Optik filtre uygulamaları için katmanlı ve katkılı metal oksit filmlerin oluşturulması
Production of layered and doped metal oxide films for optical filter applications
Yazar: DURŞEN SAYGIN HİNCZEWSKİ
Danışman: PROF. DR. FATMA ZEHRA TEPEHAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Metal oksitler = Metal oxides ; Optik sistemler = Optical systems ; Optik özellikler = Optical properties ; Sol-jel yöntemi = Sol-gel method ; İnce filmler = Thin films

Özet:
Fotonik cihazlar öncelikle kendisini oluşturan malzemelerin optik özellikleri (kırma indisi, yutma katsayısı v.b), yapıları ve yüzey pürüzlülükleri gibi özelliklerinin iyi bilinmesiyle oluşturulabilirler. Bu çalışmada sol-jel yöntemi ile hazırlanmış SiO2, TiO2, SiO2-TiO2, ZnO, ZnO-TiO2, WO3, WO3-SiO2, Ta2O5, Ta2O5-CeO2, CeO2 ile alümina ve silika ile katkılandırılmış CeO2 gibi değişik metal oksit malzemelerin söz konusu özellikleri belirlenmiş ve bazılarından belirli dalga boyu aralıkları için yansıtıcı ve yansıtmayıcı sistemler oluşturulmuştur.İlk olarak SiO2 ve TiO2 ince filmlerinden çok-katmanlı optik filtreler oluşturulmuştur. Cam taşıyıcıların her iki yüzünü de simetrik olarak kaplayarak yakın-infrared bölgesi için iki çeşit üç-katmanlı ve yakın-UV bölgesi için de dokuz-katmanlı yansıtıcı filtre tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Çalışmada; tek-katmanlı olarak hazırlanan film ile aynı filmden çok-katmanlı filtre olarak hazırlandığında filmlerin optik sabitlerinde farklılıklar olduğu gözlemlenmiştir. Bu filtreler için film kaplama sürecinde sol-jel film yoğuşmasını içeren basit bir teorik model de geliştirilmiş ve deneysel veriye benzetim yapılarak kaplamalardaki bireysel katmanların özellikleri çıkarılmıştır.İkinci çalışmada görünür bölge için TiO2 ve ZnO-TiO2 veya ZnO ince filmlerinden oluşan yansıtmayıcı filtreler tasarlanmıştır. Öncelikle döndürerek kaplama yöntemi ile tek-katman olarak hazırlanan filmlerin belirli bir dalgaboyu bölgesi için gerekli olan indis vekalınlık değerleri elde edilmiştir. Sonra da bu filmler filtreleri oluşturmak için bir araya getirilmiştir. Oluşturulan filtrelerdeki her bir katmanın optik sabitleri belirlenerek tek-katmanlı filminki ile kıyaslanmıştır. Ayrıca her iki durumdaki filmlerin yüzey yapılarıda kıyaslanmıştır.Üçüncü çalışmada sol-jel döndürerek kaplama yöntemi ile değişik katkı oranlarında (CeO2 solünün katkısı hacimce %0, %5, %10 ve %15 oranlarındadır.) hazırlanmış Ta2O5-CeO2 filmlerinin 300-1000 nm dalga boyu aralığında geçirgenlik ve yansıtma spektrumları,kalınlıkları, kırma indisleri, yutma katsayıları ve yasak enerji aralıklarının değişimleri incelenmiştir. Çalışmada %5 CeO2 katkısında kırma indisinin en yüksek değerde olduğu bulunmuştur. Ayrıca filmlerin farklı özellikleri X ışını kırınımı yöntemi, atomik kuvvet mikroskobu ve Fourier dönüşümlü infrared spektrometresi yöntemleri ile incelenmiştir. Bu filmler literatürde ilk defa yapılmıştır.Bir diğer çalışmada sol-jel döndürerek kaplama yöntemi ile değişik katkı oranlarında (SiO2 mol katkı oranı %0,5-%5'dir.) hazırlanmış ve 250C ve 400C da ısıl işlem yapılmış WO3 ve WO3-SiO2 kompozit filmlerinin optik özelikleri ile yüzey yapısı araştırılmıştır. Geçirgenlik ve yansıtmaları ölçülen söz konusu filmlerin kırma indisleri ve band aralıklarındaki değişim belirlenmiştir. En büyük değişimin 250C'de %2.0-%2.5 SiO2 katkı miktarı ve 400C de %4,0-%4,5 SiO2 katkı miktarında gözlenmiştir. Bu değerlerde filmlerinyüzey yapılarının değişimi de saptanmıştır.Sonuncu çalışmada CeO2 solüne değişik oranlarda silika ve alümina katkısı yapılarak sol-jel döndürme yöntemi ile filmler hazırlanmış ve farklı katkı oranları nedeniyle filmlerin optik ve yapısal özelliklerindeki değişimler belirlenmiştir. Artan silika ve alümina katkı oranı ile yüzeyde ada oluşumları gözlenmiştir. Katkı miktarının belirli bir değerin üzerine çıkması ile bu yapıların kaybolduğu belirlenmiştir. Katkı ile yüzey pürüzlülüğünün de saf CeO2 filmine oranla yaklaşık üç kattan onüç kata kadar arttığı görülmüştür. 500C'de ısıl işlemyapılmış örneklerde katkı miktarının artmasıyla CeO2'in kristalleşme sıcaklığının değişmediği, katkı malzemelerinin ise amorf kaldığı belirlenmiştir.

Abstract:
The photonic devices can be produced first of all by knowing the properties of the materials composing itself like the optics(refractive index, absorption coefficient etx.) structure and surface roughness. In this study these properties were determinedfor sol-gel prepared different metal oxide materials like SiO2, TiO2, SiO2-TiO2, ZnO, ZnO-TiO2, WO3, WO3-SiO2, Ta2O5, Ta2O5-CeO2, CeO2 and CeO2 doped with alumina and silica, and from some of them reflection and antireflection systems were formed for certain wavelength regions.At first, multi-layer optical filters from SiO2 and TiO2 were produced. By coating the films symmetrically on both sides of the glass substrates, two types of three-layer anti-reflective filters for the near-infrared region and a nine-layer reflective filter for the near-UV region were designed and produced. In this study; it has been observed that, if a film is prepeared as a single-layer and if the same film is used in a multi-layer filter, there are differences in the optical constants between these films. A simple theoretical method for these filters was developed, which incorporates sol-gel film densification during the coating process and by fiting it to the experimental data the properties of the individual layers in the coatings were extracted.In the second study, antireflective filters for the visible region were designed composed of TiO2 and ZnO-TiO2 or ZnO thin films. Initially the appropriate refractive indices and thickness needed for a desired wavelength region of single-layer films coated through spin coating method were obtained. Later these films were combined to build the filters. Then the optical constants of the individual films in the obtained filter were extracted and compared to the single-layer ones. Also the surface morphology of the films in both cases were compared.In the third study, the changes in the reflectance and transmittance spectra collected in the spectral range of 300-1000 nm,film thicknesses, refractive indices, absorption coefficients, and optical band gaps of the Ta2O5-CeO2 thin films prepeared in various composition ratios (The doping of the CeO2 sol is in volume ratios 0%, 5%, 10% and 15%.) through the sol-gel spincoating were examined. The highest refractive index value was found at 5% CeO2-doping. Also different properties of the films were examined by X-ray diffractometry, atomic force microscopy and Fourier transform infrared spectrometry. These films were coated in the literature for the first time.In another study the optical properties and surface morphology of WO3 and WO3-SiO2 composite films (The SiO2 doping mol ratio is %0.5-5.0) prepeared in various composition ratios through sol-gel spin coating method and heat treated at 250C and 400C were investigated. The evolution of the refractive indices and band gaps of the films whose transmittance and reflectance has been measured was determined. The most noticable change was observed for 2.0-2.5% SiO2 doping at 250C films and for 4.0-4.5% SiO2 doping at 400C films. Also changes in the surface roughness of the films at these doping values was determined.In the last study, by doping the CeO2 sol with silica and alumina, films were prepeared through the sol-gel coating method andthe changes in the optical and structural properties of the films were observed with varying doping ratios. With the increasing silica and alumina doping islands were observed on the surface. Beyond a certain doping value it was determined thatthese structures had disappeared. It has been seen that with doping the surface roughness increased between three and thirteen times higher than the pure CeO2 films. It is shown that for the samples heat treated at 500C the crystallization temperature of CeO2 did not change with doping, while the silica and alumina components of the films remained amorphous.