Hidrotermal yöntem ile üretilen nikel (Nİ) ve gadolinyum (GD) katkılı zno nanoçubuk ince filmlerin karakterizasyonu
Characterization of nickel (Nİ) and gadolinium (GD) doped zno nanorod thin films produced by hydrothermal method
Yazar: TURGAY SEYDİOĞLU
Danışman: PROF. DR. ÖZGÜR ÖZTÜRK
Kastamonu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Hidrotermal = Hydrothermal ; Nanoçubuk = Nanorod ; Çinko oksit = Zinc oxide

Özet:
Bu çalışmada, büyüme sıcaklığının ve katkı konsantrasyonunun Gd ve Ni katkılı çinko oksit nanoçubukların (ZnO NR'lar) özellikleri üzerindeki etkisini inceledi. ZnO çekirdekleyici tabaka, sol-jel ve daldırmalı kaplama yöntemi kullanılarak cam altlıklar üzerine üretilmiştir. Üretilen bu çekirdekleyici tabaka kullanılarak hidrotermal yöntemle bir boyutlu ZnO yarıiletken yapılar cam altlık üzerine nanoçubuk formunda büyütülmüştür. ZnO'ya nadir toprak elementi (Gd) ve geçiş metali (Ni) katkılanarak, katkı elementlerinin ZnO NR'ların, kristal yapısı, optik, yüzey morfolojisi görünümleri ve elektriksel özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Üretilen tüm numunelerin kristal yapı özellikleri ve yüzey morfolojilerinin katkı ile değişimi sırasıyla X-ışınları difraktometresi (XRD) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak belirlenmiştir. Optik özelliklerin belirlenmesi için UV-Vis spektrofotometresi kullanılmıştır. Elektriksel özelliklerini karakterize etmek için Hall Effect cihazı kullanılmıştır. XRD ve SEM sonuçları incelendiğinde kristal yapı ve yüzey morfolojisinde katkı elementi ve oranına bağlı olarak meydana gelen değişimler numuneleri farklı amaç ve uygulamalarda kullanılabilir hale getirebilmektedir. Ayrıca SEM görüntüleri, 90°C'de büyütülen ZnO NR'ların, diğer büyüme sıcaklıklarında büyütülenlerle karşılaştırıldığında daha uygun bir yüzey morfolojisine ve iyi tanımlanmış altıgen şekle sahip olduğunu gösterdi. Buradan yola çıkarak üretim parametrelerini değiştirmek suretiyle nanoçubukların çap, uzunluk, şekil gibi morfolojik özelliklerinin yanında geçirgenlik, bant aralığı gibi optik özelliklerinin de ayarlanabileceği görüldü. 75oC; 90oC ve 105oC'de 5 saatte üretilen ZnO nanoçubuklar üzerine, nadir toprak elementi olarak Gd ve 90oC'de 5 saatte üretilen geçiş metali olarak Ni elementleri ağırlıkça %1; 3; 5; 7 ve 10 oranlarında katkılanmıştır. Katkılama sonucu Zn1-xNixO ve Zn1-xGdxO serileri elde edildi. Elde edilen numunelerin X-ışını kırınım desenlerinde herhangi bir ikincil faza rastlanılmaması tüm katkı elementlerinin başarılı bir şekilde ZnO kristal yapısına yerleştiğini gösterdi. Sonuç olarak bu çalışmada Gd ve Ni katkılı ZnO NR'ların yapısal, morfolojik, elektriksel ve optik özelliklerinin büyüme sıcaklığı, katkı maddesi türü ve konsantrasyon arasındaki ilişkisi detaylı olarak incelendi.

Abstract:
In this study, the effects of growth temperature and doping concentration on the properties of Gd and Ni doped zinc oxide nanorods (ZnO NRs) were investigated. ZnO nucleating layer was produced on glass substrates by using sol-gel and dip coating methods. Using this nucleating layer, one-dimensional ZnO semiconductor structures were grown on glass substrates in the form of nanorods by hydrothermal method. By doping rare earth element (Gd) and transition metal (Ni) to ZnO, the effects of doping elements on the crystal structure, optical, surface morphology appearances and electrical properties of ZnO NRs were investigated. The crystal structure properties and surface morphology changes of all produced samples with doping were determined using X-ray diffractometry (XRD) and scanning electron microscope (SEM), respectively. UV-Vis spectrophotometer was used to determine the optical properties. Hall Effect device was used to characterize the electrical properties. When XRD and SEM results were examined, changes in crystal structure and surface morphology depending on the doping element and ratio could make the samples usable for different purposes and applications. In addition, SEM images showed that ZnO NRs grown at 90°C had a more suitable surface morphology and well-defined hexagonal shape compared to those grown at other growth temperatures. Based on this, it was seen that optical properties such as transmittance and band gap as well as morphological properties such as diameter, length and shape of the nanorods could be adjusted by changing the production parameters. Gd as a rare earth element and Ni as a transition metal produced at 90°C in 5 hours were doped on ZnO nanorods produced at 75°C; 90°C and 105°C in 5 hours at 1; 3; 5; 7 and 10% by weight. As a result of doping, Zn1-xNixO and Zn1-xGdxO series were obtained. The absence of any secondary phase in the X-ray diffraction patterns of the obtained samples showed that all doping elements were successfully incorporated into the ZnO crystal structure. As a result, in this study, the relationship between the structural, morphological, electrical and optical properties of Gd and Ni doped ZnO NRs, growth temperature, doping type and concentration was investigated in detail.