Döndürerek kaplama yöntemi ile hazırlanan ZnO:Al ince filmlerin üretilmesi ve karakterizasyonu
Characterization and production of ZnO:Al thin films prepared by spin coating method
Yazar: SENA ALTUNCU KÖK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET PEKER
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Alüminyum = Aluminum ; Atomik kuvvet mikroskobu = Atomic force microscope ; Fotolüminesans = Photoluminescence ; Mikroskopi-elektron taramalı = Microscopy-electron scanning ; Optik özellikler = Optical properties ; X ışını kırınımı = X ray diffraction ; Yarı iletkenler = Semiconductors ; Çinko oksit = Zinc oxide

Özet:
İlerleyen teknoloji ile birlikte birçok çalışma alanına sahip olan ZnO ve Al katkılı ZnO malzemeleri, optoelektronik teknolojisindeki uygulamaları ile de oldukça dikkat çekmektedirler. Bu çalışmada 5 kat kaplama yapılarak 500 °C ve 600 °C tavlama sıcaklıklarında ayrı ayrı tavlanmış katkısız ZnO ve % 0,75, % 1 ve % 1,25 Al katkılı ZnO filmleri döndürerek kaplama yöntemi ile cam tabanlar üzerine üretilmişlerdir. Üretilen bu filmlerin yapısal, optiksel, yüzeysel ve elektriksel özellikleri çeşitli analiz teknikleri ile incelenerek, hem farklı oranlarda katkılanan Al elementinin hem de tavlama sıcaklığının filmler üzerindeki etkisi araştırılmıştır. X-ışını kırınım cihazıyla belirlenen filmlerin yapısal özelliklerinden filmlerin hepsinin hekzagonal ve polikristal yapıda oldukları tespit edilmiştir. Filmlerin kalınlıkları ve bazı optik özelliklerini tanımlayan parametreleri (kırılma indisi ve sönüm katsayısı) spektroskopik elipsometre ile belirlenmiş ve kalınlık değerleri 117-154 nm arasında ölçülmüştür. Optik metot ile belirlenen ölçümlerden filmlerin tümünün direkt bant geçişli ve yasak enerji aralıklarının 3,23 eV-3,27 eV arasında oldukları bulunmuştur. Filmlerin görünür dalga boyundaki (400 nm-700 nm)  maksimum geçirgenliklerinin %77-%94 arasında olduğu tespit edilmiştir. Filmlerin fotolüminesans spektrumlarından tuzaklar tanımlanmıştır. Elde edilen filmlerin yüzey morfolojileri ve elementel analizleri sırasıyla; Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Enerji Dağılımlı X-ışını Spektroskopisi (EDX) ile belirlenmiştir. Üretilen filmlerin yüzey topografileri ve yüzey pürüzlülükleri Atomik Kuvvet Mikroskobu  (AFM) ile tespit edilmiştir. Sıcak-uç yöntemi ile filmlerin hepsinin n tipi elektriksel iletim tipine sahip oldukları belirlenmiştir. Filmlerin elektriksel özelliklerinden biri olan özdirenç değerleri ise dört uç tekniği ile ölçülmüştür. Yapılan incelemeler sonucunda tavlama sıcaklığının ve Al katkısının filmlerin yapısal, optiksel, yüzeysel ve elektriksel özellikleri üzerinde iyileştirici bir etkisinin olduğu neticesine varılmıştır.

Anahtar Kelimeler: ZnO Filmleri, Al Katkılı ZnO Filmleri, Döndürerek Kaplama Yöntemi, X-Işını Kırınımı (XRD), Spektroskopik Elipsometre, UV, Fotolüminesans, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Enerji Dağılımlı X-ışını Spektroskopisi (EDX), Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM), Dört Uç Tekniği

Abstract:
ZnO and Al doped ZnO materials, which have many working areas with advancing technology, attract attention with their applications in optoelectronic technology. In this study, ZnO and % 0.75, % 1 and % 1.25 Al doped ZnO films which have coated 5 layers on the glass substrates and have annealed at 500 °C and 600 °C annealing temperatures individually have been produced by using spin coating method. The structural, optical, surface and electrical properties of these films were analyzed by various analysis techniques and the effect of Al element which was added in different ratios and also the effect of annealing temperature on the films were investigated. From the structural properties of the films determined with the X-ray diffraction device, it was determined that all of the films are hexagonal and polycrystalline. The thicknesses of the films and the parameters that define some optical properties of the films (refractive index and extinction coefficient) were determined by spectroscopic ellipsometry and thickness values were measured between 117-154 nm. All of the films determined by the optical method were found to have direct band transition and forbidden energy ranges between 3.23 eV-3.27 eV. It is determined that the maximum transmittance of the films at the visible light wavelength (400 nm-700 nm) is between % 77-% 94. Traps were identified from the photoluminescence spectra of the films. Surface morphology and elemental analysis of the films were determined by Scanning Electron Microscope (SEM) and the Energy Dispersive X-ray (EDX) Spectroscopy technique, respectively. The surface topographies and surface roughness of the produced films were determined by Atomic Force Microscope (AFM). All of the films were determined to have n-type electrical conductivity by using hot probe technique. The resistivity values, which are one of the electrical properties of the films, were measured with the four-probe technique. As a result of the working, it was concluded that the annealing temperature and Al doping have enhance effect on the structural, optical, surface and electrical properties of the films.

Keywords: ZnO Films, Al doped ZnO Films, Spin Coating Method, X-Ray Diffraction (XRD), Spectroscopic Ellipsometer, UV, Photoluminescence, Scanning Electron Microscope (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), Atomic Force Microscope (AFM), Four-Probe Technique