Enhanced photodetectıon ın II-VI and ternary chalcogenıde thın fılms vıa plasmonıc nanostructures and mıcrostraın engıneerıng
Plazmonik nanoyapılar ve mikrogerinim mühendisliği ile II-VI ve üçlü kalkojenit ince filmlerde geliştirilmiş fotodedeksiyon
- Tez No: 960071
- Danışmanlar: PROF. DR. HAMDİ ŞÜKÜR KILIÇ, DOÇ. DR. YASİN RAMAZAN EKER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Selçuk Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 149
Özet
Yüksek performanslı fotodedektörlere yönelik arayış, ışık emilimi, taşıyıcı taşınımı ve kusur kaynaklı kayıplar gibi sınırlamaların aşılmasını sağlayacak yenilikçi stratejileri gerektirmektedir. Bu tez, II-VI (CdS) ve üçlü kalkojenit (𝐶𝑢2𝑆𝑛𝑆3ve 𝐶𝑢2𝑍𝑛𝑆𝑛𝑆4) yarı iletken ince filmlerde fotodedektör performansını artırmak amacıyla plazmonik nano-yapılandırma ve mikro-gerinim mühendisliğinin sinerjik entegrasyonuna yönelik kapsamlı bir araştırmayı sunmaktadır. Bileşim oranı ve film morfolojisi üzerinde hassas kontrol sağlamak amacıyla darbeli lazer biriktirme (PLD) yöntemi kullanılarak, gömülü altın nanoparçacıkların (AuNP'ler) ışık-madde etkileşimleri ve iç kafes gerinimini eşzamanlı olarak nasıl düzenlediği ortaya konmuştur. Bu yapıların ultraviyole, görünür ve güneş spektral bölgelerinde iyileştirilmiş optoelektronik performans sağladığı gösterilmiştir. CdS tabanlı fotodedektörler, 365 nm aydınlatma altında 13.86 A/W'ye ulaşan yüksek bir duyarlılıkla ve 1.1×10¹² Jones seviyesine yaklaşan tespit edilebilirlik değeriyle dikkat çekmiştir. Bu iyileşme, plazmonik yakın alan etkileşimleri ile mikro-gerinimdeki belirgin azalmaya (~2.04×10⁻³) atfedilmektedir. Yaklaşık 100 nm'lik optimize film kalınlığı, plazmonik alan penetrasyonu ile malzemenin optik soğurma derinliği arasında uyum sağlamaktadır. Yapısal analizler, X-ışını kırınımı piklerinin daha keskin hale gelmesi ve yarı yükseklikte tam genişlik (FWHM) değerlerinin azalması gibi göstergelerle kristal kalitesinde iyileşme ve kusur yoğunluğunda azalma olduğunu ortaya koymuştur. Au/𝐶𝑢2𝑆𝑛𝑆3heteroyapılarında ise anormal bir negatif fotokonduktivite (NPC) mekanizması gözlenmiş ve detaylı bir şekilde karakterize edilmiştir. 70 meV üzerindeki yüksek Urbach enerjisi değerleri, yoğun tuzak durumu varlığına işaret ederken; Joule ısınması yoluyla yapılan deneyler, termal olarak indüklenen kusur yeniden düzenlenmesi sayesinde NPC etkisinin kısmen hafifletilebildiğini göstermiştir. Bu bulgu, plazmonik iyileştirmenin etkinliğinin, yarı iletken matris içerisindeki kusurların etkili bir şekilde bastırılmasına temelden bağlı olduğunu ortaya koymaktadır. Cu2ZnSnS4sisteminde ise mikro-gerinim aracılığıyla performans artışına dair güçlü kanıtlar elde edilmiştir. Stratejik olarak entegre edilen AuNP“sandviç”yapılar, kafes gerinimini 3.38×10⁻³'ten 1.94×10⁻³'e düşürmüş ve bu da standart 1 Güneş aydınlatması altında >150 ms'den 95.4 ms'ye inen daha hızlı foto-tepki kinetiğiyle doğrudan ilişkilendirilmiştir. Spektroskopik analizler, plazmon kaynaklı optik yükseltme sayesinde yakın kızılötesi bölgeye uzanan absorpsiyonun doğrulandığını göstermiştir. Tüm malzeme sistemlerinde yapılan yüksek çözünürlüklü X-ışını kırınımı, konfokal Raman spektroskopisi ve alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu gibi kapsamlı yapısal ve optoelektronik karakterizasyonlar, birleşik bir teorik çerçevenin geliştirilmesini mümkün kılmıştır. Bu model, gerinim eşikleri (
Özet (Çeviri)
The quest for high-performance photodetectors necessitates innovative strategies to transcend limitations in light absorption, carrier transport, and defect-mediated losses. This thesis presents a comprehensive investigation into the synergistic integration of plasmonic nanostructuring and microstrain engineering to elevate photodetector performance in II-VI (CdS) and ternary chalcogenide (𝐶𝑢2𝑆𝑛𝑆3and 𝐶𝑢2𝑍𝑛𝑆𝑛𝑆4) semiconductor thin films. Utilizing pulsed laser deposition (PLD) for precise control over stoichiometry and film morphology, the study elucidates how embedded gold nanoparticles (AuNPs) simultaneously modulate light–matter interactions and internal lattice strain, yielding improved optoelectronic performance across the ultraviolet, visible, and solar spectral regions. CdS-based photodetectors exhibited outstanding ultraviolet sensitivity, with responsivity reaching 13.86 A/W and detectivity approaching 1.1×10¹² Jones under 365 nm illumination. This enhancement is attributed to near-field plasmonic coupling effects and a significant reduction in microstrain (~2.04×10⁻³), particularly at an optimized film thickness of ~100 nm, which aligns the plasmonic field penetration with the material's optical absorption depth. Structural analyses revealed improved crystallinity and diminished defect densities, as evidenced by sharper X-ray diffraction peaks and decreased full width at half maximum (FWHM) values. In Au/𝐶𝑢2𝑆𝑛𝑆3heterostructures, an anomalous negative photoconductivity (NPC) mechanism was uncovered and rigorously characterized. Elevated Urbach energy values (>70 meV) signified a high density of trap states, while Joule heating experiments partially mitigated the NPC effect via thermally induced defect reorganization. This finding highlights a pivotal insight: plasmonic enhancement efficacy is fundamentally contingent upon effective defect suppression within the semiconductor matrix. The Cu2ZnSnS4 system demonstrated compelling evidence of microstrain-mediated performance enhancement. Strategic incorporation of AuNP“sandwich”structures reduced lattice strain from 3.38×10⁻³ to 1.94×10⁻³, directly correlating with faster photoresponse kinetics, from >150 ms to 95.4 ms under standard 1 Sun illumination. Spectroscopic analyses confirmed extended absorption into the near-infrared region, attributable to plasmon-induced optical amplification. Comprehensive structural and optoelectronic characterizations across all material systems, including high-resolution X-ray diffraction, confocal Raman spectroscopy, and field-emission scanning electron microscopy, enabled the development of a unified theoretical framework. This model identifies critical design parameters such as strain thresholds (
Benzer Tezler
- Polimer: İnorganik nanoparçacık hibrit UV-fotodedektör tasarımı, yapımı ve performans incelemesi
Polymer: Inorganic nanoparticle hybrid UV-photodetector design, production and performance investigations
GÖRKEM MEMİŞOĞLU
- Design fabrication and characterization of high performance resonant cavity enhanced photodedectors
Yüksek performanslı rezonant kavite katkılı fotodedektörlerin tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu
NECMİ BIYIKLI
Yüksek Lisans
İngilizce
1998
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ORHAN AYTÜR
- Optical readout methods for MEMS cantilever based sensors
MEMS çubuk tabanlı algılayıcılar için optik okuma yöntemleri
ULAŞ ADİYAN
Doktora
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ÜREY
- Bandgap simulation for type-II superlattice semiconductor photodetectors
Tip-II süperörgü yarıiletken fotodedektörler için bant aralığı simülasyonu
BORA ÇAKIROĞLU
Doktora
İngilizce
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiEskişehir Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. UĞUR SERİNCAN
- Novel ultraviolet scintillators based on semiconductor quantum dot emitters for significantly enhanced photodetection and photovoltaics
Morötesinde önemli ölçüde fotoalgılama ve fotovoltaik iyileştirmesi için yarıiletken kuvantum nokta ışıyıcıları temelli yenilikçi sintilatörler
EVREN MUTLUGÜN
Yüksek Lisans
İngilizce
2007
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
