Geri Dön

Chemistry and structure of sputter deposited boron-carbon-nitrogen thin films

Saçtırma biriktirme yöntemi ile elde edilen bor-karbon-azot ince filmlerin kimyası ve yapısı

PDF İndir

  1. Tez No: 301098
  2. Yazar: MUSTAFA FATİH GENİŞEL
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. ERMAN BENGÜ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2012
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 208

Özet

Eşsiz elektriksel, optik veya mekanik özelliklere sahip yeni malzeme sentezine ilgi büyümektedir. Bor-Karbon-Azot (BCN) üçlü faz diyagramı potansiyel olarak benzersiz özelliklere sahip, değişken band aralığına sahip yarı iletkenler veya çok sert fazlar gibi yeni malzemeler vaat etmektedir. Diğer yandan, bu yeni BCN temelli malzemelerin fiziksel ve mekanik özellikleri malzemedeki atomların kimyasal çevresine ve atomik yapısına bağlıdır. Bu tezde, B4C hedeften reaktif magnetronlu saçtırma (RMS) tekniği ile sentezlen BCN filmlerdeki atomların bağ yapıları ve kimyasal çevreleri araştırılmıştır. Biriktirme sırasında farklı işlem parametreleri değiştirilerek, örneğin alttaş meyillendirmesi, alttaş-hedef mesafesi ve N2 akış miktarı gibi, bunların sentezlenen filmin özelliklerine etkisi incelenmiştir.İşlem sırasında kullanılan parametrelerin kimyasal ve atomik yapı üzerine nihai etkisini anlamak için birçok deney seti planlanıp ve uygulanmıştır. Filmlerdeki kimyasal çevrenin karakterizasyonu için, Kızılötesi Spektroskopisi, Raman Spektroskopisi, X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi, X-ışını Kırınımı ve Elektron Enerjisi Kayıp Spektroskopisi kullanılmıştır. Ayrıca, yapıdaki atomik değişiklikler için, Odaklanmış İyon Demeti tekniği ile hazırlanan, elektron geçirgen, ince, yan kesit BCN örnekleri Yüksek Çözünürlüklü Geçirgenli Elektron Mikroskopu`nda incelenmiştir.B serisi olarak isimlendirilen ilk deney serisinde, alttaş üzerinde büyümekte olan filme enerji, alttaşa uygulanan radyo frekansı ile oluşturulmuş doğrusal akım meyillendirmesi ile sağlandı. Uygulanan meyillendirmenin şiddeti seri içinde belli bir aralıkta değiştirilmiştir. P ve D serisi olarak isimlendirilen ikinci ve üçüncü serilerde, alttaş-hedef mesafesinin etkisi incelendi. Bu serilerde BCN ve BN filmler hedefin yüzeyine göre değişik mesafelere yerleştirilen alttaşlar üzerine biriktirilmiştir. Bu serilerin alt-serilerinde ise alttaşa uygulanan meyillendirmenin şiddeti ve tipinin BCN filmlerin kimyasına etkisi detaylı olarak incelenmiştir. Ayrıca, G serisinde de atomik kompozisyonun bağlanma tercihleri üzerine etkisi çalışıldı. Bu seride değişik miktarda N2 içeren çalışma gazı akışı altında radyo frekansı saçtırmasında tabii tutulan B4C hedeften değişik uzaklıklara yerleştirilen alttaşlar üzerine BCN filmler biriktirilmiştir.Yukarıda bahsedilen serilerden sentezlenen BCN filmlerde çoğunluğu spektroskopik tekniklerle elde edilen bilgiler dikkatlice analiz edildikten sonra birçok önemli sonuç elde edilmiştir. İlk olarak, biriktirilen filmlerde kullanılan işlem parametrelerinden bağımsız bir şekilde bağlanma tercihinin faz ayrışmasından yana olduğu gözlemlenmiştir. Örneğin, filmlerde baskın biçimde B-N ve C-C veya C-N bağları gözlemlenmiştir. Ayrıca, uygulanan alttaş meyillendirmesinin arttırılması veya alttaş-hedef mesafesinin azaltılmasının BCN filmlerde atomik düzenliliği arttırarak ve tabakalı (turbostratic) BCN yapısının gözlemlenmesine yol açmıştır. Spektroskopik datanın detaylı incelenmesi de; herbir tabaka ayrışmış h-BN ve grafitik karbon benzeri kümeler içeren bölgelerden oluştuğunu, bu durumun ise faz ayrışması iddiasını desteklediğini göstermiştir.BCN filmlerin büyümesinde, termodinamik ve kinetik olarak kontrol edilen iki ana rejim tanımlanmıştır. Yüksek alttaş meyillendirmesi ile veya hedef yüzeyine yakın alttaşlar üzerinde sentezlenen BCN filmlerin atomik yapısı genel olarak daha düzenlidir. Buna neden olarak alttaşa ulaşan iyonların yüzeyde film büyümesine katılan saçtırılmış ve eklemlenen atomlara, enerji olarak en uygun pozisyonu yüzeyde bulmaları için gerekli enerjiyi sağlaması gösterilebilir. Bu ve benzer durumlara termodinamik olarak kontrol edilen rejim denilebilir. Tam aksi durumda ise, eklemlenen atomların yüzeydeki hareketlerinin sınırlandırıldığı rejim, elde edilen son kimya ve yapı kinetik tarafından belirlenmiştir. Ancak, her iki durumda da egemen olan B-N bağı ve melezlenmiş kimyanın gözlemlenmemesi, BCN filmlerde bağlanma enerjisinin belirleyici ana unsur olduğunu işaret etmektedir.Sonuç olarak; sunulan çalışma, uygulanan işlem parametresi uzayı veya kümesinde, faz ayrışmasının BCN filmler için tabii bir karakter olduğunu ve melezlenmenin mümkün olmadığını ileri sürmektedir. Bunun temel nedeni, B-N ve C-C bağlarının görece kararlılığı ve enerjisidir.

Özet (Çeviri)

There is a growing interest in synthesizing new materials with unique mechanical properties like hardness or electrical and optical properties. For this purpose, Boron-Carbon-Nitrogen (BCN) ternary phase diagram promises new materials with potentially unique properties, such as variable band gap semiconductors or phases with extreme hardness. On the other hand, the physical or mechanical properties of these new BCN materials strongly depend on the chemical environment of the atoms and their atomic structure. In this thesis, atomic structure and chemical environment of the atoms in BCN thin films were investigated. BCN films were synthesized by Reactive Magnetron Sputtering (RMS) technique from a B4C target. Various process parameters of synthesis were changed during deposition, such as the substrate bias, substrate-to-target distance and N2 flow.The effect of process parameters are investigated with respect to their fundamental effects on the growing BCN films. Several sets of experiments were planned and conducted in order to gain insight as per their effect on the final chemistry and atomic structure. The characterization of the chemical composition of the films was done using data from Infrared Spectroscopy, Raman Spectroscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy, X-Ray Diffraction, and Electron Energy Loss Spectroscopy. Also, electron transparent thin cross-sections from the BCN films were prepared using focused-ion beam technique for conducting High Resolution Transmission Electron Microscopy analysis for the verification of atomic structure.In the first series, named B series, the energy is supplied to growing film by applying a radio frequency generated d.c. bias on the substrate. Magnitude of the applied bias was changed throughout the series. In the second and third series, namely P and D series, the effect of substrate-to-target distance was investigated. In these series, BCN and BN films were deposited on substrates that were located at different distances from the target surface. In sub-series, effect of, i) the magnitude of applied bias, ii) type of applied substrate bias on the chemistry of the BCN films were scrutinized. In addition, the effect of atomic composition on the bonding preferences was studied. For this purpose, a series of BCN films were r.f. sputter deposited from B4C target with different N2 flow rate at the process gas.After the careful analysis of the data from mainly the spectroscopic techniques, several important results were obtained. First, a prevailing bonding preference, i.e. phase segregation, was observed in the films deposited regardless of the process parameters used, such that a dominant presence of B-N and C-C or C-N bonding were observed in the films. Furthermore, increasing the substrate bias or decreasing the substrate-to-target distance resulted in the atomic ordering and layered (turbostratic) BCN films. Examination of the spectroscopic data in detail also indicated that the individual layers were made out of separate domains of h-BN like and graphitic like carbon regions, which supports the phase-segregation assertion.Two main regimes are identified for the growth of BCN films; thermodynamically or kinetically controlled regimes. BCN films synthesized with large substrate bias or close to target surface were overall more ordered as the adatoms arriving on the substrate surface had enough energy to diffuse and find energetically most favorable sites. Such a case could be termed as thermodynamically controlled regime. In the opposite case, where adatoms were in a diffusion-limited environment, the final chemistry and structure was dictated by the kinetics. However, the prevalence of B-N bonding in both cases, and failure to observe hybridized chemistry suggests that bonding energy consideration is the major deciding factor for the chemistry of BCN films.As a conclusion, the work presented herein suggests that phase segregation in BCN films reveal as an innate character, while hybridization is not observed in the process parameter space explored. The main reason for this is the relative energies of the B-N and C-C bonding.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    312864

    Synthesis of high temperature wear resistant WC and WN coatings

    Yüksek sıcaklıkta aşınmaya dirençli WC ve WN kaplamaların sentezlenmesi

    HÜSEYİN ALAGÖZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ERMAN BENGÜ

  2. Tez No

    759884

    Functional metal oxide surfaces: Photocatalytic, self-cleaning andmicro-/nanostructuring applications

    Başlık çevirisi yok

    SALİH VEZİROGLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Metalurji MühendisliğiChristian-Albrechts-Universität zu Kiel

    PROF. DR. FRANZ FAUPEL

    PROF. DR. LORENZ KİENLE

    PROF. DR. JOST ADAM

  3. Tez No

    861061

    Solution-processed thin film deposition and characterization of multinarychalcogenides: Towards highly efficient Cu2BaSn(S,Se)4 solar devices

    Solüsyon yöntemiyle sentezlenmiş çok elementli kalkojenitlerin ince film kaplama ve karakterizasyonu: Yüksek verimli Cu2BaSn(S,Se)4 bazlı güneş soğuran cihazlara doğru

    BETÜL TEYMUR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    EnerjiDuke University

    Malzeme Bilimi ve Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DAVİD B.MİTZİ

  4. Tez No

    874190

    Experimental and numerical investigation of electrohydrodynamic based active micromixer

    Elektro-hidrodinamik aktif mikrokarıştırıcıların deneysel ve nümerik incelenmesi

    İREM BAHAR GÜL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEVENT TRABZON

  5. Tez No

    561413

    Synthesis and characterization of ZnO based semiconductors with doped rare-earth metals

    Nadir toprak metali katkılı ZnO tabanlı yarıiletkenlerin sentezi ve karakterizasyonu

    MELİKE İMAMOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    KimyaBolu Abant İzzet Baysal Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEVİM DEMİRÖZÜ ŞENOL

Geri Dön