ZnO ve Sb2S3 ince film tabanlı fotosensör aygıt üretilmesi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of ZnO and Sb2S3 thin film based photosensors
Yazar: ESRA ASLAN
Danışman: PROF. DR. MAHARRAM ZARBALİ
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Antimon sülfür = Antimony sulfur ; Fotodedektörler = Photodetectors ; Kalay = Tin ; Titanyum = Titanium ; Çinko oksit = Zinc oxide

Özet:
Bu tez çalışmasında, çözeltideki Ti/Zn molar oranları sırasıyla % 1, % 2, % 3, % 4 ve % 5 olan titanyum katkılı ZnO ince filmler hazırlanmıştır. Ayrıca, çözeltideki Sn/Zn ve Ti/Zn molar oranları sırasıyla % 1 Sn,% 1 Ti, (% 0.5 Sn -% 0.5 Ti), (% 0.5 Sn -% 1 Ti), (% 1 Sn -% 0.5 Ti) ve (% 1 Sn -% 1 Ti) olan ortak katkılı ZnO ince filmler cam altlıklar üzerine hazırlanmıştır. Bununla birlikte, çözeltideki Sb/S molar oranı 2/3 olan Sb2S3 filmler de cam altlıklar üzerine kaplanmıştır. Hazırlanan ZnO ince filmlerin yapısal, optik, elektriksel ve fotodedektör özelliklerine katkı türünün ve molar oranlarının etkisi detaylı bir şekilde incelenmiştir. Sb2S3 ince filmlerin yapısal, optik, elektriksel ve fotodedektör özelliklerine ise kaplama sıcaklıklarının etkisi araştırılmıştır. Sb2S3 ince filmler, sırasıyla 250 oC, 300 oC, 350 oC, 400 oC ve 450 oC sıcaklılarda sol-jel daldırarak kaplama sistemi ile kaplanmıştır. Hazırlanan ince filmlerin fiziksel özelliklerinin belirlenmesi için XRD, SEM, EDX, Fotolüminesans, UV Vis spektroskopisi, Hall etkisi, akım-voltaj ve akım-zaman ölçüm sistemleri kullanılmıştır. XRD sonuçlarına göre titanyum ve kalay elementlerinin birlikte veya ayrı ayrı ZnO' ya katılmaları durumunda ZnO' nun kristal yapısı bozulmaktadır. ZnO filmlerin SEM sonuçlarına göre, çözeltiye kalay veya titanyum birlikte veya ayrı ayrı katıldığında tanecik boyutları küçülmektedir. Bu filmlerin EDX sonuçları ise filmlerin yapısında kalay ve titanyumun varlığını doğrulamaktadır. UV-Vis spektrometresi sonuçlarına göre titanyum ve kalay elementlerinin birlikte veya ayrı ayrı ZnO' ya katılmaları durumunda ise görünür bölgede optik geçirgenlik artmaktadır. ZnO' nun yasak bant aralığı ~ 3.27 eV olarak belirlenmiştir. Katkılandırmanın ise ZnO' nun yasak bant aralığında önemli bir etkisinin olmadığı gözlenmiştir. Hall etkisi ölçüm sonuçlarına göre, katkısız ZnO' nun taşıyıcı konsantrasyonu 7.96 x 10 16 cm-3 iken % 5 Ti katkılı ZnO filmler için 2.84 x 10 14 cm-3' e kadar azalmaktadır. Fotolüminesans sonuçlarına göre katkısız ZnO filmlerin görünür bölgede 460 nm, 494 nm ve 577 nm' de emisyon pikleri ortaya çıkmaktadır. ZnO' nun kendi kristal kusurlarından kaynaklanan bu piklerin şiddeti titanyum katılması ile önemli oranda azalmıştır. Bu sonuca göre, bu tez çalışmasında, titanyumun ZnO' nun kristal yapısında bir pasivasyon etkisi yarattığı ilk kez gözlenmiştir.  Karanlık ve 365 nm dalga boylu ışık altında yapılan akım-voltaj ve akım-zaman grafiklerine göre metal-yarıiletken-metal (MSM) tipi katkısız ZnO fotodedektörlerin foto hassasiyetleri 43 iken % 3 Ti katılması ile 3333' e yükselmiştir. Yani, ZnO' ya % 3 Ti katkılandırıldığında foto hassasiyet 775 kat artmıştır. Bu artışın nedeni titanyumun ZnO' nun yasak bant aralığındaki kusurları (tuzakları) pasivize ederek, ışık altında daha çok elektronun iletim bandına geçmesini ve iletime katılması sağlamasıdır. (0.5 % Sn ve % 1 Ti) katkılı ZnO fotodedektörlerin foto hassasiyeti ise 1557 olarak kaydedilmiştir. Bu şekilde sadece % 1 Ti katklı ZnO fotodedektörlere göre % 10 civarında foto hassasiyette iyileşme gözlenmiştir. Sb2S3 ince filmlerle ilgili yapılan çalışmalarda ise herhangi bir tavlama ve sinterleme işlemi yapılmadan sadece kurutma işlemiyle kristalleşe bileceği gözlenmiştir.  XRD sonuçları 250 oC' de hazırlanan Sb2S3 filmlerin henüz amorf yapıda olduğunu göstermektedir. 300 oC, 350 oC, 400 oC ve 450 oC' de hazırlanan Sb2S3 fotodedektörlerin 70 mW/cm2 şiddetindeki görünür ışıkla yapılan akım-zaman ölçümlerine göre foto hassasiyetleri sırasıyla 7.71, 7.44, 56.81 ve 2.66 olarak kaydedilmiştir. Bu sıcaklılarda hazırlanan foto detektörlerin yükselme ve azalma zaman sabitleri (r, d) ise sırasıyla (0.39 s, 0.86 s), (0.41 s, 0.42 s), (0.40 s, 0.40 s), (0.38 s, 0.40 s) olarak belirlenmiştir.

Abstract:
Titanium doped ZnO thin films with Ti/Zn molar ratios of 1%, 2%, 3%, 4%, and 5% in solution, as well as co-doped ZnO thin films with Sn/Zn and Ti/Zn molar ratios of 1% Sn, 1% Ti, (0.5% Sn - 0.5% Ti), (0.5% Sn - 1% Ti), (1% Sn - 0.5% Ti) and (1% Sn - 1% Ti) in solution, were prepared on glass substrates in this thesis. In addition, Sb2S3 films with Sb/S molar ratio of 2/3 in the solution were also coated on glass substrates. The effects of dopant type and molar ratios on the structural, optical, electrical and photodetector properties of the prepared ZnO thin films were investigated in detail. The effects of coating temperatures on the structural, optical, electrical and photodetector properties of Sb2S3 thin films were investigated. Sb2S3 thin films were coated with sol-gel dip coating system at temperatures of 250 oC, 300 oC, 350 oC, 400 oC and 450 oC, respectively. XRD, SEM, EDX, Photoluminescence, UV Vis spectroscopy, Hall effect, current-voltage and current-time measurement systems were used to determine the physical properties of the prepared thin films. According to XRD results, when titanium and tin elements are added to ZnO together or separately, the crystal structure of ZnO deteriorates. According to the SEM results of ZnO films, when tin or titanium are added to the solution together or separately, the particle sizes are reduced. The EDX results of these films confirm the presence of tin and titanium in the structure of the films. According to the results of UV-Vis spectrometry, when titanium and tin elements are added to ZnO together or separately, optical transmittance increases in the visible region. The forbidden band gap of ZnO was determined as ~ 3.27 eV. It was observed that the doping did not have a significant effect in the forbidden band gap of ZnO. According to the Hall effect measurement results, while the carrier concentration of undoped ZnO is 7.96 x 10 16 cm-3, it decreases to 2.84 x 10 14 cm-3 for 5 % Ti doped ZnO films. According to the photoluminescence results, emission peaks of undoped ZnO films appear at 460 nm, 494 nm and 577 nm in the visible region. The intensity of these peaks, which are caused by the crystal defects of ZnO itself, decreased significantly with the addition of titanium. According to this result, in this thesis, it was observed for the first time that titanium creates a passivation effect in the crystal structure of ZnO. According to the current-voltage and current-time graphs made under dark and 365 nm wavelength light, the photo sensitivities of metal-semiconductor-metal (MSM) type undoped ZnO photodetectors increased from 43 to 3333 with the addition of 3% Ti. That is, when 3% Ti was added to ZnO, the photo sensitivity increased 775 times. The reason for this increase is that titanium passivates the defects (traps) in the forbidden band gap of ZnO, allowing more electrons to pass into the conduction band under light and participate in the conduction. The photo sensitivity of (0.5% Sn and 1% Ti) doped ZnO photodetectors was recorded as 1557. In this way, an improvement in photo sensitivity of around 10% was observed compared to ZnO photodetectors with only 1% Ti. In studies on Sb2S3 thin films, it has been observed that it can only crystallize by drying without any annealing and sintering process. XRD results show that Sb2S3 films prepared at 250 oC are still amorphous. Photosensitivity of Sb2S3 photodetectors prepared at 300 oC, 350 oC, 400 oC and 450 oC was recorded as 7.71, 7.44, 56.81 and 2.66, respectively, according to current-time measurements made with visible light of 70 mW/cm2. The rise and fall time constants (r, d) of the photodetectors prepared at these temperatures are respectively (0.39 s, 0.86 s), (0.41 s, 0.42 s), (0.40s, 0.40 s), (0.38 s, 0.40 s) has been determined.