NiO ince film bazlı elektrokromik kaplama/cihaz tasarımı, hazırlanması ve karakterizasyonu
Design, preparation and characterization of electrochromic coating/device based on NiO thin film
Yazar: GAMZE ATAK
Danışman: DOÇ. DR. ÖZLEM DUYAR COŞKUN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Sıçratma işlemi = Sputtering ; İnce filmler = Thin films

Özet:
Elektrokromizm temelde, elektrokromik malzeme üzerine uygulanan elektriksel gerilim ile tersinir olarak malzemenin optik özelliklerinin değişmesi mekanizmasıdır. Malzemenin rengi, optik geçirgenliği, yansıtması ve soğurganlığı gibi özellikleri değişmektedir. Optik özelliklerinin değişmesi görsel olarak kendini renk değişimi ile göstermektedir.
Ekran, cam, ayna gibi temel kullanım alanı olan elektrokromik (EC) kaplamalar/aygıtlar günlük hayatımızda yerini almaya başlamıştır. Özellikle mevcut enerji kaynaklarının verimli kullanımının önemli olduğu günümüz şartlarında, güneş ışınımının etkin kullanımı bir başka deyişle enerji tasarrufunun sağlanmasında akıllı camlar ön plana çıkmaktadır.
Mevcut kullanımda olan elektrokromik aygıtların kararlılık ve yaşam ömürleri ile ilgili sorunlar bu konuda araştırmaların hız kazanmasını sağlamaktadır. Geniş yüzeylerde renklenmenin/şeffaflaşmanın homojen olmayışı da çalışmaların bu alanda yapılmasını gerektirmektedir. 1980'li yıllardan bu yana çalışılan metal oksit elektrokromik malzemelerde halen renklenme mekanizması tam olarak anlaşılmamıştır. Kullanıcı kontrollü olarak anahtarlama süresinin ayarlanması da bir başka sorundur. Özellikle en çok çalışılan anodik elektrokromik malzemelerin başında gelen NiO ince filmlerde renklenme/şeffaflaşma sürecinin film büyütme parametrelerine göre optimize edilmesi gerekmektedir. 
Bu çalışmada RF magnetron kopartma yöntemi ile hazırlanan ince filmlerin büyütme koşullarına bağlı olarak optimizasyonu yapılmıştır. Aygıt üretimi için kullanılacak NiO ince filmlerin optik, elektrokimyasal, yapısal özellikleri ayrıntılı olarak incelenmiştir. Bu amaçla farklı alttaş sıcaklıklarında, farklı kalınlıklarda, farklı argon kısmi basınçlarında, farklı RF kopartma güçlerinde, farklı oksijen ve hidrojen kısmi basınçlarında ve tavlama sıcaklıklarında NiO ince filmler hazırlanmıştır. Filmlerin elektrokromik özellikleri üzerinde çözelti molaritesinin, tarama hızının, çevrim sayısının etkisi incelenmiştir. Yüksek renklenme verimi ve optik modülasyon değerine sahip NiO ince filmlerde renklenme ve şeffaflaşma süreçlerinin anlaşılabilmesi için renkli ve şeffaf hallerde XPS ve XRD ölçümleri yapılmıştır.
Tezin sonraki aşamasında, yüksek renklenme verimi ve optik modülasyona sahip NiO ince filmlerin kullanıldığı lamine ve tamamen katı hal ince film yapısında EC aygıt tasarlanarak, fabrikasyonları ve karakterizasyonları yapılmıştır. Bu amaçla aygıtlar içinde kullanılacak diğer katmanların da optik ve elektrokromik özellikleri incelenmiştir.
Bu çalışmada NiO anodik elektrokromik katman olarak farklı konfigürasyonlara sahip özel tasarım elektrokromik aygıtların (ECD) fabrikasyonu yapılmıştır. ECD'ler lamine ve tamamen katı bir yapıda üretilmiştir. Aygıtlarda kullanılan tüm ince filmler RF magnetron kopartma tekniği kullanılarak büyütülmüştür. Aygıtlarda ITO ve WO3 ince filmleri sırasıyla şeffaf iletken katman ve katodik katman olarak kullanılmıştır.
Islak ve kuru lityumlama süreçleri ticari uygulamalar için üretimi yapılacak EC aygıtlar için ayrıntılı olarak incelenmiştir. Propilen karbonat içinde çözünmüş lityum perklorat, propionik asit, potasyum klorat çözeltileri lamine ECD'ler için iyon iletken katman olarak seçilmiştir. Tamamen katı hal aygıtlar için, iyon iletken katman olarak ZrO2, Ta2O5 ve LiNbO3 gibi oksit ince filmler kullanılmıştır. Bu aygıtların elektrokromik performansı araştırılmıştır.

Abstract:
Electrochromism is the fundamental mechanism by which the optical properties of the material change in a reversible manner with the electrical voltage applied on the electrochromic material. Color, optical transmittance, reflectance, and absorbance of the electrochromic material change. Variation in optical properties emerge visually as color change.
Electrochromic (EC) coatings / devices such as screen, glass, and mirror, which have basic usage areas, have just started to be seen in our daily lives. Particularly in today's world, where efficient use of existing energy sources is a major concern, smart glasses come to the forefront for effective use of the solar radiation, in other words, to ensure energy saving.
Problems related with the stability and lifetime of the electrochromic devices currently in use speed up the research in this area. Non-homogeneous coloration/bleaching on large surfaces requires further research. Adjustment of the user-controlled switching period is also another problem. Although the coloration mechanism of the metal oxide electrochromic materials has been studied since the 1980s has still not been fully understood. In particular, the coloration / bleaching processes of NiO thin films which are one of the most studied anodic electrochromic materials, need to be optimized depend on the film deposition and post-deposition parameters.
In this study, the optimization of the deposition parameters of the NiO thin films deposited by RF magnetron sputtering was done. Optical, electrochromic and structural properties of NiO thin films were investigated in detail. Effects of deposition parameters such as working pressure, RF power, substrate temperature, argon gas pressure and partial pressure of oxygen and hydrogen in argon were studied. Influence of different electrolyte solutions, solution molarity, scanning rate, and number of cycles on the electrochromic properties of these films was investigated. XPS and XRD measurements were performed for the colored and bleached state of the NiO thin films exhibited large optical modulation and high coloration to understand the coloration and bleaching processes in the films.
Then, custom design electrochromic devices (ECD) with different configurations were fabricated using the NiO film as an anodic layer developed on this study. The ECDs were fabricated in a laminated and an all-solid state structures. All thin films employed in the ECDs were also deposited using RF magnetron sputtering technique. ITO and WO3 thin films were used as transparent conductive layer and cathodic layer, respectively in the devices. 
The wet and dry lithiation processes were studied in detail with the aim of fabricating ECDs for the commercial applications in this study. Propionic acid, potassium chlorate, lithium perchlorate solutions dissolved in propylene carbonate were selected as ion-conducting layer for the laminated ECDs. For the all-solid-state devices, oxide thin films such as ZrO2, Ta2O5 and LiNbO3 were used as ion-conducting layer. The electrochromic performance of these devices were investigated.