TiO2 İnce Filmlerin Yapısal, Elektriksel ve Triboelektrik Özelliklerinin İncelenmesi
Investigation of Structural, Electrical and Triboelectric Properties of TiO2 Thin Films
Yazar: SERAY ÖZKAN
Danışman: DOÇ. DR. ERCÜMENT YÜZÜAK
Recep Tayyip Erdoğan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Jeneratörler = Generators ; Titanyum dioksit = Titanium dioxide ; Yarı iletken ince filmler = Semiconductor thin films ; Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources ; Yeşil enerji = Green energy ; İnce filmler = Thin films

Özet:
Mikro veya nanosistemlerin büyümesi ve onları otonom hale getirme ihtiyacı gün geçtikçe artmaktadır. Bu artışla oluşan enerji ihtiyacını karşılamak için birçok çalışma yapılmaktadır. Özellikle elektrostatik mekanik enerji toplayıcılar (E-MET), nesnelerin internet (IOT) ve giyilebilir cihazlar için umut verici çözüm olarak kabul edilmektedir. Elektrostatik mekanik enerji toplayıcılar (E-MET) ailesine ait triboelektrik nanojeneratör (TENJ) olarak adlandırılan triboelektrik tabanlı elektret jeneratörü, uygulama alanı olarak orijinal enerji toplama cihazının çok ötesinde olup, kendi kendine çalışan nanosistemler, kendi kendine çalışan elektrokimya, insan-makine etkileşimi gibi çeşitli alanlara yayılmıştır. TENJ'lerin temel çalışma mekanizması, mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi sırasında temaslı elektrifikasyon ve elektrostatik indüksiyonun birleştirilmesini içermektedir. TENJ'ler düşük maliyet, çeşitli yapı, istikrarlı çıktı ve yüksek enerji dönüşüm verimliliği avantajlarına ek olarak, çevre dostu, geniş uygulama aralığı özellikleriyle de karakterize edilebilmektedir. Bu tez çalışmasında manyetik alan sıçratma yöntemiyle Si-alttaş üzerine TiO2 ince filmler; sıçratma gücü (50W, 75W ve 100W), sıçratma basıncı (5mTorr, 8mTorr, 10mTorr, 12mTorr, 15mTorr), kısmi O2 basıncı (%5, %10, %15) ve kalınlık (5nm, 10nm, 25nm, 50nm, 75nm ve 100nm) parametreleri kullanılarak büyütülmüştür. En iyi triboelektrik malzeme performansını, 75W gücünde, 10mTorr basıncında, %10 O2 kısmi basıncı altında 900°C tavlanmış 100nm kalınlıktaki TiO2 ince film göstermiştir.
Bu tez çalışması ile son zamanlarda TENJ'ler için aktif katmanlar ve çalışma mekanizmalarını aydınlatmak için cihaz konfigürasyonları olarak yeni materyaller geliştirmeye yoluyla TiO2 yarıiletken malzemeye odaklanılmıştır. Temas ayırma moduyla verimli bir şekilde toplanması için TENJ'ler için pozitif tip bir sürtünme katmanı olarak bir polietilen tereftalat/indiyum kalay oksit (PET/ITO) filmi kullanmıştır. Farklı üretim parametreleri ile elde edilen TiO2 tabanlı temas ayırmalı kipte çalışan TENJ' den, mükemmel mekanik stabiliteye ve en yüksek tepe güç yoğunluğuna (27μW.m–2) sahip 55 V'luk bir çıkış voltajı elde edilmiştir.

Abstract:
The growth of micro or nanosystems and the need to make them autonomous are increasing day by day. Many studies are being carried out to solve the energy needs resulting from this increase. It is considered a promising solution, especially for electrostatic mechanical energy harvesters (E-MET), the internet of things (IoT), and wearable devices. The triboelectric based electret generator (TENJ), which belongs to the electrostatic mechanical energy harvesters (E-MET) family, is far beyond the original energy harvesting device in terms of application, and it has various fields such as self-powered nanosystems, self-operated electrochemistry, and human-machine interaction. The basic working mechanism of TENJs involves combining contact electrification and electrostatic induction while converting mechanical energy into electrical energy. In addition to the advantages of low cost, diverse construction, stable output, and high energy conversion efficiency, TENJs can also be characterized by environmental friendliness and a wide application range. This thesis is including that, TiO2 growth on Si-substrate by the magnetron sputtering method was investigated with varying sputtering power (50W, 75W, and 100W), sputtering pressure (5mTorr, 8mTorr, 10mTorr, 12mTorr, 15mTorr), partial pressure of O2 (%5, %10, %15) and thickness (5nm, 10nm, 25nm, 50nm, 75nm, and 100nm) parameters. The best triboelectric material performance was demonstrated by a 100nm thick TiO2 thin film annealed at 900°C under a partial pressure of %10 O2 at 75W power and 10mTorr pressure.
This thesis has recently focused on the TiO2 semiconductor material by developing new materials for TENJs as active layers and device configurations to elucidate their working mechanisms. It used a polyethylene terephthalate/indium tin oxide (PET/ITO) film as a positive-type friction layer for the TENJs for efficient collection by the contact separation mode. The TENJ operating in the TiO2-based contact separation mode, obtained with different production parameters, has an output voltage of 55 V with excellent mechanical stability and the highest peak power density (27μW.m–2).