Kalkojenit temelli nanokompozit ince filmlerin üretilmesi ve optoelektronik cihaz uygulaması
Production of chalcogenide based nanocomposite thin films and optoelectronic device application
Yazar: HÜSEYİN KAAN KAPLAN
Danışman: PROF. DR. SERTAN KEMAL AKAY
Bursa Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Genel Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Elektriksel iletkenlik = Electrical conductivity ; Elektrooptik aletler = Electo-optic devices ; Fotodiyot = Photodiode ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Seramik kompozitler = Ceramic composites ; Yüksek iletkenlik = High conductivity ; Çinko sülfür = Zinc sulfide

Özet:
Günümüzde, ITO, FTO gibi n-tipi şeffaf iletken materyaller ticari seviye birçok optoelektronik cihaz uygulamasında kullanılabilecek gelişimi yakalamışken, performansı yeterince yüksek p-tipi şeffaf iletken ince-film materyaller henüz geliştirilememiştir. Bu nedenle, bu tez çalışmasında termal buharlaştırma yöntemi kullanılarak, nanokompozit yapılı (CuS)x:(ZnS)1-x p-tipi şeffaf iletken ince-filmlerin üretilmesi üzerine çalışmalar yürütülmüştür. Bakır sülfür ve çinko sülfür mikro-tozlarının belirli oranda karıştırılmasıyla hazırlanan pellet kaynaklardan termal buharlaştırma yöntemiyle Si ve cam alttaşlar üzerine farklı x değerleri için (CuS)x:(ZnS)1-x ince-filmler büyütülmüştür. Üretilen bu numunelerin X-ışını kırınımı analiziyle iki bileşiğe de ait nano-kristallerinden oluştuğu ve kristal tane boyutlarının (CuS)0,49:(ZnS)0,51 numunesinde 30 ile 86 nm aralığında değiştiği belirlenmiştir. FESEM analiziyle alınan yüzey ve kesit görüntülerinden hem yüzeyin oldukça düzgün ve homojen olduğu hem de kalınlığın üretim esnasında ölçülen değerler (50 nm) ile tutarlı olduğu belirlendi. Ayrıca, FESEM incelemesi sırasında yapılan EDS analiziyle de elementel kompozisyonları belirlendi. Moleküler yapıyı ve bileşen elementlerin iyonik durumlarının incelenmesi için XPS analizi yapıldı, elde edilen bulgularla XRD analizinden elde edilen bulgular doğrulandı. UV-Vis spektrofotometre ölçümleri uygulanarak filmlerin 550 nm dalgaboyundaki optik geçirgenliklerinin %65 ile %83 arasında değiştiği, yani oldukça şeffaf oldukları belirlendi ve enerji bant aralığı (Eg) değerleri Tauc metodu kullanılarak hesaplandı. Hall Etkisi ölçümleriyle elektriksel parametreler belirlendi. (CuS)0,49:(ZnS)0,51 numunesinde 5,24×1021 cm-3 hol konsantrasyonu, 1,69 cm2·V-1·s-1'lik mobilite değerleri ve 1420 S/cm gibi çok yüksek bir p-tipi iletkenlik değeri ölçüldü. Böylesine yüksek hol konsantrasyonuna sahip olmasının nedeni moleküler analiziyle açıklandı. Tüm bunlara ek olarak nanokompozit yapılı (CuS)x:(ZnS)1-x ince-filmlerden Si tabanlı üç tane fotodiyot da üretildi. Spektral fotoakım ölçümleriyle yapılan analizlerle çoğu ticari seviye fotodiyotu aşan foto-duyarlılık ve dedekte edebilme kabiliyetine sırasıyla, 11,4 A/W ve 3,2×1013 Jones değerleriyle sahip olduğu belirlendi. Bununla beraber, yüzde yüzü aşan az rastlanır EQE (kuantum verimi) değeri %2,85×103 (p-CZS49/n-Si için) elde edildi.

Abstract:
Today, while n-type transparent conductive materials such as ITO and FTO have achieved the development that can be used in many commercial-level optoelectronic device applications, p-type transparent conductive thin-film materials with high performance have not been developed yet. Therefore, in this thesis, studies were carried out on the production of nanocomposite (CuS)x:(ZnS)1-x p-type transparent conductive thin films by using the thermal evaporation method. (CuS)x:(ZnS)1-x thin-films for different x values were grown on Si and glass substrates by thermal evaporation method from pellet sources prepared by mixing copper sulfide and zinc sulfide micro-powders at a certain rate. By X-ray diffraction analysis of these produced samples, it was determined that they consisted of nano-crystals of both compounds, and the crystal grain sizes in (CuS)0.49:(ZnS)0.51 changed between 30 and 86 nm. From the surface and cross-section images taken by FESEM analysis, it was determined that the surface was quite smooth and homogeneous, and the thickness was consistent with the values measured during production (~50 nm). Additionally, elemental compositions were determined by the EDS analysis performed during the FESEM analysis. XPS analysis was performed to examine the molecular structure and ionic states of the component elements, and the findings obtained from the XRD analysis were confirmed. By applying UV-Vis spectrophotometer measurements, it was determined that the optical transmittance of the films at 550 nm wavelength ranged between 65% and 83%, that is, they were quite transparent, and the energy band gap (Eg) values were calculated using the Tauc method. Electrical parameters were determined by means of Hall Effect measurements. In the (CuS)0.49:(ZnS)0.51 sample, a hole concentration of 5.24×1021 cm-3, mobility value of 1.69 cm2·V-1·s-1 and a very high p-type conductivity value of 1420 S/cm was measured. The reason for having such a high hole concentration was explained by its molecular analysis. In addition to all these, three Si-based photodiodes were produced from nanocomposite (CuS)x:(ZnS)1-x thin films. With the analyzes made from spectral photocurrent measurements, it was determined that it has responsivity and detectivity capabilities, which exceed most commercial-level photodiodes, with 11.4 A/W and 3.2×1013 Jones values, respectively. However, a rare EQE (quantum efficiency) value exceeding one hundred percent was obtained as 2.85×103% (for p-CZS49/n-Si).