Bi1-xSbx, Bi2-xSbxTe3, Bi2-xSbxSe3 ve Pb1-xSnxTe termoelektrik ince filmlerinin elektrokimyasal sentezi ve karakterizasyonu
Electrochemical synthesis and characterization of  thermoelectric thin films Bi1-xSbx, Bi2-xSbxTe3, Bi2-xSbxSe3 ve Pb1-xSnxTe
Yazar: MUSTAFA BİÇER
Danışman: DOÇ. DR. İLKAY ŞİŞMAN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Analitik Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Termoelektrik Bi1-xSbx, Bi2-xSbxTe3, Bi2-xSbxSe3 ve Pb1-xSnxTe alaşım ince filmler oda sıcaklığında Au(111) ve Au substratlar üzerinde elektrodepozisyon metodu ile sentezlendi. İnce filmlerin depozisyon potansiyelleri dönüşümlü voltametri tekniği ile tespit edildi. Bi1-xSbx ve Bi2-xSbxTe3 ince filmleri hem potansiyel altı depozisyon (UPD) hem de potansiyel üstü depozisyon (OPD) şartları altında seçici bir elektrodepozisyon yardımıyla elde edildi. Bi2-xSbxSe3 ve Pb1-xSnxTe ince filmlerinin sentezinde ise elektrodepozisyon yöntemi ilk kez uygulandı. Filmlerin yapısal, morfolojik ve kompozisyon analizleri sırasıyla XRD, SEM ve EDS teknikleri ile gerçekleştirildi. Öte yandan Bi2-xSbxSe3 ve Pb1-xSnxTe ince fimlerinin bant aralığı enerjileri (optik özellikleri) FT-IR tekniği ile gerçekleştirilirken Pb1-xSnxTe ince fimlerinin morfolojik analizinde ise ayrıca AFM tekniği de kullanılmıştır. 

Farklı morfolojilerde bizmutça zengin Bi1-xSbx ince filmlerinin sadece elektrolit kompozisyonunun değiştirilmesiyle elde edilebileceği bulundu. Öte yandan Bi3+, Te4+ ve Sb3+'nın UPD potansiyellerinde (Bi0,5Sb0,5)2Te3 kompozisyondaki filmler elde edildi. Ancak OPD şartlarında yani daha negatif potansiyellerde ise Bi0,5Sb1,5Te3 kompozisyondaki filmlerin oluştuğu görüldü. Ayrıca filmlerin büyüme mekanizmalarının da elektrolit kompozisyonundan ve depozit potansiyelinden etkilendiği tespit edildi.

Elektrolit kompozisyonun ayarlanmasıyla farklı kompozisyonlardaki Bi2-xSbxSe3 filmlerinin elde edilebileceği gösterildi. Filmlerin tercihli olarak (015) düzlemi boyunca kristallendiği bulundu. Morfolojik analizlere göre film büyüme mekanizması sırasıyla çekirdekleşme, film tabakası oluşumu ve küresel partiküllerin film tabakası üzerinde oluşumu şeklinde olmaktadır. Absorpsiyon sonuçlarına göre filmdeki Sb içeriği 0,0'dan 0,2'ye değiştiğinde alaşımın bant aralığı enerjisi 0,24'ten 0,38 eV'a kaymaktadır. Öte yandan surfaktan yokluğunda ve varlığında yapılan elektrodepozisyonlar neticesinde sırasıyla dentrit ve nano yapıdaki Pb1-xSnxTe ince filmleri elde edildi. XRD analizine göre filmdeki Sn miktarı artıkça kırınım piklerinin büyük açılara kaydığı yani alaşım oluştuğu tespit edildi. Deposizyon çözeltisine surfaktan eklendiğinde ise filmlerin bant aralığı enerjilerin 0,21'den 0,35 eV'a kaydığı tespit edildi.

Abstract:
Thermoelectric Bi1-xSbx, Bi2-xSbxTe3, Bi2-xSbxSe3 and Pb1-xSnxTe alloy thin films were synthesized onto Au(111) and Au substrates at room temperature via the electrodeposition technique. Deposition potentials of the thin films were determined by cyclic voltammetry. Bi1-xSbx and Bi2-xSbxTe3 thin films were obtained by a selective electrodeposition under both under potantial deposition (UPD) and over potantial deposition (OPD).  During the synthesis of Bi2-xSbxSe3 and Pb1-xSnxTe thin films, electrodeposition method was performed for the first time. Films' structural, morphological and compositional analysis were accomplished by XRD, SEM and EDS techniques, respectively.  On the other hand, while the band gap energies (optical properties) of the Bi2-xSbxSe3 and Pb1-xSnxTe thin films were performed by FT-IR technique and also AFM technique was used for morphological analysis of the Pb1-xSnxTe thin films.

It was found that Bi1-xSbx thin films, rich in terms of bismuth in different morphologies, could be only obtained by changing the electrolyte composition. On the other hand, at UPD potentials of the Bi3+, Te4+ and Sb3+, the composition films (Bi0,5Sb0,5)2Te3 were obtained. However, at OPD conditions; in other words, at more negative potentials, the composition of the films Bi0,5Sb1,5Te3 was obtained. Moreover, growth mechanism of the films was found to be affected by electrolyte composition and deposit potential. 

It was shown that different compositions of the Bi2-xSbxSe3 films could be obtained by adjusting the electrolyte composition. The films were found to have crystallized along preferably (015) plane. According to morphological analysis, the film growth mechanism is in the form nucleation, film layer formation and on film layer formation of spherical particles, respectively. When Sb content changed from 0.0 to 0.2, the absorption shift energy band gap of the alloy increased from 0.24 to 0.32 eV. On the other hand, in the absence and presence of the surfactant as a result of electrodepositions, dendrite and nanostructured Pb1-xSnxTe thin films were obtained, respectively. According to XRD analysis, as the greater amount of Sn was, it was detected that diffraction peaks shifted to larger angles; in other words, alloy occured. It was also determined that when surfactant was added to deposition solution, band gap of the films shifted from 0.21 to 0.35.