The use of doped ZnO nanomaterials with enhanced optoelectronic properties as an electrode
Optoelektronik özellikleri geliştirilen katkılı ZnO nanomalzemelerin elektrot malzemesi olarak kullanılması
- Tez No: 679212
- Danışmanlar: PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 112
Özet
Bu doktora çalışması kapsamında temel olarak Al katkılı ZnO yarı iletken malzemelerin kristal yapıları, elektriksel iletkenlikleri ve optik geçirgenlikleri gibi temel özelliklerinin geliştirilmesi ve heterokavşak filmlerde geçirgen elektrot malzemesi olarak kullanılmasına odaklanılmıştır. ZnO yarı iletken malzemeler sahip oldukları yüksek optik geçirgenlik ve elektriksel iletkenlik, geniş bant aralığı ve yüksek bağlanma enerjileri sayesinde güneş hücreleri, LED, süperkapasitör, sensör ve transistörler gibi çeşitli elektronik aygıt uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Bu çalışma genel olarak üç aşamadan meydana gelmektedir; ilk olarak çalışmada ZnO ince filmlerin katkısız ve Al katkılandık tan sonra ki elektriksel, optik ve kristal yapısında nasıl değişimlerin meydana geldiği, katkılama konsantrasyonunun artmasıyla filmin yapısında nasıl değişiklikler meydana geldiği incelenmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında, katkılanmış ZnO yarıiletken filmlerin farklı tavlama sıcaklıklarına karşı nasıl tepki gösterdikleri ve bunların karşısında optik geçirgenlik ve elektriksel özelliklerinin nasıl değişimlere uğradığı gösterilmiştir. Üçüncü ve son aşamada ise, ZnO:Al ince filmlerin farklı atmosfer ortamları altında kristal yapıları, optik ve elektriksel özelliklerinde nasıl etkiler meydana geldiği araştırılmıştır. Al katkılı ZnO yarı iletken filmler sol-jel yöntemiyle hazırlandı ve dip ve dönel kaplama yöntemleri ile cam altlıklar üzerine kaplandı. Dip yöntemi ile yapılan kaplamalarda filmlerin yüzey morfolojilerinin daha düzgün olduğu ve yüzeylerde meydana gelen boşlukların (deliklerin) oldukça az olduğu gözlendi. Ayrıca, dip ile yapılan kaplamalarda filmlerin dirençlerinin daha düşük olduğu ve yüzey pürüzlülüğünün daha yüksek olduğu tespit edildi. Bu önemli avantajlarından dolayı dip kaplama yöntemi ile hazırlanan filmlerin daha iyi sonuç vermesi çalışmanın ikinci aşaması olan ZnO:Al /p-Si heterokavşakların hazırlanması sırasında sadece dip kaplama yöntemi ile hazırlanan ZnO:Al ince filmler kullanıldı ve ZnO:Al filmler p-Si üzerine yine dip kaplama yöntemi ile kaplandı. Sol-jel yöntemi ile farklı Al miktarlarında katkılamalar yapılarak, farklı sıcaklık ve atmosfer ortamında hazırlanan filmlerin kristal yapılarının davranışı, elektriksel iletkenlikleri ve optik geçirgenlikleri analiz edildi. ZnO:Al ince filmlerin farklı katkılama oranlarında farklı davranışlar sergilediği, katkılama miktarı arttıkça filmin kristal yapısında bozunmalar meydana geldiği kristal yapı incelemelerinde gözlendi. Ayrıca katkılanmamış ZnO metal oksitlerinin kristal yapıları çok iyi olsalar bile elektriksel iletkenlik noktasında, katkılanmış metal oksitlere göre daha düşük özellikler sergilediği ortaya çıktı. Yapılan deneyler sonucunda kristal yapının en iyi %1'lik katkılama konsantrasyonunda elde edildiği hem kristal yapı incelemesinde hem de yüzey dağılım analizinde tespit edildi. Katkılama miktarı arttıkça filmin yapısında, tanecik boyutlarının farklılık göstermesinden kaynaklanan bozunumlar oluştuğu ve tanecik sınırlarının artmasına yol açtığı gözlendi. ZnO:Al filmlerin hazırlanmasında sıcaklığın çok önemli değişimlere sebep olduğu tavlama öncesi ve sonrası filmlerde karakteristik yapısal değişkenlik meydana geldiği tespit edildi. Özellikle kaplanan her bir tabakanın ardından, oluşturulan film tabakalarına uygulanan ön ısıl işlemin, film tabakalarının birbirine daha iyi entegre olmasına destek verdiği gözlendi. Kaplama sonrası yapılan tavlamalarda, sıcaklığın çok yavaş bir şekilde arttırılması taneciklerin eşit boyutta büyümelerine ve boyut farklılığından meydana gelen bozulmaların azalmasıyla yüzey direncinin azalmasına sebep olduğu görüldü. Tavlama sıcaklığının artmasıyla filmin kristal yapısının arttığı ancak 800°C sonrası sıcaklıklarda filmin yapısının hexagonal yapıdan kübik yapıya dönüştüğü tespit edildi. Ayrıca 550°C ve 600°C'ler de filmin tanecik boyutlarının düşük olması ve tanecik sınırlarının fazla olması, yüzeydeki elektriksel direncin yüksek olmasına sebep olduğu, bu şartlar altında yüzey elektrik direncinin sonuçların en düşük 700°C ve 800°C'de elde edildiği analizler sonucunda gözlendi. Farklı atmosfer ortamlarında yapılan analizlerde, katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmlerin en iyi kristal yapı, optik ve elektriksel özellikleri oksijen ve vakum şartlarında gösterdikleri gözlendi. Sonuçlar değerlendirildiğinde, vakum ortamından kaynaklanan düşük basınçtan dolayı taneciklerin kolay büyüdüğü ve daha iyi elektriksel özellikler sergilediği analiz edildi. Ayrıca, oksijen ortamında yapılan çalışmalarda atomlar arası meydana gelen etkileşmelerden dolayı oksijen ortamında yapılan çalışmalarda filmlerin vakum ortamındaki çalışmalara yakın elektriksel ve optik özellikler sergilediği tespit edildi. Argon ve nitrojen ortamında tavlanan ince filmlerin tanecik boyutlarının küçük olduğu ve film yüzeyinde tanecik sınırlarının artış gösterdiği gözlendi. Böylece katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler düşük elektriksel iletkenlik ve optik geçirgenlik sergilediler. Bu tez çalışmasının ikinci aşamasında sol-jel kaplama yöntemi kullanılarak hazırlanan ZnO:Al ince filmler p-Si altlıklar üzerine kaplanarak diyot amaçlı kullanıma uygun ZnO:Al/p-Si heterokavşak yapılar oluşturuldu. Farklı miktarlardaki Al konsantrasyonu ile, farklı tavlama sıcaklıkları ve atmosfer ortamlarında tavlanan ince filmler ile oluşturulan heterokavşakların optik geçirgenlik ve elektriksel özellikleri incelendi. Geçirgen elektrot olarak işlev gören Al:ZnO ince filmler gelen elektromanyetik dalgaları sahip oldukları frekanslara bağlı olarak blokladı yada p-Si bölgesine geçirdi. Özellikle UV bölgesi aralığında elektromanyetik dalgaların %95 oranında sönümlendiği yada engellediği, diğer taraftan görünür ve kızılötesi bölgesine sahip elektromanyetik dalgaların ZnO:Al geçirgen elektrotu ile etkileşmeden geçerek p-Si bölgesine ulaştığı UV-Vis spektrometresi ile tespit edildi. P-Si bölgesine geçen düşük frekanslı (UV elektromanyetik dalgalarına göre) elektromanyetik dalgaların buradaki elektronlar ile etkileşime girerek elektron-boşluk çiftleri oluşturduğu tespit edildi. ZnO:Al /p-Si ara yüzeyinde meydana gelen etkileşimin yüksek olması ve meydana gelen eşik enerjisinin eğrilmesinin optimum seviyede olması, elektronların p-Si bölgesinden ZnO:Al bölgesine geçmesine ve boşlukların geçişini sınırlamasına, aynı şekilde ZnO:Al bölgesinde meydana gelen boşlukların p-Si bölgesine geçmesine ve elektronların geçişini sınırlamasını sağladığı gözlendi. Sonuç olarak, sol-gel dip kaplama yöntemiyle hazırlana ZnO:Al ince filmlerinin farklı Al katkılama, tavlama sıcaklık ve atmosfer ortamında yüksek kristal yapı, optik geçirgenlik, ve elektriksel iletkenlik sergiledikleri ve bu özelliklere sahip filmlerin heterokavşaklarda geçirgen elektrot olarak kullanılması gerçekleştirildi. Elde edilen çalışmada %1 Al katkılama ile oksijen ve vakum atmosferleri altında, 700°C ve 800°C tavlama sıcaklığında hazırlanan filmlerin en iyi kristal yapıya sahip oldukları, en yüksek optik geçirgenlik ve elektriksel iletkenlik sergiledikleri deneysel olarak gözlendi.
Özet (Çeviri)
In this thesis, the structural characteristics of ZnO:Al thin film have been modified for its improvement of optical parameters and electrical properties to applying in optoelectronic devices. ZnO:Al thin film has presented optimum properties for optoelectronic applications such as photovoltaic solar cells, transparent conductors, semiconductor heterojunctions due to the improvement of its optical model and energy band gap. The optical parameters have been improved with Al concentration to exploit ZnO:Al thin film due to the enhancement of electronic properties as semiconductor materials in diode technology. The refractive index and extinction coefficient were changed slightly due to the increase of Al concentration. The examinations of extinction coefficient (k) and refractive index (n) have presented the importance to use this cost-effective thin film in the semiconductor devices. For this purpose, the main objective of this research to focuses on investigation structural, optical, and electrical properties of ZnO thin films as a transparent layer for thin films. This research focused on three interrelated topics in this dissertation; i) different Al doping concentration, ii) pre-post annealing temperature, and iii) various annealing ambient showed important impact on structural, optical, and electrical properties of ZnO metal oxides. Pure and Al-doped ZnO thin films were deposited on the glass substrates by sol-gel dip and spin coating techniques. During the study, the influence of the techniques compared on the ZnO:Al films structural and optoelectronic features. The films were prepared by dip coating technique provided lower sheet resistivity and higher surface roughness. Due to the better optoelectronic result of the dip coating technique, the ZnO:Al /p-Si heterojunction films were prepared by sol-gel dip coating technique. Various different techniques applied to characterized ZnO:Al thin films structural, optical, and electrical properties for analyzing doping concentration, pre-post annealing effects, and different annealing ambient conditions. Controlling doping concentration, pre and post annealing temperature, and ambient condition provided high quality crystal structure (hexagonal wurtzite structure), lowest grain boundaries and sheet resistivity (oxygen and vacuum ambient) and lowest lattice defects and good surface roughness (at 700°C and 800°C). Al doped ZnO thin films were deposited on p-Si substrate to preparing ZnO:Al/p-Si heterojunction films for optoelectronic applications. Al doped ZnO played a critical role in the heterojunction films as a transparent electrode layer. ZnO:Al films show high transparency (%85), low absorption in the visible-infrared region where electromagnetic waves and atoms displayed lowest interaction, large band gap (~3.37eV) which only absorb high frequency electromagnetic waves in the UV region, and high rectification ratio (good rectifying behavior) with p-Si. Additionally, ZnO:Al/p-Si heterojunction films show good compatible at interface and tune band bending.
Benzer Tezler
- Hidrotermal yöntem ile üretilmiş bor katkılı ZnO nanomalzemelerin yapısal ve optik özelliklerinin araştırılması
Investigation of structural and optical properties of boron doped ZnO nanomaterials produced by hydrothermal method
BÜŞRA AYTEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji MühendisliğiFırat ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NİDA KATI
- Hydrothermal growth of ZnO nanowires enhanced characteristic properties
ZnO nanotellerin karakteristik özellikleri iyileştirilerek hidrotermal olarak büyütülmesi
ÜMÜŞ HALE TUĞRAL ARSLAN
Doktora
İngilizce
2020
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CÜNEYT ARSLAN
PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN
- İçme suyunun polimerik nanokompozit membranlar ile arıtımı
Treatment of drinking water with nanocomposite membranes
ZEYNEP ÜSTKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Kimya MühendisliğiSakarya ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURTAÇ ÖZ
- Metal/ametal katkılı ZnO nano taneciklerin sentezleri, fotokatalitik aktivitedeki ve boya duyarlı güneş hücrelerindeki performansları
Synthesis of metal/nonmetal doped ZnO nanoparticles, their performances in photocatalytic activity and in dye sensitized solar cells
MOHAMMAD SUTAIF
- Çinko nanotanecik içeren polimer nanokompozit malzeme üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of polymer nanocomposite materials incorporated zno nanoparticles
ALEV AKBAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADRİYE KÜÇÜKBAYRAK OSKAY