Geri Dön

Synthesis of TiO2 nanorods by hydrothermal method and their opto-electronic device applications

TiO2 nanoçubukların hidrotermal yöntemiyle sentezi ve opto-elektronik aygıt uygulamaları

PDF İndir

  1. Tez No: 520399
  2. Yazar: ÖZGE GÜLLER
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. HAKAN KARAAĞAÇ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Enerji, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Energy, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 76

Özet

Günümüzde küresel ölçekte karşılaşılan en büyük problemlerden biri ucuz, temiz, güvenilir ve kolay elde edilebilen enerji kaynağı eksikliğidir. Özellikle artan nüfus, şehirleşme ve endüstrileşme pek çok yıldır fosil yakıtlarla karşılanan enerji gereksiniminin daha da artmasına neden olmaktadır. Fosil yakıtların kullanımı, zararlı maddelerin salınmasından, endüstriyel atıkların havaya ve suya karışmasına, kirlilikten kaynaklı hastalıkların artmasından, küresel ısınmaya ve anormal hava değişimlerinin meydana gelmesine kadar birçok önemli problemi beraberinde getirmektedir. Tüm bu nedenler, çevreyle uyumlu, temiz, güvenilir ve sürdürülebilir kimyasal teknolojilerin ve malzemelerin geliştirilmesini ve yaygınlaştırılmasını çok önemli hale getirmektedir. Son yıllarda, sahip olduğu geniş yasak enerji bant aralığı, yüksek kimyasal kararlılık, kristal faz yapısı, yüzey ve morfolojik özellikleri, düşük maliyetli ve çevreye zararsız oluşu nedeniyle titanyum-dioksit (TiO2) en iyi foto-katalitik ve fotovoltaik performans gösteren malzemelerin başında yer alır. Sahip olduğu üstün optiksel, elektriksel ve foto-elektrokimyasal özelliklerinden dolayı TiO2, boya duyarlı güneş pilleri, süperhidrofobik/süperhidrofilik yüzeyler, data depolama cihazları, lityum piller, medikal uygulamalar, gaz sensörleri, foto-katalizler ve süperkapasitörler gibi çok çeşitli alanlarda uygulama potansiyeline sahiptir. Son zamanlarda TiO2'in, özellikle düşük fiyata yüksek performanslı opto-elektronik aygıtların inşasında tek boyutlu yapı olarak kullanımı oldukça ön plana çıkmaktadır. Tek boyutlu yapıya dayalı opto-elektronik aygıtların güç dönüşüm verimliliği geleneksel ince filme dayalı olanlara oranla önemli ölçüde fazladır. Bunun nedeni; tek boyutlu yapının yüzey-hacim oranının fazla olması, elektrotlara yük taşınımını geliştirmesi, ışık absorblama ve yük toplama yeteneğinin fazla olması olarak gösterilebilir. Tüm bu nedenlerden dolayı, tek boyutlu yapı olan TiO2 nanoçubukların opto-elektronik uygulamalarda kullanımına olan ilgi giderek artmaktadır. TiO2 nanoçubukların sentezlenmesinde çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Ancak bu yöntemlerin arasından hidrotermal yöntemi, diğer yöntemlere oranla daha basit, uygun maliyetli ve kontrol edilebilir olmasından dolayı ön plana çıkmaktadır. Sonuç olarak, çeşitli opto-elektronik aygıt uygulamalarında kullanılmak üzere, hidrotermal yöntemi ile büyütülen TiO2 nanoçubukların, sentezleme mekanizmasını anlamak ve morfolojik özellikleri üzerinde kontrol sağlayabilmek bu uygulamalarda verimi artırmak için büyük bir önem arz etmektedir. Bu çalışmada başlıca, hidrotermal yöntemi kullanılarak farklı büyütme parametreleri altında TiO2 nanoçubukların sentezlenmesine odaklanılmıştır. Uygun geometri ve fiziksel boyutlarda TiO2 nanoçubukların sentezlenmesi yüksek verimlilikte güneş pilleri ve fotodedektör gibi opto-elektronik aygıtların üretilmesinde son derece büyük bir önem taşımaktadır. Bu nedenle, reaksiyon başlatıcı malzeme konsantrasyonu, asit konsantrasyonu, büyütme sıcaklığı ve büyütme zamanı gibi büyütme parametrelerinin, büyütülen TiO2 nanoçubukların fiziksel ve optiksel özellikleri üzerine etkileri sistematik bir şekilde detaylıca incelenmiştir. Taramalı elektron mikroskobu görüntüleri aracılığıyla, sentezlenen TiO2 nanoçubukların uzunluk, çap, yoğunluk ve alttaş üzerindeki dağılımları gibi morfolojik özelliklerinin, büyütme parametreleri değiştirilerek ayarlanabildiği açıkça gösterilmiştir. X-ışını kırınım analizi aracılığıyla, gözlemlenen yansıma pikleri ile veri tabanında bulunan ICDD kartları karşılaştırılmış, bunun sonucunda üretilen TiO2 nanoçubukların rutil kristal faza sahip olduğu gösterilmiştir. Sentezlenen TiO2 nanoçubukların optiksel karakteristiğini araştırmak için 300-1000 nm dalga boyu aralığında geçirgenlik ve yansıtma ölçümleri yapılmıştır. Tüm sonuçlar ele alındığında, sentezlenen TiO2 nanoçubuklar için optimum parametreler belirlenmiş ve bu değerlerle üretilen TiO2 nanoçubukların yüksek performanslı opto-elektronik aygıtların ucuz maliyetle üretilebilmesi için önemli ölçüde potansiyele sahip olduğu gösterilmiştir. Nanoçubukların yanı sıra hidrotermal yöntemi aracılığıyla farklı tipteki oldukça önemli nanoyapıların üretilmesi de mümkündür. Bu amaçla, bu çalışmada, hidrotermal tekniği kullanılarak iki ayrı sentezleme işlemi sonucunda TiO2 nanotüplerin üretilebildiği gösterilmiştir. Nanotüp üretmek için ilk aşama olarak nanoçubuklar sentezlenmiştir. Ardından ikinci aşama olarak üretilen nanoçubuklar reaksiyon başlatıcı malzeme eklenmeden hazırlanan büyütme solüsyonunda uzun süre fırınlanmış ve bu sayede nanoçubukların asitle oyulması sağlanmıştır. Ayrıca, nanoçubuk büyütme parametreleri arasından sıcaklık parametresi değiştirilerek içi oyuk mikroküre oluşturulabildiği gözlemlenmiştir. Üretilen nanotüp ve içi oyuk mikroküreler SEM aracılığıyla görüntülenmiş ve oluşum mekanizmaları detaylıca tartışılmıştır. Sentezleme işlemlerinin ardından, optimize edilen TiO2 nanoçubuklar kullanılarak, performanslarını test etmek amacıyla farklı opto-elektronik aygıt yapıları oluşturulmuştur. Bilindiği gibi TiO2 nanoçubuklar, hızlı yanıtlama ve yüksek duyarlılık gibi özellikleri sağlamasından dolayı yüksek performanslı UV foto-dedektörlerin üretimi için özellikle uygundur. Ayrıca TiO2 malzemesi, sahip olduğu üstün optiksel ve elektriksel özelliklerinin yanı sıra tek boyutlu nanoyapının sağladığı yüksek elektron-deşik ayrımı yapabilme yeteneği, büyük yüzey/hacim oranı ve O2 absorblaması aracılığıyla deşikleri tuzaklayabilme gibi özelliklerinden dolayı UV absorblama karakteristiği için oldukça dikkat çekici bir malzeme haline gelmektedir. Optimize edilmiş TiO2 nanoçubukların bir uygulaması olarak, TiO2 nanoçubukların üzerine termal buharlaştırma ile gümüş (Ag) metalik üst kontak atılarak Şotki-tip UV fotodedektör üretilmiştir. Ag/TiO2 nanoçubuklara dayalı şotki tip fotodedektörün akım yoğunluğu-gerilim (J-V) karakteristiği aydınlık ve karanlık koşullar altında değerlendirilmiştir. Karanlık koşullar altında, aygıtın doğrultma davranışı farklı voltaj polariteleri için ölçülmüş ve ölçüm sonuçlarına göre TiO2 ve Ag arasında Şotki bariyerin oluştuğu tespit edilmiştir. Ayrıca, oluşturulan Şotki tip UV fotodedektör için spektral cevaplama ve zamansal cevaplama karakteristiği detaylıca incelenmiştir. Sonuçta, üretilen fotodedektörün performansının çoğu ticari fotodedektörün performansından yüksek olduğu görülmüştür. Ayrıca TiO2 nanoçubuklar, güneş hücreleri uygulamalarında hızlı elektron iletebilme yeteneği, yüksek ışık absorblama yeteneği, yüksek yüzey/hacim oranı, yüksek kararlılık ve düşük maliyet gibi özelliklerinden dolayı büyük avantajlar sağlamaktadır. Bu nedenle, diğer bir uygulama olarak sentezlenen TiO2 nanoçubuklar, çekirdek-kabuk yapılı FTO/TiO2 nanoçubuklar/p-CdTe heteroeklemli güneş pilinin bir prototipini üretmek için kullanılmıştır. Optimize edilen TiO2 nanoçubuklar, CdTe katmanı ile nanoçubukların etrafını homojen olarak saracak şekilde kaplanmıştır. Kaplamanın ardından oluşturulan yapı, CdCl2 kimyasal işleminden geçirilmiş ve alt kontak kaplanarak güneş hücresi yapısı inşa edilmiştir. Üretilen güneş hücresinin, 350-1000 nm dalga boyu aralığında morötesi-görünür-yakın kızılötesi ışık absorblama spektrumu incelenmiştir. Absorblama spektrumunda görülün ani değişim noktalarının TiO2 ve CdTe'nin yasak enerji bant aralığı ile ilişkili olduğu görülmüş, bu nedenle çekirdek-kabuk yapısındaki her iki malzemenin de absorblamaya katkısı olduğu önerilmiştir. Ayrıca, üretilen güneş hücresinin fotovoltaik performansını göstermek için karanlık ve standart aydınlatma koşulları (AM 1.5) altında J-V karakteristiği incelenmiştir. Yapılan incelemeler sonucunda, karanlık koşullar altında TiO2 nanoçubuklar ile CdTe arasında p-n eklem oluştuğu tespit edilmiştir. Standart aydınlatma koşulları altında elde edilen J-V karakteristiğinden, üretilen güneş hücresinin güç dönüşüm verimliliğinin %0.42 olduğu tespit edilmiştir. Bu değerin, CdCl2 kimyasal işlemi yapılmadan üretilen güneş hücresinin verim değerinden 3.5 kez daha büyük olduğu görülmüştür. Tüm değerlendirmeler sonucunda TiO2 nanoçubukların, UV fotodedektör ve 3. nesil inorganik güneş pilleri gibi optoelektronik aygıtların düşük maliyetle üretilmesinde ve yüksek performans göstermesinde büyük bir potansiyele sahip olduğu gösterilmiştir.

Özet (Çeviri)

Titanium dioxide (TiO2) is one of the most significant semiconductor materials due to its excellent physical, chemical properties which allows to be employed for many applications. Its superior features and suitability for various applications stems from its wide band gap, crystalline phase structure, dimension, surface feature, chemical stability, morphology and low manufacturing cost. Recently, therefore, TiO2 nanorods (NRs) have attracted wide range of attention as one-dimensional material for a wide range of device applications including supercapacitors, dye sensitized solar cells, superhydrophobic/superhydrophilic surfaces, data storage devices, medical engineering, lithium batteries, and gas sensors. Although there are various synthesis techniques, hydrothermal method come into prominence for the synthesis of TiO2 NRs since it is a relatively simple, cost effective and controllable technique. In this thesis, thus, it has been mainly focused on the synthesis of TiO2 NRs via hydrothermal method under various growth parameters. It is a well-known fact that to employ hydrothermally grown TiO2 NRs in many opto-electronic device applications, the understanding of synthesis mechanism and the control over their morphological features would play a significant role. In this regard, each growth parameter such as acidity, precursor concentration, growth temperature and growth time were systematically studied in detail. For fabricated TiO2 nanorods, the scanning electron microscopy (SEM) images have clearly revealed that the length, diameter, density and distribution of TiO2 NRs on the substrate can be tuned by changing growth parameters. X-ray diffraction (XRD) analysis has shown the presence of a rutile crystal phase of fabricated TiO2 NRs which is deduced by comparing the observed reflection peaks with the ICDD (international center of diffraction data) cards in database. For the investigation of optical characteristic of synthesized TiO2 NRs, transmittance and reflectance measurements have been conducted in the 300-1000 nm wavelength range. The parameters of samples having less transmittance and less reflectance have determined, which is essential features for opto-electronic devices converted of light energy to electrical energy. Taken together the results, the optimum parameters for synthesis TiO2 NRs were determined, which can be employed for the fabrication of high performance opto-electronic devices in a cost effective way. Moreover, the hydrothermal growth parameters have efects on formation of very special structures such as nanotube and urchin-like structure as well as morphological properties of nanostructures. In this study, it was also shown that nanotubes and the spherical hollow TiO2 structure based on urchin-like structure could be produced by using hydrothermal method. Nanotubes were fabricated at two different steps including growth and etching of nanorods. The spherical hollow TiO2 structures were constructed by coalescence of urchin-like nanorods via hydrolysis reactions at high temperature. The morphological features of these different fabricated structures was also investigated by SEM images. The fabrication of such different nanostructures offer promising potential to construct high-performance opto-electronic devices. Following the synthesis process, a few device structures based on the optimized TiO2 NRs were constructed to test their performance for different opto-electronic applications. It is a well-known fact that TiO2 NRs are especially suitable for the construction of high performance visible/infrared blind ultra violet (UV) photodetectors (PDs) due to their unique properties such as large surface to volume ratio, high electron-hole separation efficiency, hole trapping by O2 adsorption and having a large band gap. As an application of the optimized TiO2 NRs, a Schottky-type UV PD was fabricated by thermally evaporating silver (Ag) metallic top contact onto TiO2 NRs. The current density- voltage (J-V) characteristics of Ag/TiO2 NRs based Schottky type PD were investigated under illuminated and dark conditions. Under dark condition, the J-V characteristic has confirmed the formation of a Schottky barrier between Ag and TiO2, deduced from the rectifying behavior of the device measured under different voltage polarities. In addition, the spectral photoresponse and the photoresponse vs. time characteristics of the constructed Schottky type- UV PD have been studied in detail, exhibited a high gain under a illumination beam consisted of photons matching the band gap of the TiO2. The synthesized TiO2 NRs were also employed for the fabrication of a core-shell FTO/TiO2-NRs/p-CdTe structured heterojunction solar cell. The results have shown that the constructed solar cell exhibits photovoltaic behavior with a power conversion efficiency of 0.42% (under AM 1.5G), which is the record efficiency reported so far for the same materails combination and device architecture.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    577045

    Nano-fotokatalitik malzeme üretimi, karakterizasyonu ve fotokatalitik performans incelemesi

    The production and characterization of nano-photocatalytic materials and investigation of their photocatalytic performances

    EMRE ALP

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI

    DOÇ. DR. AZİZ GENÇ

  2. Tez No

    409760

    Synthesis of nanomaterials for photovoltaic systems

    Fotovoltaik sistemler için nanomalzeme üretimi

    SELEN EZGİ ÇELİK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    EnerjiYıldız Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HANİFİ SARAÇ

  3. Tez No

    591141

    MXOY(M=Ti, Si, Zn, Al) kaplanmış VO2 nanoçubukların sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of MXOY(M=Ti, Si, Zn, Al) coated VO2 nanorods

    MUHAMMED CİHAD KÜÇÜKARSLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Fizik ve Fizik MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZLEM DUYAR COŞKUN

  4. Tez No

    337119

    Nanoboyutta şekilli karışık oksitlerin hazırlanması ve fotokatalitik aktivitelerinin incelenmesi

    Synthesis of nanosize mixed oxides of distinct shapes and investigation of their photocatalytic activities

    ÖZGE KERKEZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL BOZ

    DOÇ. DR. SERKAN NACİ KOÇ

  5. Tez No

    910952

    Gümüş ve nikel katkılı çinko oksit (ZnO) nanoçubukların üretimi, karakterizasyonu ve uygulama alanlarının araştırılması

    Fabrication, characterization and investigation of application areas of silver and nickel doped zinc oxide (ZnO) nanorods

    HATİCE ADIGÜZEL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİnönü Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NECMETTİN KILINÇ

Geri Dön