Bor nitrür kaplanmış malzemlerde yarı iletkenlik özellikler
Semiconductivity properties in boron nitride coated materials
Yazar: KAAN SOYSAL
Danışman: PROF. DR. AYŞE MURATHAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bor nitrür (BN) amorf, turbostratik, rombohedral, vürtzit, hegzagonal ve kübik kristal yapısından dolayı farklı kullanım alanlarına sahiptir. BN'nin elektriksel iletkenlik özeliğini ortaya çıkarabilmek amacıyla, üre (CO(NH2)2) ve borik asidin (H3BO3) reaktant olarak seçildiği bu çalışmada, ayrışma reaksiyonlarından elde edilen dimerleşmiş üre, bor oksit (B2O3) ve amonyak (NH3) reaksiyonlarından, sırasıyla standart şartlardaki Gibbs serbest entalpileri, denge sabitleri, 200 °C, 300 °C ve 1000 °C'deki Gibbs serbest entalpileri hesaplandı. Negatif Gibbs serbest entalpiye sahip reaksiyonlar kuvars camdan imal edilmiş reaktörde yürütüldü. Reaksiyon şartları olarak atmosferik basınçta ve yoğun azot ortamında farklı sıcaklık, farklı süre ve farklı reaktant kütle oranları kullanıldı. Bu şartlarda yarı iletken malzeme olan silisyum karbür (SiC) matriksinde kimyasal buhar biriktirme yöntemi (KBB) ile BN kaplama yapıldı. Yüzeyde oluşan B2O3 yapısını gidermek amacıyla metanol kullanıldı. Metanol gideriminden sonra numuneler izostatik preste kalıplandı. Kalıplanan numuneler vakumlanarak degaze edilmiş fırında, 1500 °C'de azot atmosferinde sinterlendi. XRD, SEM, EDX ve FTIR analizlerinden, 1000 °C ve 1100 °C'de yoğun azot atmosferinde yapılan kaplamalarda epitaksiyal büyütme sonucunda elde edilen yapıların turbostratik BN yapısı yanı sıra hegzagonal BN olduğu anlaşıldı. BN kaplaması yapılan SiC'nin yarı iletken özelik gösterdiği ve ortalama özdirenç değerinin 6,07x1011 Ω.cm; iletkenliğinin ise 0,17x10-11 S/cm olduğu tespit edildi. Bu sonuçların, elektrik-elektronik uygulamalarında ileri teknoloji imkânları sağlayacağı düşünülmektedir.

Abstract:
It is due to the amorphous, turbostratic, rhombohedral, wurtzite, hexagonal, and cubic crystal structures of boron nitride (BN) that this compound has a number of various application areas. In this study, in order to introduce the electrical conductivity of BN, urea (CO(NH2)2) and boric acid (H3BO3) were used as reactants. The Gibbs free enthalpy under standard conditions, equilibrium constants and the Gibbs free enthalpy at 200 °C, 300 °C and 1000 °C of the reactions of dimerized urea, boron oxide (B2O3) and ammonia (NH3) were calculated. The reactions with negative Gibbs free enthalpy were conducted in a reactor produced with quartz glass. As the underlying conditions, different temperatures, different times and different reactant-mass ratios at atmospheric pressure and nitrogen atmosphere were studied. Under these circumstances, semiconductor silicon carbide (SiC) matrix was coated with BN by using chemical vapor deposition (CVD) method. Methanol was used to remove the unwanted B2O3. After the removal, the samples were isostaticly pressed. The samples were then sintered at 1500 °C, under nitrogen atmosphere in a degassed reactor. Through the XRD, SEM, EDX and FTIR analyses, it was shown that the epitaxial growth at 1000 °C and 1100 °C under dense nitrogen atmosphere took place as turbostratic BN structure as well as hexagonal BN structure. The BN coated SiC indicated semiconductor properties, with average resistivity of 6,07x1011 Ω.cm and conductivity of 0,17x10-11 S/cm. These results open up advanced technology possibilities for further research on electrical-electronical applications.