Bizmut sülfür tabanlı ince filmlerin spin kaplama yöntemiyle büyütülmesi ve karakterizasyonu
Deposition and characterization of bismute sulphite based thin films by spin coating method
Yazar: ÖZGÜR KARSANDIK
Danışman: PROF. DR. HAMİDE KAVAK
Çukurova Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Perovskitler = Perovskite ; Spin kaplama tekniği = Spin coating technique ; Üretim parametreleri = Production parameters ; İnce filmler = Thin films

Özet:
Bu çalışmada çevre dostu, doğada bol bulunan ve düşük maliyetli bizmut ve sülfür kullanılarak Bi2S3 ince filmlerin sol-jel spin kaplama yöntemle hazırlanması çalışılmıştır. Bi2S3 yarıiletkenler doğal n-tipi özellik göstermekte, opto-elektronik uygulamalar için çok uygun yasak bant aralığına ve soğurma özelliklerine sahiptir. Bi2S3 ince filmler güncel ve umut veren perovskit güneş pili yapılarda kurşun yerine alternatif olarak kullanılan güncel yapılardır. Doğal n-Bi2S3 ince filmler spin kaplama yöntemiyle hazırlanarak tavlama ortamının, film kalınlığının ve tavlama sıcaklığının yarıiletken özellikleri üzerine etkisi ayrıntılı incelenmiştir. Beş kat kaplanan Bi2S3 ince filmin tavlama işlemi metal tüp içerisinde yapıldığından dolayı ortamdaki sülfür buhar basıncının film kristalliğini önemli ölçüde arttırdığı görülmüştür. Tüp içerisinde tavlanarak hazırlanan Bi2S3 ince filmin X-ışını kırınım desenlerinden, kristalik yapıda olduğu ve ortorombik yapıda büyüdüğü görülmüştür. Kalınlığa bağlı karakterizasyon sonuçlarından film kalınlığı arttıkça Bi2S3 kristalit boyutunun arttığı saptanmış, ideal film kalınlığı 650 nm (10-katman) olarak belirlenmiştir. UV-Vis ölçümlerinde filmlerin direkt bant aralıklı özellikte olduğu görülmüştür. Tavlama sıcaklığı 300-550 C aralığında değiştirilerek hazırlanan filmler karakterize edildiğinde ideal tavlama sıcaklığının 350 C olduğu görülmüştür. Hazırlanan filmlerin yasak enerji aralığının üretim parametrelerine bağlı olarak 1,5 eV–2,60 eV arasında değiştiği belirlenmiştir. Filmlerin elektriksel iletkenlik (σ) değerleri 9,79E-7 – 2,40E-5 Ω-1cm-1 arasındadır. İdeal Bi2S3 yarıiletken ince filmler için en uygun üretim parametreleri; 10 kat ve tüp içerisinde 350 C de tavlanması olarak belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Bi2S3 İnce Film, Spin kaplama, Perovskit, Üretim parametreleri

Abstract:
In this study, the preparation of Bi2S3 thin films by sol-gel method was investigated using environmentally friendly, naturally abundant and cheap bismuth. Bi2S3 semiconductors have naturally n-type properties and have optical band gap and absorption properties that are well suited for opto-electronic applications. Bi2S3 thin films are recently well studied and promising structures used as an alternative to toxic lead element in perovskite solar cell structures. n-Bi2S3 thin films were prepared by spin coating method and the effects of annealing environment, film thickness and annealing temperature on semiconductor properties were investigated in detail. When the annealing process of the five-layer Bi2S3 thin film is performed in a sealed metal tube, it has been observed that the sulfur vapor pressure in the environment significantly increases the film crystallinity. It has been observed that the Bi2S3 thin film prepared by annealing in the tube has crystal and orthorhombic structure from X-ray diffraction patterns. In thickness-dependent characterizations, it was determined that as the film thickness increased, the crystal size of Bi2S3 increased and the ideal film thickness was 650 nm (10 times). In UV-Vis measurements, it has been observed that the films have direct band gap properties. During the thermal characterization, by changing the annealing temperature in the range of 300-550 C, it was found that the ideal annealing temperature was 350 C and the optical band gap range of the prepared films was 1,5 eV–2,60 eV, depending on the production parameters. The electrical conductivity (σ) values of the films are between 9,79E-7 – 2,40E-5 Ω-1 cm-1. The optimum growth parameters for ideal Bi2S3 semiconductor thin films were determined as 10-layer annealing at 350 C in a tube.

Keywords: Bi2S3 Thin Film, Spin coating, Perovskite, Preparation parameters.