Effect of RF magnetron sputtering parameters on electrochromic properties of nickel oxide thin films
RF magnetron sıçratma parametrelerinin nikel oksit ince filmlerin elektrokromik özelliklerine etkisi
- Tez No: 684283
- Danışmanlar: PROF. DR. ESRA ZAYİM, DOÇ. DR. MUSTAFA ALTUN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
Mimari yapılarda kaybedilen enerjinin büyük bir kısmı camlardan kaynaklandığı için akıllı cam sektöründeki gelişmeler son yıllarda hız kazanmıştır. Akıllı camlar sıcaklık, potansiyel fark ve elektromanyetik radyasyon gibi dış uyaranların etkisi altında optik özelliklerini değiştiren malzemelerden oluşmaktadır. Elektrokromik camların en çok tercih edilen akıllı cam uygulamaları olmasının nedeni, uygulanan küçük bir voltajın oluşturduğu elektrik alanı ile optik özelliklerde tersinir ve sürdürülebilir bir değişim olmasıdır. Elektrokromik akıllı camlar şeffaf iletken oksit katman, elektrokromik katman ve iyon iletken katman olmak üzere birkaç ince film katmanından oluşmaktadır. Günümüzde farklı konfigürasyonlara sahip akıllı camlar bulunsada, en genel haliyle elektrokromik akıllı cam bu ince film katmanlarını içeren yedi katmandan oluşmaktadır. Şeffaf iletken oksit katman, akıllı camın çalışması için gerekli olan elektrik potansiyelinin uygulanabileceği iletken katmandır. Elektrokromik akıllı camlar, şeffaf iletken katman üzerine biriktirilmiş, birbirine zıt yükseltgenme/indirgenme tepkimeleri ile optik özelliklerini değiştiren iki elektrokromik ince filmin, organik ya da inorganik malzeme içerikli bir iyon iletken katman olan elektrolit ile lamine edilerek oluşturulmaktadır. Elektrokromik katmanlar cihazın optik özelliklerinde değişime neden olan katmanlardır. Bu katmanların yapısal, morfolojik, optik ve elektrokimyasal özelliklerinin optimizasyonu ile akıllı cam performansının değerlendirilmesinde önemli olan görünür bölgedeki optik modülasyon, renklendirme verimliliği ve uzun süreli dayanıklılık gibi özellikler iyileştirilebilir. Elektrokromik katmanlar anodik ve katodik olmak üzere iki ayrı grupta incelenebilirler. Akıllı cam katmanlarından biri olan anodik elektrokromik ince film, akıllı camlarda iyon depolama ve optik modülasyon iyileştirme özellikleri nedeniyle uzun yıllardır araştırmacılar tarafından detaylı olarak incelenmektedir. Bu katman için en yaygın olarak kullanılan malzemelerden biri nikel oksit ince filmlerdir. Bu ince filmlerin üretimi için fiziksel ve kimyasal olmak üzere farklı kaplama yöntemleri kullanılmaktadır. Ancak, bu kaplama türleri arasından RF magnetron sıçratma tekniği, ticarileşme potansiyeli, yaygın kullanımı ve sıçratma parametrelerinin kolay değiştirilebilirliği gibi avantajlarından dolayı elektrokromik aygıtların üretiminde tercih edilen bir yöntemdir. RF magnetron sıçratma tekniğinde sıçratma parametrelerinin değişimi, ince filmlerin özelliklerini etkilemektedir. Yüzey porozitesinin geçiş metal oksitlerinden meydana gelen ince filmlerin elektrokromik özellikleri üzerindeki önemli etkisi literatürde incelenmiştir. Ancak RF magnetron sıçratma tekniği ile biriktirilen nikel oksit ince filmlerin sıçratma parametrelerine bağlı olarak yüzey porozitesinin, elektrokromik özelliklerine etkisi detaylı olarak çalışılmamıştır. Bu tez çalışmasında, indiyum kalay oksit (ITO)/cam altlıklar üzerine biriktirilen nikel oksit ince filmlerinin RF magnetron sıçratma yöntemi ile sıçratma parametrelerine bağlı olarak optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla farklı oksijen kısmi basınçlarında, RF sıçratma güçlerinde ve basınçlarında ince filmler hazırlanmıştır. Değişen RF sıçratma parametrelerine bağlı olarak NiO ince filmlerin yapısal, morfolojik, optik ve elektrokromik özelliklerindeki değişimler detaylı olarak incelenmiştir. Nikel oksit ince filmin yapısal özellikleri x-ışını kırınımı (XRD) ile incelenmiştir. Filmlerin yoğunluğunu bulmak için x-ışını reflektometrisi (XRR) kullanılmıştır. Filmlerin yüzey morfolojileri atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile, optik özellikleri ise elipsometri ve spektrofotometri ile araştırılmıştır. Farklı sıçratma koşullarında saydam iletken oksit altlıklar üzerine biriktirilen nikel oksit ince filmlerin, yüzey poroziteleri belirlenmiştir. Filmlerin elektrokimyasal özellikleri çevrimsel voltametri (CV) ve kronoamperometri (CA) ile detaylı olarak incelenmiştir. Çalışmada, RF magnetron sıçratma parametreleri olan oksijen kısmi basıncı, sıçratma gücü ve sıçratma basıncı kontrollü bir şekilde değiştirilmiştir. Çalışma boyunca kaplanan ince filmlerin kalınlıkları 150±30 nm civarında sabit tutulmuştur. Tüm deneyler oda sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. Kaplamalar yapılırken hedef altlık mesafesi sabit tutulmuştur. Yapılan ön deneylerde, oksijen kısmi basıncı %0 ile %100 aralığında değiştirilerek sputter kaplama oranının değişimi incelenmiştir. Bu değişim ile tamamen oksitlenmiş nikel oksit ince filmler kaplamak için oksijen kısmi basınç aralığı %50 ile %90 olarak belirlenmiştir. İlk deney setinde, oksijen kısmi basıncının yani plazma içine katılan reaktif oksijen gazı içeriğinin (O2/O2+Ar) nikel oksit ince filmlerin elektrokromik özelliklerine etkisi incelenmiştir. Oksijen içeriği %50, 60, 75 ,90 olacak şekilde kaplamalar yapılmıştır. Kaplamalar 60 W sabit sıçratma gücü ve 13 mTorr sabit çalışma basıncında gerçekleştirilmiştir. Kaplanan nikel oksit ince filmler için yapılan detaylı karakterizasyonlar sonucunda, %90 oksijen içeriği ile kaplanan filmlerin en iyi elektrokromik özelliği sergiledikleri tespit edilmiştir. En iyi elektrokromik özelliklere sahip nikel oksit ince filmlerin elde edildiği oksijen miktarına karar verildikten sonra, sıçratma gücünün nikel oksit ince filmlerin elektrokromik özelliklerine etkisini incelemek amacıyla 60, 75, 90, 105 W güçlerinde kaplamalar yapılmıştır. Sıçratma gücünün etkisini incelemek için oksijen içeriği %90 ve sıçratma basıncı 13 mTorr olarak sabit tutulmuştur. Farklı sıçratma güçlerinde kaplanan nikel oksit ince filmler için yapılan karakterizasyonlar sonucunda 90 W sıçratma gücü ile kaplanan filmin en iyi elektrokromik özellikleri sergilediği belirlenmiştir. En iyi elektrokromik özelliklere sahip nikel oksit ince filmlerin elde edildiği sıçratma gücüne karar verildikten sonra, sıçratma basıncının nikel oksit ince filmlerin elektrokromik özelliklerine etkisini incelemek amacıyla 13, 15, 17 ve 25 mTorr'da kaplamalar yapılmıştır. Oksijen içeriği %90 ve sıçratma gücü 90 W olarak sabit tutulmuştur. Farklı sıçratma basınçlarında kaplanan nikel oksit ince filmler için yapılan karakterizasyonlar sonucunda 13 mTorr sıçratma basıncı ile kaplanan filmin en iyi elektrokromik performans sergilediği tespit edilmiştir. Nikel oksit diğer anodik elektrokromik malzemeler arasında en çok çalışılan malzeme olmasına rağmen bu tez çalışması, RF magnetron sıçratma parametrelerinin nikel oksit ince filmlerin yüzey belirleme konusun porozitesine bağlı elektrokromik özellikleri üzerindeki etkisini da literatüre katkı sağlamıştır.
Özet (Çeviri)
Since a high proportion of the energy lost in architectural structures is due to windows, developments in the smart glass industry have accelerated in recent years. The reason why electrochromic glasses are the most preferred smart glass applications is that there is a reversible and sustainable change in optical properties with the electric field created by a small applied voltage. These glasses have a structure consisting of layers with different properties. By optimizing the layers with different properties that build up smart glasses, features such as optical modulation in the visible region, coloring efficiency and long-term durability, which are important in evaluating smart glass performance, can be improved. One of the layers, anodic electrochromic thin film, has been studied in detail by researchers for many years due to its ion storage and optical modulation improvement properties in smart glasses. One of the most commonly used materials for this layer is nickel oxide thin films. RF magnetron sputtering technique is a preferred method in the production of electrochromic devices due to its advantages such as commercialization potential, widespread use and ease of change in sputtering parameters. The significant effect of surface porosity on the electrochromic properties of transition metal oxides has been studied in the literature. However, the effect of surface porosity on electrochromic properties of nickel oxide thin films deposited by RF sputtering technique, depending on sputtering parameters, has not been studied in detail. In this thesis, the optimization of nickel oxide thin films deposited on ITO/glass substrates was performed by RF magnetron sputtering method, depending on sputtering parameters. For this purpose, thin films were prepared at different oxygen partial pressures, RF sputtering powers and pressures. Depending on the variations in RF sputtering parameters, the changes in their structural, morphological, optical and electrochromic properties were examined in detail. The structural properties of the nickel oxide thin film were investigated by x-ray diffraction (XRD). X-ray reflectometry (XRR) was used to determine the density of the films. The surface morphologies of the films were investigated by atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM), and their optical properties were investigated by ellipsometry and spectrophotometry. Surface porosities of nickel oxide thin films deposited on transparent conductive oxide substrates under different sputtering conditions were determined. The electrochemical properties of the films were investigated in detail by cyclic voltammetry (CV) and chronoamperometry (CA). In the study, oxygen partial pressure, sputtering power and pressure, which are RF magnetron sputtering parameters, were changed in control. The thickness of the thin films deposited throughout the study was kept constant at around 150±30 nm. All experiments were performed at room temperature and at a fixed target substrate distance. In order to examine the effect of oxygen partial pressure, that is, the reactive oxygen gas content (O2/O2+Ar) in the plasma, on the electrochromic properties of nickel oxide thin films, coatings were made with an oxygen content of 50, 60, 75,90%. The coatings were performed at 60W constant sputtering power and 13mTorr constant working pressure. As a result o f detailed characterizations, it was determined that the films coated with 90% oxygen content exhibited the best electrochromic properties. After deciding on the amount of oxygen, coati ngs with powers of 60, 75, 90, 105W were made in order to examine the e ffect of sputtering power on the electrochromic properties of nickel oxide thin films. To examine the effect of sputtering power, the oxygen content was kept constant at 90% and the spu ttering pressure at 13mTorr. As a result of the characterizations, it w as determined that the film coated with 90W sputtering power exhibited the best electrochromic properties. After deciding on the splash power, coatings were made at 13, 15, 17 and 25 mT orr in order to examine the effect of the sputtering pressure. As a res ult of the characterizations, it was determined that the film coated with 13 mTorr sputtering pressure exhibited the best electrochromic performance. Although nickel oxide is the most s tudied material among other anodic electrochromic materials, this thesi s has contributed to the literature in determining the effect of RF magnetron sputtering parameters on the electrochromic properties of nickel oxide thin films due to surface porosity.
Benzer Tezler
- Role of growth parameters on electrochromic behavior of tungsten oxide thin films grown by RF magnetron sputtering
Büyütme parametrelerinin RF magnetron sıçratma ile büyütülmüş tungsten oksitin elektrokromik davranışına etkisi
DUYGU NUHOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ESRA ÖZKAN ZAYİM
- Reaktif RF magnetron kopartma yöntemi kullanılarak hazırlanan WO3 ince filmlerin optik, yapısal ve elektrokromik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of optical, structural and electrochromic properties of WO3 thin films prepared by reactive RF magnetron sputtering method
SELEN DEMİREL
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Fizik ve Fizik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiNanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÖZLEM DUYAR COŞKUN
- RF magnetron kopartma tekniği ile büyütülen LiCoO2 ince filmlerin optik, elektrokromik ve yapısal özelliklerinin incelenmesi
The investigation of optical, electrochromic and structural properties of LiCoO2 thin films grown by RF magnetron sputtering
BUĞRAHAN ERBAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Fizik ve Fizik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZLEM DUYAR COŞKUN
- NiO ince film bazlı elektrokromik kaplama/cihaz tasarımı, hazırlanması ve karakterizasyonu
Design, preparation and characterization of electrochromic coating/device based on NiO thin film
GAMZE ATAK
Doktora
Türkçe
2017
Fizik ve Fizik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZLEM DUYAR COŞKUN
- Galyum katkılı çinko oksit ince filmlerin karakterizasyonu ve üretim parametrelerinin ince filmlere olan etkilerinin incelenmesi
Characterization of gallium doped zinc oxide thin films and investigation of the effect of growth parameters on the thin films
ENVER KAHVECİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Bilim ve TeknolojiHacettepe ÜniversitesiNanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ BETÜL KAYNAK