Geçiş metal oksit içeren tellürit ve antimonat camların elektriksel ve yapısal özelliklerinin incelenmesi
Investigation of electrical and structural properties in transition metal oxide containing tellurite and antimonite glasses
Yazar: ONAT BAŞAK
Danışman: DOÇ. DR. ALİ ERÇİN ERSUNDU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Herhangi bir ağır metalin oksidini bünyesinde ağ yapıcı olarak bulunduran camlar ağır metal oksit camlar olarak adlandırılır. Geleneksel camlara kıyasla ağır metal oksit esaslı camlar, iyi doğrusal olmayan optik özellik, yüksek geçirgenlik ve kırılma indisi, düşük ergime ve cam geçiş sıcaklığı değerlerine sahiptir. Tellürit ve antimonat camlar ise düşük fonon enerjileri ve yüksek dielektrik katsayıları sayesinde diğer ağır metal oksit camlar arasında ön plana çıkmaktadır. Geçiş metal oksitleri, sahip oldukları farklı değerlikleriyle camların optik ve elektriksel özelliklerini geliştirmektedir. Geçiş metal oksit katkılı tellürit ve antimonat camların elektriksel ve dielektriksel özelliklerinin geleneksel camlara oranla daha üstün olduğu tespit edilmiştir. Bu avantajlı özellikleriyle geçiş metal oksit içeren tellürit ve antimonat camların opto-elektronik uygulamalarda amorf yarı iletken malzemeler olarak kullanım potansiyelleriyle ilgili çalışmalar yapılmaktadır. Tellürit ve antimonat esaslı camların optik ve elektriksel özelliklerini iyileştirmek amacıyla geçiş metalleri olarak, WO3 iyi bir cam ağ modifiye edici olmasıyla, MoO3 ise yüksek kristalizasyon direnci sağlama özelliğiyle öne çıkmaktadır.
Bu tez çalışmasında, WO3-MoO3-TeO2 (WMT) ve WO3-MoO3-Sb2O3 (WMS) sistemlerine ait camların artan geçiş metal oksit miktarıyla değişen elektriksel ve yapısal özellikleri incelenmiş ve değişen bileşimle gerçekleşen yapısal dönüşümlerin elektriksel özelliklere etkisi araştırılmıştır. Elektriksel incelemeler kapsamında numunelerin özdirenç, DC iletkenlik ve aktivasyon enerjisi değerleri hesaplanmıştır. Frekansa ve sıcaklığa bağlı ölçülen AC akım değerlerinden yola çıkarak AC iletkenlik, gerçek (ε̍), sanal (ε̎) dielektrik geçirgenlik ve kayıp faktörü (tanδ) değerleri belirlenmiştir. Yapısal incelemeler kapsamında, Raman spektroskopisi yöntemiyle numunelerin bağ yapısı analizleri, XPS yöntemiyle ise bağlanmış O2 (BO) ve bağlanmamış O2 (NBO) oranları, cam yapıda bulunan geçiş metal oksitlerin değerlikleri ve ağ yapıcı oksitlerde görülen yapısal değişimler incelenmiştir.
DC iletkenliklerinin incelenmesi sonucu artan geçiş metal oksit katkısı, sıcaklık ve NBO oranıyla birlikte camların DC iletkenlik değerlerinde WMT sistemi için 10-14 (ohm.m)-1 mertebesinden 10-7 (ohm.m)-1 mertebesine, WMS sistemi için ise 10-14 (ohm.m)-1 mertebesinden 10-8 (ohm.m)-1 mertebesine kadar artış gözlemlenmiştir. Her iki sistem için W10M30T60 numunesi hariç DC iletkenliğin ısıyla aktifleşen atlama mekanizmasına, W10M30T60 numunesinde ise küçük polaron atlaması mekanizmasına uyduğu düşünülmektedir. Her iki sistemde frekans artışıyla birlikte AC iletkenlik değerlerinin arttığı ve bunun iletkenliğe katkıda bulunan taşıyıcı sayısının artışından kaynaklandığı belirlenmiştir. Her iki sisteme ait numunelerin AC iletkenlik davranışının korelasyonlu bariyer atlama mekanizmasına uyduğu düşünülmektedir. Yapısal incelemeler sonucunda, artan geçiş metal oksit katkısı ile WMT sisteminde TeO4 yapısının TeO3/TeO3+1 yapısına, WMS sisteminde ise Sb5+ iyonlarının Sb3+ iyonlarına dönüştüğü tespit edilmiştir ve bu yapısal dönüşümlerin her iki sistemde NBO oranını arttırdığı belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar ışığında, incelenen camların gaz sensörü ve güneş pilleri gibi çeşitli opto-elektronik uygulamalarda amorf yarı iletken olarak kullanılabileceği değerlendirilmiştir.

Abstract:
Glasses that contain the oxides of any heavy metal as a glass former are called heavy metal oxide (HMO) glasses. Compared to conventional glasses, HMO glasses have good nonlinear optical properties, high transmittance and refractive index, low melting and glass transition temperature values. Tellurite and antimonate glasses stand out among other HMO glasses due to their low phonon energy and high dielectric constant. Owing to different valance states, transition metal oxides enhance the optical and electrical properties of HMO glasses. Hence, it has been determined that the electrical and dielectric properties of tellurite and antimonate glasses containing transition metal oxide are superior to conventional glasses. According to these advantageous properties, tellurite and antimonate glasses containing transition metal oxides have attracted much attention for amorphous semiconductor materials in various opto-electronic applications. WO3 and MoO3 were selected as transition metal oxide compounds in order to enhance optical and electrical properties of tellurite and antimonate-based glasses due to their good network modifying ability and high resistance against crystallization, respectively.
In this thesis work, electrical and structural properties were investigated in the WO3-MoO3-TeO2 (WMT) and WO3-MoO3-Sb2O3 (WMS) systems, respectively with respect to the increasing transition metal oxide concentration and structural transformations affecting the electrical properties were determined. In the scope of electrical analyzes of glasses of WMT and WMS systems, resistivity, DC conductivity and activation energy values were determined from DC current values. AC conductivity, dielectric constant (ε̍), dielectric loss (ε̎) and loss factor (tanδ) values were determined from frequency and temperature dependent AC current values. In the context of structural analyzes, structural units were determined by Raman spectroscopy method. Bridging O2 (BO) and non-bridging O2 (NBO) ratios, valence states of transition metal oxides and structural transformations that occurred in glass formers were examined with XPS method.
As a result of the investigation of DC conductivities for WMT and WMS systems, it was observed that DC conductivity values increased to 10-7 (ohm.m) -1 for WMT system and 10-6 (ohm.m) -1 for WMS system. DC conductivities for both glass systems obey thermally activated hopping mechanism except W10M30T60 sample. The DC conductivity of W10M30T60 sample obeys small polaron hopping mechanism. For both systems, charge carriers that contributed to AC conductivity increased with frequency and AC conductivities obey correlated barrier hopping mechanism. In WMT glasses, TeO4 units transformed into TeO3 or TeO3+1 unit and in WMS glasses Sb5+ ions transformed into Sb3+ ions with increasing transition metal oxide concentration. According to these modifications in glass network the number of NBO sites were increased. Consequently, tellurite and antimonate glasses containing transition metal oxides are found to be promising materials as amorphous semiconductors for several opto-electronic applications such as gas sensors, solar cells.