappa, and E. Comini, “One Dimensional ZnO Nanostructures: Growth and Chemical Sensing Performances,” Nanomaterials, vol. 10, no. 10, pp. 1–16, Sep. 2020.
12. S. Temel, F. Gozukizil, F. Gokmen, and E. Yaman, “Comparison of gas sensor properties by producing ZnO thin films with different techniques,” J Optoelectron Adv Mater, vol. 25, no. 6, pp. 282–288, 2023.
13. A. Turlybekuly, M. Sarsembina, A. Mentbayeva, Z. Bakenov, and B. Soltabayev, “CuO/TiO2 heterostructure-based sensors for conductometric NO2 and N2O gas detection at room temperature,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 397, p. 134635, Dec. 2023.
14. S. M. Mali et al., “Heterostructural CuO–ZnO Nanocomposites: A Highly Selective Chemical and Electrochemical NO2 Sensor,” ACS Omega, vol. 4, no. 23, pp. 20129–20141, Dec. 2019.
15. H. Pakdel, M. Borsi, M. Ponzoni, and E. Comini, “Enhanced Gas Sensing Performance of CuO-ZnO Composite Nanostructures for Low-Concentration NO2 Detection,” Chemosensors, vol. 12, no. 4, Apr. 2024.
16. Y. S. Park et al., “Nano-Heterojunction NO2 Gas Sensor Based on n-ZnO Nanorods/p-NiO Nanoparticles Under UV Illumination at Room Temperature,” Nanomaterials , vol. 15, no. 18, Sep. 2025.
17. M. Sik Choi et al., “Selective, sensitive, and stable NO2 gas sensor based on porous ZnO nanosheets,” Applied Surface Science, vol. 568, no. 3, p. 150910, Dec. 2021.
18. M. Waqas Alam, A. Sharma, A. Sharma, S. Kumar, P. Mohammad Junaid, and M. Awad, “VOC Detection with Zinc Oxide Gas Sensors: A Review of Fabrication, Performance, and Emerging Applications,” Electroanalysis, vol. 37, no. 1, Jan. 2025.
19. M. Y. Kim et al., “NO2 Gas Sensing Properties of Ag-Functionalized Porous ZnO Sheets,” Adsorption Science & Technology, vol. 2023, 2023.
20. A. T. Ajiboye, J. F. Opadiji, A. O. Yusuf, and J. O. Popoola, “Analytical determination of load resistance value for MQ-series gas sensors: MQ-6 as case study,” Telecommunication Computing Electronics and Control, vol. 19, no. 2, pp. 575–582, Apr. 2021.
21. X. Zhou et al., “Synergetic p+n Field-Effect Transistor Circuits for ppb-Level Xylene Detection,” IEEE Sensors Journal, vol. 18, no. 9, pp. 3875–3882, May 2018.