Al/p-Si arayüzeyinde farklı oranlarda grafen katkılanmış PVA bulunan yapının frekansa bağlı elektrik ve dielektrik özellikleri
Frequency dependent electrical and dielectric properties of the structure with different ratios of graphene-doped PVAat the Al/p-Si interface
Yazar: MERVE YÜREKLİ
Danışman: PROF. DR. AHMET FARUK ÖZDEMİR
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Dielektrik sabiti = Dielectric constant ; Elektriksel iletkenlik = Electrical conductivity ; Empedans = Impedance ; Kompleksler = Complexes

Özet:
Bu çalışmada; saf, %3 ve %5 grafen katkılı PVA ara katmanına sahip Al / p- Si metal- yarıiletken (MPS) yapının kompleks dielektrik sabitinin (ε′ ve ε′′), kompleks elektrik modülüsünün (M' ve M′′), kompleks empedansı (Z' ve Z′′)'nın gerçek ve sanal bileşenleri, tanjant kaybı (tanδ) ve ac iletkenliği (σ) dört farklı frekans (1, 10, 100 ve 1000 kHz) için ±6V voltaj aralığında empedans ölçümlerinden (Z- V) çıkarıldı ve karşılaştırıldı. C – V ölçümlerinden dielektrik sabitinin gerçek kısmı (ε′), G/w – V ölçümlerinden dielektrik sabitinin sanal kısmı (ε′′) hesaplandı. Deneysel sonuçlar, tüm bu parametrelerin elektrik alanın yanı sıra frekansın da güçlü bir fonksiyonu olduğunu göstermektedir. Bu parametrelerdeki değişimler arayüz / yüzey tuzakları (Nit), yüzey veya dipol polarizasyonun varlığından dolayı küçük frekanslarda oldukça büyüktür. ε' - V ve ε'' - V eğrilerinde gözlemlenen pik ve konumunun kayması, elektrik alan altında tuzaklardaki yüklerin yeniden düzenlenmesi / yapılandırılmasının sonucudur. Bu nedenle, aşırı dielektrik sabiti / dielektrik kayıp düşük frekanslarda gerçek değerlerine ulaşabilir. Ancak, yüksek frekanslarda, Nit ve dipollerin değişen sinyali takip etmek ve kendilerini döndürmek için yeterli zamanı yoktur. Nit tükenme bölgesinde etkili bulunurken, seri direnç birikim bölgesinde etkili bulunmuştur. ɛ' ve ε′′ değerlerinin frekansla artması, dopingin polarizasyona ek katkısına bağlanmıştır. M' ve M'' değerleri artan frekansla artmakta ve yük taşıyıcıların yüksek frekanslarda kısa menzilli hareketliliği iletme mekanizmasına katkılarından dolayı gevşeme süreci ile tersinim bölgesinde maksimum değerlere ulaşmaktadır. σac'nin yüksek frekanslardaki değerleri ac iletkenliğe karşılık gelirken, düşük frekanslardaki değerleri dc iletkenliğe karşılık gelir. Z' ve Z'' değerleri, tükenme ve birikme bölgelerinde artan frekansla azalır ve hoping mekanizması nedeniyle birikme bölgesindeki elektrik alan ve frekanstan bağımsızdır. Ayrıca saf, %3 ve %5 grafen katkılı PVA ara katmanına sahip Al / p- Si metal- yarıiletken (MPS) yapının elektrik ve dielektrik parametrelerinin voltaja bağlı değişimleri 100 kHz ve 1 MHz frekanslarda karşılaştırmalı olarak çizildi. Bu karşılaştırmadan %3 Gr:PVA'nın daha parametreleri daha iyi hale getirdiği belirlendi. Bu sonuçlar, (Gr / PVA) ara katmanının, düşük maliyet / ağırlık, esneklik ve yüksek şarj/enerji depolama kapasitesi nedeniyle geleneksel oksitler / yalıtkanlar yerine başarıyla kullanılabileceğini göstermektedir.

Abstract:
In this study; the real/imaginary components of complex-dielectric (ε′, ε′′), complex electric-modulus (M', M′′), complex empedance (Z', Z′′), loss-tangent (tanδ), and ac-conductivity () of the Au/n-Si (MS) structure with pure, %3, and %5 graphene-doped PVA interlayer for four different frequencies (1,10,100, and 1000 kHz) were extracted from the impedance-measurements (Z-V) in voltage range of ±6V and compared each other. The real part (ε′) of the dielectric constant from the C – V measurements, and the imaginary part (ε′′) of the dielectric constant from the G/w – V measurements were calculated.Experimental results are indicated that all these parameters are strong function of frequency as well as electric field. The changes in these parameters are quite large at small-frequencies due to the existence of interface/surface traps (Nss), surface or dipole polarization. The observed peak in the ′-V and ′′-V curves and shift its position is the result of reordering/restructuring of charges at traps under electric-field. Therefore, both an excess dielectric-constant/dielectric-loss may be supplied to the real-value of them at low frequencies. But, at high-frequencies, Nss and dipoles have not enough-time to follow the alternating-signal and to rotate themselves, respectively. While Nss were found effective in depletion-region, but series-resistance and interlayer at accumulation region. The increase in ɛ' and ε′′ values with frequency was attributed to the additional contribution of doping to polarization. The M' and M'' values increase with increasing frequency and reach their maximum values in the reversal region with the relaxation process due to their contribution to the transmission mechanism of the short range mobility of the charge carriers at high frequencies. Values of σac at high frequencies correspond to ac conductivity, while values at low frequencies correspond to dc conductivity. Z' and Z'' values decrease with increasing frequency in the depletion and accumulation regions and are independent of the electric field and frequency in the accumulation region due to the hop mechanism. In addition, the voltage dependent changes of the electrical and dielectric parameters of the Al / p - Si metal - semiconductor (MPS) structure with pure, 3% and 5% graphene doped PVA interlayer were drawn comparatively at 100 kHz and 1 MHz frequencies. From this comparison, it was determined that 3% Gr:PVA made the parameters better. These result show that (Gr:PVA) interlayer can be successfully used instead of conventional-oxides/insulators due to its low-cost/weight, flexibility, and high-charges/energy storage capacity.