Development and characterization of transparent conductive oxide semiconductors via sol-gel dip coating method
Sol-jel daldırarak kaplama yöntemi ile saydam iletken oksit yarıiletkenlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
- Tez No: 884127
- Danışmanlar: PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: p-type semiconductor, nickel oxide (NiO), sol-gel dip coating, gamma radiation
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 105
Özet
Bu çalışma kapsamında saydam iletken nikel oksit (NiO) ince filmlerin sol-jel daldırarak kaplama yöntemiyle verimli bir şekilde üretilmesi ve üretilen ince filmlerin yapısal, elektriksel, optik ve yüzey özelliklerinin incelenmesi amaçlanmış daha sonra iyonize edici elektromanyetik radyasyonun bu filmler üzerindeki etkisinin araştırılmasına odaklanılmıştır. İlk olarak iki farklı beherde NiO solüsyonları, diethanolamine (DEA) ve monoethanolamine (MEA) stabilizörleri kullanılarak sentezlenmiştir. Sentezlenen solüsyonlar, solüsyonun yaşlanma işlemi tamamlandıktan sonra, daldırarak kaplama yöntemiyle alttaş malzemeler üzerine, 5, 10 ve 15 katmanlı olacak şekilde kaplanmış ve 450°C'de, 1, 1.5, 2.5 ve 3 saat olarak tavlama işlemi gerçekleştirilmiştir. Üretilen filmlerin mikroyapısal, morfolojik ve optoelektronik özelliklerini gözlemlemek için X-ray difraksiyon (XRD), UV-Vis spektroskopi, 4-nokta prob, yüzey profilometre ve temas açısı değerleri ölçülmüştür. İnce filmler daha sonra gama radyasyonuna maruz bırakılarak, radyasyonun bu filmler üzerindeki etkileri gözlenmek istenmiştir. Radyasyona uğrayan filmler için tekrar XRD, UV-Vis spektroskopi, 4-nokta prob ve temas açısı değerleri ölçülmüş, bunlara ek olarak, Raman spektroskopi, Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ölçümleri de incelenmiş ve elde edilen değerler filmlerin kendi aralarındaki değişimlerle karşılaştırılmıştır. Sol-jel yönteminin farklı yüzeylere uygulanabilirliğinin kolay olması, düşük sıcaklıklarda çalışılmasına olanak vermesi, maliyet-etkin bir yöntem olması, laboratuvar uygulamalarının yanında endüstri uygulamalarına da uygun olması bu yöntemin seçilmesinde etkin olmuştur. Daldırarak kaplama yönteminin ise basit bir metod olması, atık malzeme oluşturmaması ve homojen bir kaplama yapılmasına olanak vermesi kaplama tekniği olarak seçilmesini sağlamıştır. Yüzey profilometre ölçüm sonucunda, filmlerin kalınlıklarının, 5 katman, 10 katman ve 15 katman (DEA (90 dk, 180 dk) ve MEA (150 dk)) için sırasıyla 38 nm, 219 nm, 591 nm, 358 nm ve 321 nm olduğu bulunmuştur. Bu filmlerin optik geçirgenlik değerleri de kalınlık arttıkça yine kalınlıkla ters orantılı olarak azaldığı, 5 katlı filmde bu oranın %67 olduğu, diğer filmlerde değerlerin birbirine çok yakın olup %40 olduğu bulunmuştur. Stabilizör tipinin veya tavlama süresinin optik geçirgenlik değerleri üzerinde etkisinin az olduğu belirlenmiştir. Filmlerin enerji bant aralıkları hesaplanmış ve 3,66±0,1 – 3,90±0,1 eV değerlerinde değiştiği bulunmuştur. Özdirenç değerlerine bakıldığında en düşük özdirenç düzeyi 0,266*10-2 Ω.cm değeri ile 5 katlı filmde görülürken, en yüksek özdirenç seviyesi 15 katlı filmde (90 dk) 3,4*10-2 Ω.cm değeri ile görülmüştür. Özdirenç değerlerinin, 15 katmanlı filmlerde tavlama süresi ve stabilizör etkisinden ziyade pürüzlülük etkisi olduğu saptanmış ve pürüzlülük değeri yüksek olan filmde özdirenç değerinin de yüksek olduğu belirlenmiştir. Işınlamanın ardından XRD sonuçlarından, filmlerin kristal yapısında bir iyileşme gözlenmiş ve kristal boyutunda bir artış olduğu hesaplanmıştır. Ancak 10 katmanlı filmde amorf yapı gözlenmiş ve gama ışınlamasından sonra bile kristal yapıda iyileşme gözlenmediği saptanmıştır. Bunun, SEM görüntülerinden elde edilen, filmin homojen olmamasına neden olan partikül yığınlaşmasından kaynaklandığı belirlenmiştir. Ayrıca 5 katmanlı filmde çok sayıda Ni2O3 piki tespit edilmiştir. İnce film yüzeyinde hem NiO hem de Ni2O3 kristallerinin oluşması sayesinde çeşitli avantajlar elde edilebileceği bilinmektedir. NiO ve Ni2O3 yapıları farklı elektriksel, optik ve kimyasal özelliklere sahip olduğundan, NiO ve Ni2O3 kristallerini içeren ince film yüzeyinde çeşitli fonksiyonel uygulamaların sağlanması mümkün olacaktır. Tek bir yüzey üzerinde farklı fonksiyonları bir arada sağlayabilecek özellikler bu sayede elde edilebilir. İki farklı kristal yapılı yüzey kullanılarak ve bunların radyasyona maruz bırakılmasıyla daha iyi performans ve daha hassas tepkiler sağlanması mümkün olmuştur. Her iki kristalin birlikte oluşması reaksiyonların iyileştirilmesini sağlamıştır. Bu avantajlar bu filmleri belirli uygulamalar için daha uygun hale getirmiştir. Ayrıca ışınlama sonrasında sadece 5 katlı filmde optik geçirgenlik değerinde önemli bir azalma gözlenirken, diğer filmlerin geçirgenlik değerlerinde gözle görülür bir fark oluşmamıştır. Bu değişimin nedeni olarak 5 katmanlı filmde radyasyon sonrası oluşan Ni2O3 fazları gösterilebilir. Raman spektroskopisinde (gama rad. sonrası) göreceli olarak keskin ve yoğun 500-555 cm-1 piki, Ni2+ iyonlarının yanı sıra Ni3+ iyon konsantrasyonunu da göstermektedir ve sonuçlar XRD ölçümleri ile uyumlu çıkmıştır. 5 katmanlı ve 15 katmanlı (90 dk) NiO filmleri dışındaki filmlerin ışınlama sonrasında elektriksel özelliklerinde iyileşme gözlenmiştir. Ayrıca alınan SEM görüntüleri özellikle 15 katmanlı filmlerin daha homojen, gözeneksiz, yoğun bir yapıya sahip olduğunu göstermiştir. Yüzey özellikleri, temas açısı ölçümleriyle incelendiğinde, filmlerin hidrofilik özellik gösterdiği ve radyasyona maruz kaldıktan sonra bu değerlerde artış olduğu belirlenmiştir. DEA ve MEA stabilizör etkisi incelenmiş ve DEA, iki hidroksil grubuyla daha karmaşık bir yapıya sahip olup, sol-jel işleminde DEA, farklı ağ yapılarının oluşmasına neden olmuştur. DEA kullanımı ince filmin morfolojisini etkileyerek yüzey pürüzlülüğü ve gözeneklilik gibi özellikleri etkilemiştir. MEA'nın daha basit bir yapıya sahip olması, DEA'ya kıyasla farklı bir ağ düzenlemesi olması ve SEM görüntülerinde farklı film morfolojisi ile sonuçlanmıştır. DEA'da iki hidroksil grubunun varlığı, ağ yapısı içinde daha fazla çapraz bağlanma noktası sağlayarak ince filmin kimyasal stabilitesini arttırmıştır. MEA daha basit bir yapıya sahiptir ve MEA'nın kullanımı daha az yoğun çapraz bağlı bir ağ ile sonuçlanmıştır, bu da potansiyel olarak ince filmin elektriksel direncini ve kimyasal stabilitesini etkilemektedir. Daha az yoğun çapraz bağlı ağ yapısında ışınlamanın etkisiyle iletkenliğin arttığı tespit edilmiştir. Bu da daha gevşek ve daha düzensiz bir ağ yapısının elektronların daha serbest hareket etmesine olanak sağladığını göstermektedir. Işınlama etkisinden dolayı MEA'da daha az yoğun çapraz bağlı bir ağ yapısında optimum gözeneklilik seviyesinin arttırılması, elektronların serbest hareketini kolaylaştırmış ve dolayısıyla iletkenliği arttırmıştır. NiO ince film yapısında daha az yoğun çapraz bağlı ağ yapısının ışınlamanın etkisi altında iletkenliği daha fazla arttırdığı belirlenmiştir. Sonuç olarak, sol-gel yöntemiyle sentezlenen solüsyonların homojen şekilde, herhangi bir çökelme olmadan üretilebileceği, bu solüsyonlarla hazırlanan ince filmlerin hidrofilik özellik gösterdiği ve yüzey pürüzlülük değerlerinin, kalınlığa bağlı olarak, yüksek olduğu belirlenmiştir. Yapısal analizlerle, üretilen filmlerin polikristal ve yüzey merkezli kübik yapıda olduğu ve iki fazdan (NiO ve Ni2O3) oluştuğu belirlenmiştir. Ayrıca filmlerin yasak enerji bant aralıklarının 3.66 - 3.90 eV arasında değiştiği saptanmıştır. Farklı kalınlıklarda üretilen filmlerin görünür bölgede optik geçirgenlik değerinin %67'den %40'a kadar değiştiği, tavlama süresinin ve stabilizör türünün bu özeliklerde gözardı edilebilir bir etkisinin olduğu görülmüştür. Radyasyona uğrayan filmlerin kristal yapı özelliklerinin geliştiği ve optik geçirgenlik değerlerinin düştüğü belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Within the scope of this study, it was aimed to efficiently produce transparent conductive nickel oxide (NiO) thin films by the sol-gel dip coating method and to examine the structural, electrical, optical and surface properties of the produced thin films. Then, it was focused on investigating the effect of electromagnetic radiation on these films. NiO solutions were synthesized using different stabilizers: diethanolamine (DEA) and monoethanolamine (MEA). The synthesized solutions were then coated on the substrate materials with 5, 10 and 15 layers by dip coating method, and annealing was carried out at 450°C for 1, 1.5, 2.5 and 3 hours. To observe the microstructural, morphological and optoelectronic properties of the produced films, X-ray diffraction, UV-Vis spectroscopy, Raman spectroscopy, Fourier Transform Infrared Spectroscopy, surface profilometry and contact angle values were measured and their properties were compared with the changes among themselves. Thin films were then exposed to gamma radiation to observe the effects of radiation on these films. The fact that the sol-gel method is easy to apply to different surfaces, allows working at low temperatures, is a cost-effective method, and is suitable for industrial applications as well as laboratory applications were effective in choosing this method. The dip coating method was chosen as a coating technique because it is a simple method, does not create waste material and allows for a homogeneous coating. As a result, it has been determined that the solutions synthesized by the sol-gel method can be produced homogeneously without any precipitation, the thin films prepared with these solutions show hydrophilic properties and have high surface roughness values which is dependent to film thickness. Through structural analysis, it was determined that the films produced were polycrystalline and face-centered cubic in structure and consisted of two phases (NiO and Ni2O3). Additionally, it was determined that the band gaps of the films varied between 3.66 - 3.90 eV. It has been observed that the optical transmittance value in the visible region of films produced with different thicknesses varies from 67% to 40%, and the annealing time and stabilizer type have a negligible effect on these properties. It was determined that the crystal structure properties of the irradiated films improved and their optical transmittance values decreased.
Benzer Tezler
- Kinolin esaslı D-π-A-π-A bileşiklerinin boya duyarlı güneş hücrelerinde uygulamaları
Applications of D-π-A-π-A quinoline compounds for dyesensitized solar cells
SAADET SEVİNDİK
- Electrospun polyacrylonitrile based composite nanofibers containing polyindole and graphene oxide
Poliindol ve grafen oksit içeren poliakrilonitril tabanlı kompozit nanofiberler
İLKNUR BOZKAYA GERGİN
Doktora
İngilizce
2023
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
- Sol jel metodu ile ZnO-Cdo nanomalzemelerin üretilmesi ve karakterizasyonu
Production and characterization of ZnO-Cdo nanomaterials by sol-gel method
HASAN KATI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji MühendisliğiFırat ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERMİN OZAN
- Elektron demeti buharlaştırma yöntemi ile hazırlanmış tungsten oksit ince filmler üzerine detaylı bir çalışma: Elektrokromik cihaz üretimi ve karakterizasyonları
A detailed study on tungsten oxide thin films prepared by electron beam evaporation method: Electrochromic device preperation and characterizations
DİLEK EVECAN
Doktora
Türkçe
2022
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ESRA ZAYİM
- Bizmut katkılı çinko oksit ince filmlerin üretilmesi ve karakterizasyonu
Bismuth doped zinc oxide thin films production and characterization
KADRİYE YALÇIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji MühendisliğiFırat ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TÜLAY YILDIZ