Fotodedektör uygulamaları için maskesiz lazer litografi ile desenlenen çinko oksit heteroeklemlerin geliştirilmesi
Development of zinc oxide based heterojunctions patterned with maskless laser lithography for photodetector applications
Yazar: AYŞE NUR EROĞLU
Danışman: PROF. DR. NURDAN DEMİRCİ SANKIR
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Sunulan tez çalışması, nanoyapılı heteroeklemlere odaklanarak foto algılamada yüksek hassasiyetli ve performanslı, çevre dostu ve farklı sistemlere uyarlanabilen çok işlevli minimal cihaz tasarım yaklaşımları ile fotodedektör (FD) uygulamalarının vizyonunu geliştirmeye dayanmaktadır. Yüksek FD performansı için seçilen malzemelerin yanı sıra nanomalzemelerin yüzey alanının genişletilmesi de önemlidir. Desenli nanoyapıların düzenli dizilimi sağlanarak desensizlere kıyasla ışık soğurması ve yük transferi performanslarının arttırılması yenilikçi FD üretiminde ilgi çeken bir yaklaşımdır. Bu yaklaşımla, tez çalışması temel olarak desen tasarımına göre ikiye ayrılmıştır. Başka bir deyişle, maskesiz lazer litografi ile oluşturulan daire  ve örgü desenlerinde dikey olarak mükemmel hizalanmış çinko oksit (ZnO) nanoçubuk diziler (NÇD'ler) büyütülmüştür. Öncelikle sıvı-hal sistemler için farklı çaplara (D=20 µm, 2D=40 µm, 4D=80 µm) ve daireler arası farklı mesafelere (L=20 µm, L/2=10 µm) sahip desenlerde ZnO NÇD'leri üretilmiştir. Desen geometrisinin etkileri ve görünür bölgede ışık soğurucu özelliklerin iyileştirilmesi için indiyum sülfür (In2S3) ile oluşturulan heteroeklemlerin performansları fotoelektrokimyasal (FEK) FD'lerde incelenmiştir. Desensiz ZnO NÇD'leri In2S3 ile kaplanmasına rağmen D-L desenlilere kıyasla daha düşük fotoakımla sonuçlanmıştır. D-L tasarımlıda ise 20 paso (20P) sayılı In2S3'ün sprey pirolizinden sonra akım yoğunluğunun %224 arttığı görülmüştür. Dairelerin çapı D şeklinde düzenlendiğinde ve daireler arasındaki mesafe azaltıldığında (L/2), ZnO NÇD/In2S3-20P tasarımının fotoanot/elektrolit arayüzünde en yüksek yük transferini sağlayarak en iyi performansı göstermiştir. Daha sonra bu tasarım iyonik jel elektroliti kullanarak yarı-katı-hal sistemler için taşınabilir FEK FD şeklinde de üretilerek 367 nm-535 nm dalga boyu aralığında 400 nm'de en yüksek performansı göstermiştir. Çalışmanın örgü desenli tasarımlarında çizgilerin merkezleri arasındaki mesafenin (L) FEK FD performansı üzerindeki etkileri sıvı-hal sistemlerde incelenmiştir. ZnO NÇD/In2S3-20P heteroekleminde örgü desenli FEK FD cihazı (L=20 µm) daire desenliye (D-L/2) kıyasla daha yüksek performans sergilediği görülmüştür. Son olarak tez çalışmasında, örgü desenli ZnO NÇD ve anorganik halojenür perovskit (AHP) heteroeklemleri geliştirilmiştir. AHP olarak kurşun bazlı CsPbBr3-Cs2PbBr5 çift fazlı ve kurşunsuz Cs2AgBiBr6 çift perovskit kullanılmıştır. Jel elektrolitli yarı-katı-hal sistemler için performans sonuçlarına göre kurşunsuz halojenür perovskit, kurşunlu için alternatif bir malzeme olduğu sonucu çıkarılmıştır. Özellikle açık devre potansiyeli (VOC) karşılaştırıldığında kurşunsuz FEK FD'nin, kurşunluya göre  yaklaşık 5 kat daha yüksek olduğu ve görünür bölgede daha yüksek dalga boyundaki ışığa tepki verdiği saptanmıştır. Ayrıca tepki süreleri, In2S3 kaplamalı FEK FD'ye göre çok daha hızlı olduğu doğrulanmıştır. Katı-hal sistemlerde örgü desenli ZnO NÇD üzerine Cs2AgBiBr6 kaplanarak, maksimum fotoakım değerinin, +5 V ve AM 1,5 aydınlatma altında, sadece ZnO NÇD'lerine kıyasla yaklaşık 13,65 kat arttığı görülmüşür. +5 V ve 367 nm-522 nm dalga boyu aralığında 382 nm'de ise en yüksek FD performansları elde edilmiştir. Bu koşullarda, kurşunsuza kıyasla yaklaşık 2,5 kat daha yüksek fotoakıma ulaşmıştır. Bu tez çalışmasıyla desen şekli, geometrisi, farklı elektrolitlerin etkisi ve aktif alanların bir arada incelenmesi, kompakt cihaz mimarisinin kendi kendine güç sağlayan FEK FD uygulamaları için umut verici olması, kurşunsuz perovskitin alternatif malzeme olarak belirlenmesi ve milisaniye düzeyinde tepki sürelerine sahip kararlı ve çevre dostu FD'ler elde edilmesi, inovatif bir yaklaşımla literatüre kazanımı ve gelecekteki yeni nesil FD'ler için verimli ışık yönetim mekanizmasına yönelik güçlü bir strateji ortaya koymuştur.
Anahtar Kelimeler: ZnO, In2S3, AHP, Maskesiz Lazer Litografi, Fotodedektör

Abstract:
The presented thesis study is based on developing the vision of photodetector (PD) applications with high sensitivity and performance, environmentally friendly and multifunctional minimal device design approaches that can be adapted to different systems by focusing on nanostructured heterojunctions. In addition to, the materials selected for high PD performance, expanding the surface area of nanomaterials is also important. Providing regular alignment of patterned nanostructures, strong light absorption, and charge transfer acceleration compared to no patterned nanostructures is an interesting approach to PD performance. With this approach, the thesis study is divided into two sections according to the pattern design. In other words, ZnO NRAs that are perfectly aligned vertically were grown in the circle patterns and the mesh patterns using maskless laser lithography. Firstly, ZnO NRAs were grown in circular patterns having different diameters (D=20 µm, 2D=40 µm, 4D=80 µm) and different distances between circles (L=20 µm, L/2=10 µm) for liquid-state systems. The effects of pattern geometry and the performance of heterojunctions formed with indium sulfide (In2S3) to improve the light-absorbing properties in the visible region were investigated in photoelectrochemical (PEC) PDs. Although the no patterned ZnO NRAs were coated with In2S3, no patterned  ZnO NRAs exhibited lower photocurrent density than D-L patterned structures. It was observed that the current density increased by 224% in the D-L design after the spray pyrolysis of 20 passes (20P) of In2S3. ZnO NRAs/In2S3-20P design showed the best performance by providing the highest charge transfer at the photoanode/electrolyte interface when the diameter of circles is D in pattern and the distance between the circles is decreased (L/2). After that, this design was also produced as a portable PEC PD for quasi-solid-state systems using ionic gel electrolyte and showed the highest performance at 400 nm in the between 367 nm to 535 nm wavelengths. The effects of the distance between the centers of the lines (L) in the mesh pattern on the PEC PD performance device performance were investigated in the liquid-state systems. The mesh patterned PEC PD device (L=20 µm) exhibited higher performance compared to the circle patterned (D-L/2) in the ZnO NRAs/In2S3-20P heterojunction. Finally, mesh-patterned ZnO NRAs and inorganic halide perovskite (IHP) heterojunctions were developed in the thesis study. Lead-based CsPbBr3-Cs2PbBr5 dual phase and lead-free Cs2AgBiBr6 double perovskite were used as IHP. According to the performance results for the quasi-solid-state system with gel electrolyte, it was concluded that lead-free halide perovskite is an alternative material for PDs. Especially, the open circuit potential (VOC) of mesh patterned lead-free  PEC PD was obtained about 5 times higher than lead-containing perovskite. The light response of lead-free PEC PD extended through more visible regions compared to the lead-containing perovskite. In addition, it was confirmed that the response times were much faster than In2S3-coated PEC PD. In solid-state systems, by coating Cs2AgBiBr6 on mesh patterned ZnO NRAs, it was observed that the maximum photocurrent value increased about 13.65 times compared to pristine ZnO NRAs under +5 V and AM 1.5 illumination. The highest FD performances were obtained at 382 nm and +5 V in the between 367 nm and 522 nm wavelengths. Under these conditions, approximately 2.5 times higher photocurrent was achieved compared to lead-free. In this thesis study, the pattern shape, geometry, the effect of different electrolytes and active areas were examined together, the compact device architecture is promising for self-powered PEC PD applications, the determination of lead-free perovskite as an alternative material and the obtaining of stable and environmentally friendly PDs with millisecond response times have brought an innovative approach to the literature and a strong strategy for efficient light management mechanism for future new generation PDs.
Keywords: ZnO, In2S3, IHP, Maskless Laser Lithography, Photodetector