Magnetron sıçratma yöntemiyle farklı zirkonyum katkılama oranlarıyla hazırlanan tungsten oksit ince filmlerinin karakterizasyonu ve elektrokromik özelliklerinin incelenmesi
Characterization and investigation  of electrochromic properties of zirconium doped tungsten oxide thin films coated by magnetron sputtering method
Yazar: CEREN GİRAY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ EFE BATURHAN ORMAN ; PROF. DR. ALİ RIZA ÖZKAYA
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fizikokimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Elektrokimya = Electrochemistry ; Elektrokimyasal davranış = Electrochemical behavior ; Elektrokimyasal yöntem = Electrochemical method ; Elektrokimyasal ölçümler = Electrochemical measurements ; Elektrokromizm = Electrochromism

Özet:
Elektrokromik camlar, bir elektrik akımı uygulandığında renk değişimi gösteren cihazlardır. Bu renk değişimi camın üzerine yapılan kaplamalar vasıtasıyla olur. Elektrokromik camların oluşturduğu sistem, literatürde akıllı cihazlar olarak adlandırılır. Akıllı cihazlar; cam, saydam iletken tabaka (ITO), katodik tabaka, iyon taşıyıcı, anodik tabaka, transparan iletken tabakadan oluşur. 
Anodik ve katodik tabakanın modifikasyonu, elektrokromik temelli uygulamaların önde gelen araştırma konularından biridir. Akıllı cihazlardaki renklenme için katodik tabakanın ve anodik tabakanın içerisine iyon giriş-çıkışı gerekmektedir. 
Bu tez çalışmasında; renklenen akıllı cihazların, katodik tabakasında kullanılmak üzere çeşitli oranlarda Zirkonyum (Zr) katkılanmış Tungsten Oksit (WO3) filmleri oluşturulup, bu filmlerin Li+ iyonu içeren bir sıvı elektrolit içerisindeki elektrokromik ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Amaç, katodik tabakanın; renk değişiminin yüksek olması ve yaşam ömrünün literatürdeki diğer çalışmalara göre uzun olmasını sağlamaktır. 
Saydam iletken tabaka olarak kullanılan ITO elektrotlara, elektrokromik tabaka oluşturmak için farklı parametrelerde kaplamalar yapılmıştır. Magnetron sıçratma yöntemiyle %50 oksijen, %50 argon gazı olan ortamda 45 Watt (W) güçte Tungsten (W) metal hedefi kullanılarak katkısız WO3  filmi oluşturulmuştur. Ayrıca 45 W Tungsten metal hedefi ile aynı anda Zr metal hedefi 10 W, 20 W, 30 W, 40 W güçlerde yakılarak Zr:WO3 katkılı filmleri oluşturulmuştur. Bütün fimlerin kalınlıkları birbirine yakın olup yaklaşık 130 nm civarıdır. Örneklerin hepsi Taramalı Elektron Mikroskobu – Enerji Dağılım Spektrometresi (SEM-EDS) yöntemiyle karakterize edilmiştir. Yüzey ve tanecik özelliklerine taramalı elektron mikroskobu (SEM), atomik kuvvet mikroskobu (AFM), X ışını kırınımı (XRD) yöntemleri kullanılarak bakılmıştır. Elektrokromik özellikleri; Dönüşümlü voltametri (CV), Kronoamperometri (CA) ve eş zamanlı Ultraviyole – Görünür Işık (UV-Vis) Spektrofotometri yöntemleri kullanılarak belirlenmiştir. Elektrokimyasal karakterizasyon ve elektrokromik özelliklerin tayini için üç elektrotlu sistem kullanılmıştır. CV ve CA grafiklerine bakılarak filmlere iyon giriş-çıkış miktarları ve optik yoğunluklar hesaplanmıştır. Elektrokimyasal ölçümler, eş zamanlı spektroelektrokimyasal ölçümlerle (UV–Vis) birlikte değerlendirilmiş ve filmlerin geçirgenlik farkları kıyaslanmıştır. Her bir filmin yaşam ömrü belirlenip, hangi filmin kaç çevrime kadar kararlılığını koruduğu ve  hangi katkılanma oranıyla hazırlanan filmin daha dayanıklı olduğu incelenmiştir. Bu sonuçların ışığında; %1,4 ve %2,8 Zr katkılama oranı ile oluşturulan filmlerin daha uzun ömürlü ve daha yüksek verimlilikte çalıştıkları gözlenmiştir. Metal oksit temelli ince filmlerinin elektrokromik açıdan incelenmesi hakkında pek çok araştırma gerçekleştirilmektedir. 
Manyetik sıçratma yöntemiyle elde edilen Zr katkılı WO3 filmlerin; elektrokromik özelliklerinin ve bu özelliklere farklı oranlarda katkılama etkisinin incelenmesi hakkında benzer bir çalışmaya literatürde rastlanmamıştır. Bu tez çalışmasından çıkacak sonuçlar, akıllı cihazlarda kullanılabilecek malzemelere farklı bir boyut kazandırabilir.

Abstract:
Electrochromic glasses are devices that show color change when electric current is applied. This color change occurs through coatings applied to the glass. The system created by electrochromic glasses is referred to as smart devices in the literature. Smart devices consist of glass, transparent conductive layer (ITO), cathodic layer, ion conductor, anodic layer, and transparent conductive layer.
Modification of the anodic and cathodic layers is one of the leading research topics in electrochromic-based applications. Ion intercalation and de-intercalation into the cathodic and anodic layers are required for coloration in smart devices.
In this thesis study, various ratios of Zirconium (Zr)-doped Tungsten Oxide (WO3) films were grown for use in the cathodic layer of color-changing smart devices, and electrochromic measurements of these films were conducted in a liquid electrolyte containing Li+ ions. The aim was to ensure a high color change and long life time of the cathodic layer compared to other studies in the literature.
ITO electrodes, used as transparent conductive layers, were coated with different parameters to create an electrochromic layer. Undoped WO3 films were created using a Tungsten (W) metal target with 45 Watts (W) growth power, the sputter consisting of 50% oxygen and 50% argon gases, using magnetron sputtering. In addition, Zr:WO3 doped films were created by simultaneously sputtering Zr metal targets with 45 W Tungsten metal target at growth power of 10 W, 20 W, 30 W, and 40 W. The thickness of all films was approximately 130 nm. All samples was characterized using Scanning Electron Microscope - Energy Dispersive Spectroscopy (SEM-EDS). Surface and particle properties were examined using scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), and X-ray diffraction (XRD) methods. Electrochromic properties were determined using Cyclic Voltammetry (CV), Chronoamperometry (CA), and simultaneous Ultraviolet - Visible Light (UV-Vis) Spectrophotometry methods. A three-electrode system was used for electrochemical characterization and determination of electrochromic properties. The ion intercalation/de-intercalation amounts and optical densities of the films were calculated by examining CV and CA graphs. Electrochemical measurements were evaluated along with in-situ spectroelectrochemical (UV–Vis) measurements, and the transmittance differences of the films were compared. The long life time of each film was determined. The stability of each film was investigated to determine at which cycles it remained stable and which doping ratio resulted in more durability. Based on these results, it was observed that films created with Zr doping ratios of  1,4% and 2,8% exhibited longer life time and higher efficiency. Numerous studies have been conducted on the electrochromic examination of metal oxide-based thin films.
A similar study investigating the electrochromic properties of  Zr-doped WO3 films obtained by magnetron sputtering and the effect of different doping ratios on these properties has not been found in the literature. The results obtained from this thesis study can provide a different dimension to materials that can be used in smart devices.