Kimyasal püskürtme sisteminde osilatör frekansının ZnO ve alaşımlarının elektrooptiksel özelliklerine
The effects of oscillator frequency on the electrooptical properties of ZnO and its alloys prepared by spray pyrolysis
Yazar: NEŞE KAVASOĞLU
Danışman: DR. TAYYAR GÜNGÖR
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Yapılan çalışmada 2,4 MHz ve 100 kHz osilatör frekansına sahip iki kimyasalpüskürtme sistemi kurularak alttaş sıcaklığı, itici gazın akış hızı ve alttaş püskürtmebaşlığı arası mesafe gibi optimum biriktirme koşulları belirlendi.İki ZnO ve bir ZnxCd1-xO olmak üzere üç örnek gurubu hazırlandı. Birinci grup ZnOfilmler, 0,02-0,1 M püskürtme çözeltileri ile (0,02 M'lık adımlarla) ve 250-500 0Calttaş sıcaklıklarında (50 0C'lik adımlarla) osilatör frekansı 2,4 MHz olan kimyasalpüskürtme sisteminde hazırlandı. Hazırlanan birinci grup ZnO filmlerin optikgeçirgenlikleri görünür bölgede % 85'in üzerindedir. 400 0C alttaş sıcaklığındahazırlanan filmlerin grain boyutları, optik parametreleri ve aktivasyon enerjilerihesaplandı. Optik geçirgenlik spektrumunda sonlu sayıda girişim saçaklarıgözlenmemesi sebebiyle, optik parametreleri Birgin ve arkadaşlarının (1999)geliştirdiği ?Pointwise Unconstrained Minimization Algorithm? PUMA adlı yöntemkullanılarak hesaplanmıştır. 400 0C alttaş sıcaklığında hazırlanan birinci grup ZnOfilmlerin optik geçirgenlik spektrumundan yararlanarak hesaplanan optik bantaralıkları 3,21-3,24 eV arasında değişmektedir. Bu gruba ait filmlerin grainboyutları 44-60 nm arasında değişmektedir. Karanlık iletkenlik ölçümleri sonucu411-427 K aralığında yarıiletken-metal geçişinin gerçekleştiği görülmüştür.İkinci grup ZnO filmler 100 KHz osilatör frekansına sahip kimyasal püskürtmesisteminde, 0,02-0,1 M püskürtme çözeltileri ile (0,02 M'lık adımlarla) ve 400 0Calttaş sıcaklığında hazırlanmışlardır. Hazırlanan filmler kuvvetli (002) tercihliyönelimine sahip olup grain boyutları 21-24 nm arasında değişmektedir. Optikgeçirgenlik spektrumlarında girişim saçaklarının gözlenmesi sebebiyle optikparametreler Swanepoel (1983) tarafından geliştirilen ve zarf eğrilerini kullananyöntemle hesaplanmıştır. Yapılan karanlık iletkenlik ölçümleri yardımıyla filmleriniletkenliklerinin sıcaklıkla değişimi incelenmiştir.iZnxCd1-xO filmler 100 kHz osilatör frekansına sahip püskürtme sisteminde, 0,1M'lık çözelti konsantrasyonunda ve 400 0C alttaş sıcaklığında hazırlanmışlardır. Bufilmlerin X-ışını kırınım desenlerinde hegzagonal wurtzite kristal yapısındakiZnO'ya ve kübik kristal yapıdaki CdO'ya ait pikleri görülmektedir. Başlangıççözeltisininin içindeki kadmiyum asetat dihidrat çözeltisinin miktarı arttıkça filmlerinoptik geçirgenlikleri azalmaktadır. Dalgaboyu 360 nm olan morötesi ışıklaaydınlatma yapılarak fotoiletkenlik ölçümleri yapılmıştır. Işığa maruz bırakılan birörneğin başlangıçtaki iletkenlik değerine dönmesi binlerce saniye almakta olupfilmlerden biri (x=0,02) negatif fotoiletkenlik göstermektedir. Negatif fotoiletkenlikaynı örnek üzerinde yapılan sıcaklık bağımlı karanlık iletkenlik ve aydınlık iletkenlikdeneylerinde de kendini göstermektedir. Üçüncü set örnek üzerinde yapılanfotolümünesans ölçümleri yardımıyla da ZnO ve CdO'nun banttan banda taşıyıcıuyarılma enerjileri tespit edilmiştir.Anahtar Kelimeler: Saydam iletken oksit (SİO), kimyasal püskürtme (KP),optik ve elektriksel karakterizasyon, ZnO, CdO ince filmleri.Danışman: Dr. Tayyar GÜNGÖR, Hacettepe Üniversitesi, Fizik MühendisliğiBölümü, Fizik Anabilim Dalı.ii

Abstract:
In this study two spray pyrolysis system which have 2,4 MHz and 100 kHzoscillator frequency were constructed. After set-up home-made spray pyrolysisdeposition systems, great efforts were made to optimize the deposition conditionssuch as deposition temperature, air flow rate and distance between substrate andnozzle.Three group samples which are two ZnO and ZnxCd1-xO were prepared. Firstgroup ZnO films were deposited at 0,02-0,1 M solution concentrations (with 0,02 Mstep) and 250-500 0C substrate temperatures (with 50 0C step) by using homemade spray pyrolysis system which has the 2,4 MHz excitation frequency. Averageoptical transmissions of the films are above 85 % in the visible region. The opticalband gaps were calculated as 3,21-3,24 eV with the help of transmissionspectrum. Grain sizes, optical parameters and activation energies of the filmswere calculated prepared at 400 0C substrate temperature. Grain sizes of the filmshave values between 44-60 nm. Optical parameters were calculated by using themethod ?Pointwise Unconstrained Minimization Algorithm? PUMA developed byBirgin et. al. (1999) because of the absence any interference fringes. Darkconductivity measurements showed that semiconductor to metal transition occursbetween 411-427 K.The second group ZnO films were deposited at 0,02-0,1 M solution concentrationand 400 0C substrate temperatures by using spray pyrolysis system which has the100 MHz excitation frequency. The films exhibit strong (002) preferentialorientation and grain sizes of the films have values between 21-24 nm. Opticalparameters of the films were calculated by using the method developed bySwanepoel (1983) because of the optical transmission spectra of the films exhibitiiiinterference fringes. Dark conductivity measurements were carried out toinvestigate conductivity behaviour of the films.0ZnxCd1-xO films were prepared at 0,1 M solution concentration and 400 Csubstrate temperatures by using spray pyrolysis system which has the 100 MHzexcitation frequency. X-ray diffraction pattern of the films have both hegzagonalwurtzite ZnO structure and cubic structure CdO peaks individually. Opticaltransmission of the films decreases with increasing quantity of the cadmiumacetate dihydrate in the sprayed solution. The photoconductivity transients wereperformed with the illuminated light of 360 nm. After light cut off conductivitychanged slowly, and the delay time was over thousands seconds. One film of thisgroup films exhibits negative photoconductivity. Temperature dependence darkconductivity and photoconductivity measurements were performed and negativephotoconductivity effect also observed for the film x=0,02. Photoluminescencemeasurements were performed and ZnO and CdO bant to bant excitationsenergies determined.Keywords: Transparent conductive oxide (TCO), spray pyrolysis (SP),optic and electrical characterization, ZnO, CdO thin films.Advisor: Dr. Tayyar GÜNGÖR, Hacettepe Üniversity, Department of PhysicsEngineering, Physics Section.iv