Kalay katkısının cuo ince filmlerin yapısal, optik ve elektriksel özelliklerine etkisi
The effect of tin doping on the structural optical and electrical properties of copper oxide thin films
- Tez No: 954031
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ŞİLAN BATURAY
- 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: 100
Özet
Bu çalışmada, farklı katkı maddeleri ile zenginleştirilmiş bakır oksit (CuO) ince filmler, dönel kaplama yöntemi ile cam altlıklar üzerine biriktirilmiş ve 500 °C sıcaklıkta tavlama işlemi uygulanmıştır. Çalışmanın temel amacı, katkı maddelerinin CuO ince filmlerin kristal yapısı üzerindeki etkilerini X-ışını kırınım (XRD) analizleri aracılığıyla belirlemek, bu doğrultuda kristal büyüklüğü, kristal yönelimi, mikro-gerinim ve dislokasyon yoğunluğu gibi kristalit özellikleri incelemektir. XRD analizleri sonucunda katkısız ve katkılı tüm filmlerin monoklinik yapıya sahip, polikristalin özellik gösterdiği tespit edilmiştir. Katkı maddelerinin varlığı, XRD desenlerinde kırınım piklerinin şiddetinde ve konumlarında küçük kaymalara neden olmuştur. Bu kaymalar, katkıların kristal örgü parametrelerinde değişikliğe, iç gerilim oluşumuna ve kristal yöneliminde farklılaşmalara yol açtığını göstermektedir. Ayrıca piklerin keskinliğinde ve yoğunluklarında gözlemlenen değişiklikler, katkıların kristal büyümesi ve kristallenme kalitesi üzerinde etkili olduğunu kanıtlamaktadır. Optik soğurma analizleri, katkısız CuO ince filminin yaklaşık 374 nm dalga boyunda bir soğurma pikine sahip olduğunu göstermiştir. %1 mol Sm katkısı ile bu soğurma kenarında hafif bir kırmızıya kayma gözlenmiş ve pik 377 nm'ye kaymıştır. Bu kayma, tane boyutunda azalma ve kuantum sınırlama etkilerine işaret etmektedir. Gözlemlenen soğurma pikleri, parçacıklar içinde yüksek derecede yapısal düzen olduğunu ve metal iyonları arasındaki verici-alıcı etkileşimlerin malzemenin elektronik yapısını değiştirerek bant geçişleriyle ilişkili boyut-kantizasyon etkisine yol açtığını göstermektedir. UV bölgesinde ise katkısız ve katkılı örneklerde soğurma azalmakta ve zayıf bir soğurma piki eşlik etmektedir. Soğurmadaki azalma, malzeme içindeki yapısal kusurlar ve yeni moleküller arası bağların elektronik geçişlere etkisiyle ilişkilendirilmektedir. Dalga boyu arttıkça tüm örneklerde soğurmanın belirgin şekilde azalması, katkı maddelerinin CuO'nun yapısal ve optik özellikleri üzerinde önemli etkiler oluşturduğunu ortaya koymaktadır. Katkısız, samaryum (Sm) katkılı, kalay (Sn) katkılı ve Sm/Sn eş katkılı CuO ince filmlerin kristalografik, yüzeysel ve optikdavranışları araştırılmıştır. İnce filmler, dönel kaplama tekniği kullanılarak cam altlıklar üzerine üretilmiştir. Sm, Sn katkıları ve Sm/Sn eş katkısı, CuO ince filmlerin soğurma özelliklerini değiştirerek, bu malzemeleri güneş pili uygulamaları için daha uygun hale getirmiştir. Bu ince filmlerin optik özellikleri; kırılma indisi, statik dielektrik sabiti ve yüksek frekanslı dielektrik sabiti gibi çeşitli önemli parametreler hesaplanarak karakterize edilmiştir. Söz konusu değerler, literatürde yaygın olarak kullanılan Moss, Herve & Vandamme ve Ravindra bağıntıları kullanılarak hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar, tüm yöntemler arasında iyi bir uyum göstermiş ve böylece verilerin tutarlılığı ve güvenilirliği doğrulanmıştır. İncelenen farklı bileşimler arasında, katkısız CuO ince film, görünür ışık bölgesinde en yüksek soğurma katsayısını göstermiştir. Bu bulgu oldukça önemlidir; zira yüksek soğurma katsayısı, daha iyi ışık soğurulması anlamına gelir ve bu da güneş pili verimliliğinin artırılması açısından kritik bir faktördür. Ayrıca, katkısız CuO ince film, daha düşük bant aralıklarında daha yüksek yüzey derinliği sergilemiştir; bu da malzemenin belirli uygulamalarda iyi bir performans göstereceğine işaret etmektedir. Bununla birlikte, katkısız CuO ince film, büyük bant aralığı bölgesinde en yüksek optik iletkenliği göstermiştir; bu özellik güneş pilleri ve fotodedektörler açısından oldukça avantajlıdır. Katkısız CuO ince filmin geliştirilmiş optik özellikleri, onu güneş pillerinde ve fotodedektörlerde aktif soğurucu katman olarak kullanılmak üzere ideal bir aday haline getirmektedir. Artan soğurma ve iletkenlik özellikleri, güneş enerjisinin daha verimli dönüştürülmesine katkı sağlayabilir ve bu sayede gelecekteki yenilenebilir enerji ihtiyacının karşılanmasında önemli bir rol oynayabilir. Sonuç olarak, bu çalışma Sm katkısı, Sn katkısı ve Sm/Sn eş katkısının CuO ince filmlerin optik özelliklerini iyileştirmede etkili bir strateji olduğunu ve bu sayede CuO'nun güneş pili uygulamaları için daha etkili bir malzeme haline gelebileceğini ortaya koymaktadır. Samaryum ve kalay katkısının farklı oranlarda CuO ince filmlerin yüzey morfolojisi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Dönel kaplama yöntemi ile hazırlanan katkısız CuO, %1 Sm katkılı CuO, %1 Sn katkılı CuO, %1 Sn+%1 Sm CuO ve %1 Sm+%2 Sn katkılı CuOince filmlerin SEM analizleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen görüntülerde, katkısız CuO, %1 Sm katkılı CuO, %1 Sn katkılı ve %1 Sm+%2 Sn katkılı CuOnumaralı filmlerin pürüzsüz ve düzgün yüzey yapısına sahip olduğu ve alt tabakaya iyi yapıştığı belirlenmiştir. Özellikle %1 Sn katkılı CuO-3 filminde yoğun paketlenmiş bir topoloji ve artmış nanoparçacık kaplama oranı gözlemlenmiştir. Bu morfolojik değişimlerin, filmlerin özdirenç, taşıyıcı yoğunluğu ve hareketliliği gibi elektriksel özelliklerini etkilediği saptanmıştır. Ayrıca, CuO ve %1 Sm+%2 Sn CuO ince filmlerinde hafif topaklanma ve poligonal ile yarı-küresel nanoyapıların bir arada bulunduğu tespit edilmiştir.
Özet (Çeviri)
In this research, copper oxide (CuO) thin films doped with various elements were prepared on glass substrates using the spin coating technique, followed by annealing at 500 °C in an air environment. The primary aim was to explore how the introduction of dopant materials influences the structural characteristics of CuO films, with a particular emphasis on parameters such as crystallite size, preferred orientation, microstrain, and dislocation density, assessed via X-ray diffraction (XRD) analysis. The XRD results confirmed that all samples, whether doped or undoped, exhibited a polycrystalline structure consistent with the monoclinic phase of CuO. The incorporation of dopants led to subtle shifts in both the positions and intensities of the diffraction peaks, suggesting alterations in lattice parameters, the development of internal stresses, and modifications in the dominant crystal orientation. Furthermore, variations in peak sharpness and intensity pointed to significant effects of doping on crystal growth behavior and the overall degree of crystallinity within the films. Optical absorption measurements demonstrated that the undoped CuO thin film featured a prominent absorption peak around 374 nm. With the introduction of 1 mol% samarium (Sm) as a dopant, a slight redshift of the absorption edge to approximately 377 nm was detected, suggesting a reduction in crystallite size—likely attributed to quantum confinement effects. These absorption features imply an increased level of structural order within the nanostructures, which can be linked to donor–acceptor interactions among metal ions. Such interactions are known to significantly influence the electronic configuration, resulting in size-dependent quantum effects associated with interband transitions. In the ultraviolet region, a decrease in overall absorption was observed for both undoped and Sn/Sm-doped CuO films, along with the appearance of a weak absorption peak. The diminished absorption intensity observed in the undoped CuO sample may be attributed to structural defects arising from newly formed intermolecular bonds between cations and anions, which can interfere with electronic transitions. In all samples, a pronounced decline in absorption with increasing wavelength was evident, reinforcing the conclusion that dopant incorporation significantly alters both the structural characteristics and optical absorption behavior of CuO thin films. The optical, structural, and morphological characteristics of undoped, Sm-doped, Sn-doped, and Sm/Sn co-doped CuO thin films were systematically examined. The films were fabricated on glass substrates via the spin coating method. The introduction of Sm, Sn, and combined Sm/Sn dopants was found to notably influence the optical absorbance of the CuO films, enhancing their potential for solar cell applications. Key optical parameters—including the refractive index, high-frequency dielectric constant, and static dielectric constant—were calculated to further understand these effects. These values were derived using established theoretical models, specifically the Moss relation, the Herve and Vandamme approach, and the Ravindra model. Notably, the calculated values obtained from the various theoretical models showed strong agreement, confirming the consistency and reliability of the optical analysis. Among all the compositions investigated, the undoped CuO thin film exhibited the highest absorption coefficient within the visible spectrum—an important result, as a higher absorption coefficient enhances light harvesting, which is critical for the performance of solar cells. Additionally, the undoped film demonstrated a greater skin depth at higher band gap energies, indicating favorable behavior for specific optoelectronic applications. Moreover, it showed the highest optical conductivity in the wide band gap region, a property that is particularly advantageous for devices such as solar cells and photodetectors. The superior optical performance of the undoped CuO thin film highlights its potential as an effective active (absorber) layer in solar cells and photodetectors. Its enhanced absorption capability and high optical conductivity suggest improved solar energy conversion efficiency, aligning well with the increasing demand for sustainable energy technologies. Overall, the findings of this study indicate that doping CuO thin films with Sm, Sn, and their combination is a promising approach to tuning and enhancing the material's optical properties. Such modifications could significantly expand the applicability of CuO in next-generation solar cell devices and other optoelectronic applications. The influence of samarium and tin doping at varying concentrations on the surface morphology of CuO thin films was examined through scanning electron microscopy (SEM). SEM analyses were conducted on undoped CuO, 1% Sm doped CuO, 1% Sn doped CuO, 1% Sn+1% Sm doped CuO, and 1%Sm+2% Sn doped CuOfilms, all fabricated via the spin coating technique. The results revealed that the undoped CuO, 1% Sm doped CuO, 1% Sn doped CuO, and 1%Sm+2% Sn doped CuOfilms exhibited smooth, uniform surfaces with strong adhesion to the glass substrates. Notably, the CuO-3 film, containing 1% Sn dopant, displayed a densely packed surface morphology with an enhanced nanoparticle coverage, indicating improved film compactness. These morphological features were found to significantly influence key electrical properties, including resistivity, carrier concentration, and mobility. Furthermore, slight agglomeration and the coexistence of polygonal and quasi-spherical nanostructures were observed in the CuO and 1% Sm+2% Sn doped CuOfilms, suggesting a degree of heterogeneity in nanoparticle shape and distribution.
Benzer Tezler
- Terleme düzeyini sürekli takip edebilen nadir toprak elementi katkılandırılmış ZnO/CuO kompozit ince filmlerin tasarımı ve üretimi
Design and production of rare-earth elements doped ZnO/CuO composite thin films for continuous sweat rate monitoring
NURDAN SELİN KIRIK
Doktora
Türkçe
2022
BiyomühendislikHatay Mustafa Kemal ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BÜNYAMİN ŞAHİN
- Bakır ve stronsiyum katkılı biyoaktif cam numunelerinin kristalizasyon kinetiğinin incelenmesi
Inspection of copper and stronsium added bioactive glass samples' crystallization kinetic
VAHİDE HOCAOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN
- Cu-ZnO katkılı polimer matrisli kompozitlerin üretimi ve antibakteriyel özelliklerinin incelenmesi
Production of Cu-ZnO doped polymer matrix composites and investigation antibacterial properties
GÖKCE MORAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Metalurji MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SİNEM ÇEVİK
- Kalay katkılı ZnO ince filmlerinin bazı fiziksel özellikleri
Some physical properties of tin doped ZnO thin films
SEVAL AKSOY
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
Fizik ve Fizik MühendisliğiAnadolu ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. YASEMİN ÇAĞLAR
- ZnO filmlerinin elektrik, optik, yapısal ve yüzeysel özellikleri üzerine kalay katkısının etkisi
The Effect of tin doping on electric, optic, structural and surface properties of ZnO films
VİLDAN BİLGİN
Doktora
Türkçe
2003
Fizik ve Fizik MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SALİH KÖSE