Saf ve rutenyum (Ru) katkılı transparan iletken oksit yapılı ince filmlerin üretimi, elektriksel, optiksel, yapısal karakterizasyonu ve nem sensörü uygulamaları
Fabrication and characterization of the electrical, optical and structural properties of the pure and ruthenium doped transparent conducting oxides thin films and humidity sensors applications
Yazar: HANDE SÖZBİLEN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ÖMER MERMER
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Bağıl nem = Relative humidity ; Elektriksel iletkenlik = Electrical conductivity ; Gaz sensörü = Gas sersor ; Kalay oksit = Tin oxide ; Katkı maddeleri = Additives ; Nanoteknoloji = Nanotechnology ; Nem sensörleri = Humidity sensors ; Rutenyum = Ruthenium ; Sol-jel yöntemi = Sol-gel method

Özet:
Transparan iletken oksit malzemeler (TCOs), düz panel ekranlar ve fotovoltaikler (inorganik cihazlar, organik cihazlar ve boya duyarlı güneş hücreleri gibi optoelektronik cihazlarda kullanılırlar. Bu filmlerin çoğu polikristalin ve amorf mikro yapılar ile üretilirler. Bu uygulamalar, gelen ışığın ortalama %80' ini geçiren ve taşıyıcı transportunda iletkenliği 103 S/cm' den büyük elektrot materyalleri kullanırlar. TCO malzemeler, diğer tip yarıiletkenler ile karşılaştırıldığında basit ve küçük yapıları, düşük maliyetleri ve çalışma ortamında sensör uygulamalarındaki kolaylığı gibi bazı avantajlara sahiptirler. Bu yüzden TCO malzemeler, gaz sensörü uygulamalarında yaygın ve kullanışlı algılayıcı malzemelerdir.Bu tez çalışmasında sol gel yöntemi ile cam ve Si (100) altlıkların üzerine kaplanmış katkısız ve Ru katkılı SnO2 ince filmlerin çeşitli yapısal, optiksel, elektriksel ve gaz duyarlık özellikleri incelenmiştir. Kalay oksit 3.6 eV gibi geniş bir yasaklı bant aralığına sahip olan ve n tipi katkılamaya uygun olan bir yarıiletkendir. Kalay oksit zehirli olmayan, ucuz ve bir hayli bol bulunabilen bir malzeme olduğu için transparan elektrot, güneş pili ve gaz sensörü uygulamalarında sık olarak kullanılır.Bugünlerde, bu malzemeler üzerindeki araştırmalar hassasiyetlerini, seçiciliklerini, durağanlıklarını geliştirme yönündedir ve en önemlisi de çözeltide bulunan düşük yoğunluklardaki metallerin varlığında bu özellikleri geliştirmeyi başarmaktır. Böylelikle bu çalışmada, eklenen rutenyum metalinin SnO2 materyalinin yüzey özelliklerini geliştirdiği gerçeği ortaya konulmuştur.İnce film üretiminde, bugünlerde oldukça sık kullanılan sol jel sürecini cazip hale gelmesinin sebebi, ekonomik olarak geliştirilebilen, geniş alanlarda yüksek kaliteli filmler üretmeyi sağlayan enerji tasarrufu sağlayan bir yöntem olmasıdır. Filmlerin yapısal ve mikro yapısal özellikleri X ışını kırınım (XRD) cihazı ve tarayıcı elektron mikroskobu (SEM) ile karakterize edilmiştir. Filmlerin optiksel özellikleri (bant aralığı, kırılma indisi vb.) yüzde geçirgenlik ve yansıtıcılık spektrumları belirlenerek, refraktometre ve spektrofotometre kullanılarak ölçülmüştür. Si (100) üzerine depozitlenen filmlerin yüzeylerinden elde edilen akım voltaj karakteristiği ile yüzey direnci elde edilmiştir. Filmlerin elektriksel iletkenliği ve yalıtkanlık davranışı, belli bir sıcaklık değerinde baskın iletim mekanizmasını tanımlayan dielektrik analiz cihazı kullanılarak ölçülmüştür.Bu tez çalışmasında, bilgisayar kontrollü gaz akış sistemi ile Si (100) altlık üzerine depozitlenmiş katkısız ve Ru katkılı ince filmler dış etknelere karşı kapalı bir ortamda, neme maruz bırakılmak sureti ile nemli ortamdaki havanın (bağıl nem) direnci ölçülmüştür. Kuartz kristal mikrobalans (QCM) metodu kullanılarak ise bu yapılarınbağıl nemi tutma özelliklerinin incelendiği bir deney düzeneği tasarlanmıştır. Ayrıca oluşturulan filmlerin seçicilik, duyarlılık ve kararlılık özellikleri hakkında bilgi sahibi olmak için katkısız ve Ru katkılı SnO2 filmler bağıl neme maruz bırakılıp frekans kaymaları incelenmiştir.Literatürde ilk olarak bu tez çalışmasında sol-jel yöntemi ile üretilen katkısız ve Ru katkılı ince filmlerin yapısal, optiksel, elektriksel ve bağıl neme karşı olan hassasiyetleri belirlenip, bir uygulama alanına taşınmıştır. Bu tez, bu anlamda ilerideki gaz sensörü çalışmalarına basamak teşkil etmesi bakımından önemlidir.

Abstract:
Transparent conductive oxides (TCO) are doped with metal oxides, these are used in optoelectronic devices such as flat panel displays and photovoltaics (including inorganic devices, organic devices, and dye-sensitized solar cell). Most of these films are fabricated with polycrystalline or amorphous microstructures. On average, these applications use electrode materials that have greater than 80% transmittance of incident light as well as conductivities higher than 103 S/cm for efficient carrier transport. Transparent conducting oxides (TCOs) have certain advantages when compared to other types of semiconductors, such as low cost, simple construction, small size and ease of placing the sensor in the operating environment. Therefore they are the popular and useful sensing materials for making inexpensive gas sensing devices.The present thesis reports a comparative study of various structural, optical, electrical and gas sensing properties of undoped and Ru substituted SnO2 thin films were deposited on glass substrates and Si (100) substrates by sol gel method. Tin(IV) oxide is a semiconductor with a wide direct forbidden band gap of 3.6 eV and it is amenable to n type doping. It has attracted much attention for applications involving transparent electrodes, solar cells and gas sensors because it is non-toxic, inexpensive, and highly abundant.Nowadays, the research on these materials is focused to increase their sensitivity, selectivity and stability, and one of the main issues to accomplish these issues is the presence of metals at low concentrations. Thus, the present of acertain metal on the SnO2 surface improves the properties of the material, which are depending on the added metal ruthenium.The sol-gel process for deposition of thin films has recently attracted considerable attention because it is proving to be an economical and energy saving method to deposit high quality films on large areas. The structural and microstructural, properties of the films were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). The optical parameters (band gap, refractive index, etc.) of the films were determined by measuring transmittance and reflectance spectrums using refractometer and spectrophotometer. The thin films which are deposited on Si (100) substrate are measured the sheet resistance through the current voltage characteristics. The electrical conductivity and dielectric behavior of the films dependence of temperature was measured to identify the dominant conductivity mechanism using dielectric analyzer.In this study, pure and Ru doped thin films deposited on Si (100) substrate were exposed to humidity and measured their resistance values in isolated chamber with a computer controlled gas flowing system. There was an experimental set up which was developed for detection of the absorbing relative humidity with QCM method. Additionally, in order to determine the selectivity, sensitivity and stability of the thin films, they exposed to relative humidity and frequency shifts were measured.This is the first report in the literature which is produced pure and Ru doped thin films by sol-gel process is determined structural, optical, electrical and relative humidity sensibility properties. This thesis will be guide to future studies on gas sensors.