Cuo ince filmlerin bazı fiziksel özellikleri üzerine titanyum-zirkonyum katkısının etkisi
The effect of titanium-zi̇rconium doping on some physical properties of CuO thin films
- Tez No: 953995
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ŞİLAN BATURAY, DOÇ. DR. CİHAT ÖZAYDIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Dicle Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Bu çalışmada, katkı maddesi ilavesinin bakır oksit ince filmlerin yapısal özellikleri üzerindeki etkisini araştırmak amacıyla X-ışını kırınımı (XRD) analizleri gerçekleştirilmiştir. Katkısız, Zr ve Ti katkılı CuO ince filmler, 500 °C'de tavlanarak kristal yapıların oluşumu sağlanmış ve kristal özellikleri Rigaku Ultima III XRD cihazı kullanılarak detaylı biçimde analiz edilmiştir. Tüm örnekler, monoklinik yapıya sahip olup, polikristalin doğa sergilemiştir. Katkı maddelerinin varlığı temel faz yapısını bozmamış; CuO fazına ait karakteristik kırınım düzlemleri korunmuştur. Katkısız CuO filmlerinde (110), (−111) ve (200) düzlemlerine ait kırınım pikleri gözlemlenirken, katkı içeren filmlerde (−111) ve (200) düzlemlerine ait piklerin daha belirgin hale geldiği, ancak (110) düzlemine ait pikin şiddetinin azaldığı ve bazı örneklerde tamamen kaybolduğu görülmüştür. Bu durum, katkı maddelerinin kristal yönelim üzerinde etkili olduğunu ve yönelimli büyüme davranışını değiştirdiğini göstermektedir. (−111) ve (200) kristal düzlemlerine ait dislokasyon yoğunluğu ve mikro-gerinim değerleri, malzeme içerisindeki iç gerilimlerin ve kristal kusurlarının katkı türüne göre farklılık gösterdiğini ortaya koymaktadır. Elde edilen veriler doğrultusunda, mikro-gerinim değerlerindeki artışın kristalit boyutunda azalmaya neden olduğu belirlenmiştir. Bu durum, kristal yapı içerisinde biriken iç gerilimlerin kristal büyümesini kısıtlayarak daha küçük kristalitlerin oluşmasına yol açtığını göstermektedir. Dolayısıyla, kristalit boyutu ile mikro-gerinim arasında ters orantılı bir ilişki olduğu sonucuna varılmıştır. Bu araştırmada, katkısız, titanyum (Ti) katkılı, zirkonyum (Zr) katkılı ve Ti/Zr birlikte katkılanmış CuO ince filmlerinin optik özellikleri sistematik olarak incelenmiştir. İnce filmler, cam altlıklar üzerine yaygın olarak kullanılan ve üniform film oluşumu sağlayan dönel kaplama yöntemi ile biriktirilmiştir. Ti, Zr ve bu elementlerin birlikte katkılanması, CuO filmlerinin soğurma ve soğurma katsayısını azaltmış; bu da ışık geçirgenliğini artırarak ve yük taşıyıcılarının toplanmasını kolaylaştırarak fotovoltaik uygulamalar için uygunluklarını potansiyel olarak artırmıştır. Kırılma indisi, yüksek frekanslı dielektrik sabiti ve statik dielektrik sabiti gibi temel optik parametreler, Moss ilişkisi, Herve ve Vandamme modeli ile Ravindra denklemi gibi yerleşik teorik modeller kullanılarak hesaplanmıştır. Bu farklı teorik yaklaşımlardan elde edilen sonuçların güçlü bir uyum içinde olması, gerçekleştirilen optik karakterizasyonların sağlamlığını ve güvenilirliğini ortaya koymuştur. Değerlendirilen tüm örnekler arasında, katkısız CuO ince filmi, görünür spektrumda en yüksek soğurma katsayısını göstermiş ve bu da güneş enerjisi dönüşüm verimliliğini artırmak açısından temel bir faktör olan üstün ışık toplama kabiliyetine işaret etmiştir. Katkısız, %1 Zr, %1 Ti, %1 Zr+%1 Ti ve %1 Zr+%2 Ti oranlarında katkılanmış CuO ince filmler için, soğurma katsayısı ve foton enerjisi (hν) arasındaki ilişki, Tauc denklemi kullanılarak değerlendirilmiştir. 〖(αhν)〗^2–hν grafikleri yardımıyla optik bant aralığı değerleri belirlenmiş ve katkı oranlarına bağlı olarak 1,64 eV'den 2,09 eV'ye kadar bir artış gözlemlenmiştir. Bu bant aralığı genişlemesi, CuO kristal örgüsüne katkı maddelerinin başarılı bir şekilde nüfuz ettiğini ve bunun sonucunda taşıyıcı yoğunluğunda azalma meydana geldiğini göstermektedir. Yapısal kusurlar, tane sınırlarında meydana gelen değişiklikler ve kristal kalitesindeki iyileşmelerin de enerji bant aralığı üzerinde etkili olduğu değerlendirilmektedir. Ayrıca, katkı maddelerinin etkisiyle Fermi seviyesinin iletim bandına doğru kaymasına neden olan Burstein–Moss etkisi, görünen bant aralığının artmasında önemli bir rol oynamıştır. Bu etki, serbest taşıyıcı yoğunluğundaki artışa bağlı olarak daha yüksek enerjili fotonların soğurulması için gerekli kılmakta ve dolayısıyla optik bant aralığını büyütmektedir. Bant aralığına ek olarak, katkı maddelerinin CuO filmlerin optik geçirgenlik özellikleri üzerinde de belirgin etkileri olduğu gözlemlenmiştir. Özellikle %1 Zr + %2 Ti katkılı CuO ince filmde geçirgenlik, görünür bölgede yaklaşık %47 seviyelerine ulaşmış ve bu durum, fotovoltaik uygulamalar için önemli bir avantaj sağlamaktadır. Katkısız ve çeşitli oranlarda Zr ve Ti ile katkılanmış CuO ince filmler, n-tipi Si alttaşlar üzerine biriktirilerek heteroeklem diyot yapıları oluşturulmuş ve bu yapıların elektriksel özellikleri detaylı olarak incelenmiştir. CuO tabakasına %1 oranında Zr katkısı yapılmasının, diyotların doğrultma oranını artırdığını göstermiştir. Elektriksel karakterizasyon, Termiyonik Emisyon (TE) teorisi çerçevesinde gerçekleştirilmiş. İdealite faktörü, engel yüksekliği ve kısa devre akımı gibi parametreler hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, %1 Zr katkılı diyotta idealite faktörü 2,128; engel yüksekliği 0,689 eV; kısa devre akımı ise 2,1 × 10-9 A olarak bulunmuştur. Bu değerler, katkının taşıyıcı geçişi üzerindeki düzenleyici etkisini ve heteroeklemde potansiyel bariyer oluşumunu desteklediğini ortaya koymuştur. Diğer katkı türleri ve oranlarında da elektriksel iyileşmeler gözlemlenmiş olmakla birlikte, idealite faktörlerinin tüm örneklerde 1'in üzerinde olması, yapının ideal Schottky davranışından belirli sapmalar sergilediğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
In this study, X-ray diffraction (XRD) analyses were conducted to investigate the effect of dopant incorporation on the structural properties of copper oxide thin films. Undoped, Zr-doped, and Ti-doped CuO thin films were annealed at 500 °C to promote the formation of crystalline structures, and their crystal properties were analyzed in detail using a Rigaku Ultima III XRD system. All samples exhibited a monoclinic structure with a polycrystalline nature. The presence of dopants did not alter the main phase structure; the characteristic diffraction planes of the CuO phase were preserved. While diffraction peaks corresponding to the (110), (−111), and (200) planes were observed in undoped CuO films, in doped films the peaks associated with the (−111) and (200) planes became more pronounced, whereas the intensity of the (110) peak decreased and, in some cases, disappeared entirely. This indicates that dopant elements influence the crystal orientation and modify the preferential growth behavior. The dislocation density and microstrain values corresponding to the (−111) and (200) crystal planes revealed that internal stresses and crystalline defects within the material varied depending on the type of dopant. Based on the obtained data, an increase in microstrain was found to result in a reduction in crystallite size, suggesting that internal stresses accumulated in the crystal structure limit crystal growth, thereby leading to the formation of smaller crystallites. Consequently, an inverse relationship between crystallite size and microstrain was established. In this research, the optical properties of undoped, titanium (Ti)-doped, zirconium (Zr)-doped, and Ti/Zr co-doped CuO thin films were systematically investigated. The thin films were deposited onto glass substrates using the widely adopted spin coating method, which ensures uniform film formation. The inclusion of Ti, Zr, and their combination reduced the absorption and absorption coefficients of CuO films, thereby increasing light transmittance and potentially enhancing their suitability for photovoltaic applications by facilitating charge carrier collection. Fundamental optical parameters such as refractive index, high-frequency dielectric constant, and static dielectric constant were calculated using established theoretical models including the Moss relation, Herve and Vandamme model, and Ravindra equation. The consistency of results obtained from these different theoretical approaches demonstrated the robustness and reliability of the optical characterizations. Among all evaluated samples, the undoped CuO thin film exhibited the highest absorption coefficient in the visible spectrum, indicating superior light harvesting capability, which a key factor for improving solar energy conversion efficiency. Additionally, the undoped CuO also demonstrated the highest optical conductivity in the wide band gap region, which is particularly advantageous for both solar cells and photodetectors. For undoped, 1% Zr, 1% Ti, 1% Zr + 1% Ti, and 1% Zr + 2% Ti doped CuO thin films, the relationship between absorption coefficient and photon energy (hν) was evaluated using the Tauc equation. Optical band gap values were determined from 〖(αhν)〗^2–hν plots, and an increase from 1.64 eV to 2.10 eV was observed depending on the doping concentrations. This band gap widening indicates the successful incorporation of dopant elements into the CuO crystal lattice, resulting in a reduction in carrier concentration. It is also considered that structural defects, modifications at grain boundaries, and improvements in crystal quality influenced the energy band gap. This effect requires higher energy photons to be absorbed due to an increase in free carrier concentration, thereby expanding the optical band gap. In addition to the band gap, dopants had significant effects on the optical transmittance properties of CuO films. Notably, the CuO thin film doped with 1% Zr + 2% Ti exhibited a transmittance of approximately 47% in the visible region, offering a substantial advantage for photovoltaic applications. This increased transmittance is believed to stem from improvements in crystal structure and increased surface smoothness, which reduce light scattering and enhance the optical performance of the film. CuO thin films with undoped and doped with various concentrations of Zr and Ti were deposited onto n-type Si substrates to form heterojunction diode structures, and their electrical properties were thoroughly examined. The inclusion of 1% Zr in the CuO layer was found to improve the rectification ratio of the diodes. Electrical characterization was conducted within the framework of Thermionic Emission (TE) theory, and parameters such as ideality factor, barrier height, and leakage current were calculated. According to the obtained results, the diode with 1% Zr doping exhibited an ideality factor of 2.128, a barrier height of 0.689 eV, and a leakage current of 2.1 × 10-9 A. These values support the role of doping in regulating carrier transport and facilitating potential barrier formation at the heterojunction. Although electrical improvements were observed for other doping types and concentrations as well, ideality factors greater than 1 in all samples indicate deviations from ideal Schottky behavior.
Benzer Tezler
- CuO yarıiletken filmlerin ultrasonik spray pyrolysis yöntemiyle üretilmesi ve gaz sensörü uygulamaları
Production of cuO semiconductor films by ultronic spray pyrolysis method and gas sensor applications
HÜSEYİN ALİ ERKUŞ
Doktora
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiEskişehir Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EVREN TURAN
- Electric and magneto-transport properties of magnetic and superconductive iron pnictide and skutterudite compounds
Magnetik ve süperiletken demir pniktid ve skutterudit bileşiklerinin elektrik ve magneto-transport özellikleri
MURAT SERTKOL
Doktora
İngilizce
2016
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YILDIRHAN ÖNER
- Fe-CuO ince filmlerinin fiziksel özelliklerinin
The analysis of the physical properties on Fe-CuO thin films
MURAT TOKUŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Fizik ve Fizik MühendisliğiKahramanmaraş Sütçü İmam ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞÜKRÜ KARATAŞ
- Bazı ince filmlerin sentezi, radyasyon geçirgenliği, antibiyotik giderim ve antimikrobiyal özelliklerinin incelenmesi
Synthesis of some thin films; investigation of their radiation shielding, antibiotic degradation and antimicrobial properties
MUSTAFA KAVGACI
Doktora
Türkçe
2022
Fizik ve Fizik MühendisliğiKahramanmaraş Sütçü İmam ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADNAN KÜÇÜKÖNDER
DOÇ. DR. SÜLEYMAN KERLİ
- Bi (Pb) Sr Ca CuO süperiletken ince filmlerinin üretimi, bazı yapısal ve elektriksel özelliklerinin incelenmesi
The production of Bi(Pb)srcacuo superconducting thin films and the investigation of their structural and electrical properties
AHMET VARİLCİ
Doktora
Türkçe
1997
Fizik ve Fizik MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ALTUNBAŞ