Katkılı metal oksit ince filmlerin yapısal ve optiksel özelliklerinin incelenmesi
Investigation of structural and optical properties of doped metal oxide thin films
Yazar: ŞEYDA HORZUM ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. TÜLAY SERİN
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada sol-jel daldırma yöntemi ile cam alt tabaka üzerinde hazırlanmış katkılı CuO ve ZnO ince filmlerin yapısal ve optiksel özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Filmlerin karakteristik özelliklerinde katkılama etkisini gözlemek için, CuO ince film In atomu (% 3, % 5 ve %10), ZnO ince film Cu, In ve Ti atomları (% 1 ve % 5) ile katkılanmıştır. Katkılı filmlerin yapısal ve optiksel özelliklerindeki değişimler sırasıyla X-ışını kırınımı ve UV-Vis geçirgenlik spektrumları kullanılarak incelenmiştir. XRD ölçümleri filmlerin kristalit boyutlarının artan katkı oranı ile azaldığını göstermiştir. Ayrıca ZnO filmlerin geçirgenlik spektrumunda görülen girişim pikleri film kalınlığının alt tabaka üzerinde düzgün bir şekilde yayıldığını göstermiştir. Böylece kırılma indisi, sönüm katsayısı ve dielektrik fonksiyonu gibi optiksel sabitler Swanapoel zarf yöntemi kullanılarak hesaplanmıştır. Ayrıca katkılı filmlerin optiksel enerji bant aralığı değerleri UV-Vis geçirgenlik spektrumu aracılığıyla belirlenmiştir. Bunlara ek olarak, ZnO ince filmlerin Cu katkısı ile yapısal, elektronik ve optiksel özelliklerinin nasıl değiştiğini incelemek için deneyler yoğunluk fonksiyoneli teorisi (DFT) ile desteklenmiştir. Optiksel hesaplamalar Cu'dan kaynaklanan elektronik kusur durumlarının optiksel olarak aktif olmadığını ve optiksel bant aralığının ZnO bant kenarları tarafından belirlendiğini göstermiştir. Deneysel olarak gözlenen yapısal ve optiksel sonuçlar DFT ile elde edilenlerle uyum içindedir.

Abstract:
In this study it was aimed to investigate structural and optical properties of doped CuO and ZnO thin films prepared on the glass substrate by sol-gel dip coating method. In order to observe the effect of doping on characteristic properties of the films, CuO thin films doped by In atom (3 %, 5 and % 10) and ZnO thin film by Cu, In and Ti (1 % and 5 %) atoms. Changes in structural and optical properties of doped films were investigated using X-ray diffraction (XRD) and UV-Vis transmission spectra, respectively. XRD measurements revealed that the crystallite size of the films decrease with increasing doping concentration. It was also seen from the interference peaks in ZnO transmission spectrum that the film thickness was uniformly formed over the substrate. Thus optical constants such as refractive index, extinction coeffcient and dielectric function was calculated using the Swanapoel's envelope method. We also determined the optical energy band gap values of the doped films by means of UV-Vis transmission spectrum. Furthermore, experiments were supported by density functional theory (DFT) calculations in order to investigate how the structural, electronic and optical properties of ZnO thin films are modifed upon Cu doping. Optical calculations revealed that the electronic defect states that stem from Cu atoms are not optically active and the optical band gap is determined by the ZnO band edges. Experimentally observed structural and optical results are in good agreement with our theoretical results.