Katkılı ve katkısız çinko oksit (ZnO) ince filmlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of doped and undoped zinc oxide (ZnO) thin films
Yazar: İDRİS SORAR
Danışman: PROF. DR. FATMA Z. 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: Elektriksel özellikler = Electrical properties ; Optik özellikler = Optical properties ; Sol-jel yöntemi = Sol-gel method ; Yapısal özellikler = Structural properties ; Çinko oksit = Zinc oxide

Özet:
Çinko oksit (ZnO) yasak band aralıgı »3.3 eV olan ve elektromanyetikspektrumun genis bir aralıgında yüksek geçirgenlige sahip bir malzemedir. Uygunkatkı malzemeleri kullanarak optik, yapısal ve elektriksel özelliklerini iyilestirmekmümkündür. Çinko oksit ucuzlugu, saglıga zararlı olmaması ve diger seffaf iletkenmalzemelere alternatif olma potansiyelindan dolayı son yıllarda yaygın olarakçalısılmaktadır.Katkılı ve katkısız ZnO filmler farklı metodlarla hazırlanmaktadır. Bunlarınarasında sol-jel metodu genis yüzeylere ucuz bir maliyetle kolay uygulanabilirligive film kompozisyonunun kontrolünün kolaylıgı sebebiyle tercih edilmektedir.Bu çalısmada sol-jel spin kaplama metoduyla katkılı ve katkısız ZnO filmlerhazırlanmıstır. Sol hazırlamada baslangıç malzemesi olarak çinko asetat dihidrat,stabilizör olarak diethanolamine ve çözücü olarak 2-propanol kullanılmıstır.Katkı malzemesi olarak seçilen Si, Al ve Ga için kullanılan baslangıç malzemelerisırasıyla tetraetilortosilikat, alüminyum klorür hexahidrat ve galyum(III)klorür'dür.Farklı sol konsantrasyonları kullanılarak katkısız ve silisyum, aluminyum, galyumve bunların ikili kompozisyonları ile katkılandırılmıs ZnO ince filmler sol-jel spinkaplama metodu ile Corning 2947 tasıyıcılar üzerine hazırlanmıstır. Hazırlananfilmlere farklı sıcaklıklarda ve farklı sürelerde ısıl islem uygulanmıstır. Eldeedilen çinko oksit ince filmlerin optik, yapısal ve elektriksel özelliklerinin sol vekatkı konsantrasyonu ve ısıl islem sıcaklıgına baglı degisimi incelenmistir. Buçalısmada, farklı sol konsantrasyonları ve ısıl islem süreleri için tasıyıcıdan gelensodyum difüzyonunun etkisi de analiz edilmistir.Hazırlanan filmlerin optik parametreleri bir NKD spektrofotometresinden eldeedilmistir. Filmlerin kristal yapısı ve yüzey morfolojisi sırasıyla X-IsınıKırınımı (XRD) ve Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ile analiz edilmistir.Filmlerin derinlik profil analizleri GD-OES (Glow Discharge Optical EmissionSpectroscopy) cihazı ile yapılmıstır. Elektriksel özdirençler dört-nokta probteknigi ile belirlenmistir.

Abstract:
Zinc oxide (ZnO) is a semiconducting material with »3.3 eV band gap and hashigh transparency in a wide range of electromagnetic spectrum. It is possibleto enhance the optical, structural and electrical properties by using appropriatedoping materials. Zinc oxide has been studied widely since its inexpensiveness,non-toxicity and being a potentially alternative to other transparent conductingmaterials.Doped and undoped ZnO films are prepared by various methods. Among them,sol-gel method is preferred since its advantages of easy control of the filmcomposition and easy fabrication of large-area films with low cost.In this study, doped and undoped ZnO films were prepared by sol-gel spin coatingmethod. Zinc acetate dihydrate as precursor, diethanolamine as stabilizer and2-propanol as solvent were used to prepare solution. The precursors used for Si,Al and Ga doping were tetraethylorthosilicate, aluminum chloride hexahydrateand gallium(III) chloride, respectively.Undoped ZnO and silicon (Si), aluminum (Al), gallium (Ga) and their binarycombinations doped ZnO thin films were prepared on Corning 2947 substrates bysol-gel spin coating method by using different sol concentrations. Prepared filmswere annealed at different annealing temperatures and times. The effect of soland dopant concentration and annealing temperature on the optical, structuraland electrical properties of zinc oxide thin films were investigated. In this study,the effect of sodium diffusion from the substrate was also analyzed for differentsol concentrations and annealing times.Optical parameters of the films were obtained from an NKD spectrophotometer.The crystalline structure and surface morphology of the films were analyzed byX-Ray Diffraction (XRD) and Atomic Force Microscopy (AFM), respectively.Depth profile analysis of films were performed with GD-OES (Glow DischargeOptical Emission Spectroscopy) instrument. Electrical resistivities weredetermined by four-point probe technique.