Sol-jel daldırarak kaplama yöntemi ile saydam iletken oksit yarıiletkenlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu

Tez Türü: Yüksek Lisans

Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Teknik Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Nano Bilim ve Nano Mühendislik, Türkiye

Tez Danışmanı: Nilgün Baydoğan

Tezin Onay Tarihi: 2024

Tezin Dili: İngilizce

Desteklendiği Program: Diğer

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.