ZnO ince filmlerinin yapısal, elektriksel ve triboelektrik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of structural, electrical and triboelectric properties of ZnO thin films
Yazar: CANSU KARAGÖZ
Danışman: DOÇ. DR. ERCÜMENT YÜZÜAK
Recep Tayyip Erdoğan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Teknolojinin gelişmesi yaşam kalitesini iyileşmesinin yanı sıra enerjiye olan talebi de arttırmaktadır. Bilim insanları, enerji ihtiyacının karşılanması için günümüzde kullanılan kaynakların dışında, atık enerji problemi ve verimlilik gibi sorunlara çözüm olabilecek yeni elektrik enerji üretim mekanizmaları arayışındadırlar. Bu yeni elektrik enerjisi üretim mekanizmalarından biri de 2012 yılında geliştirilen triboelektrik nanojeneratörlerdir (TENJ). TENJ yapısında genellikle polimer yüzeyler kullanılmaktadır. Polimer yapının üretiminin kolay olmasına karşılık kısa sürede deforme olmasıyla istenilen performans sağlanamamaktadır. Bunun için polimerlere alternatif olarak daha hızlı elektron kaybetme özelliği bulunan yarıiletkenlerin kullanılmasının verimliliği arttıracağı düşünülmektedir. Hazırlanan bu tez çalışması ile, triboelektrik etki prensibi ile çalışan çinko oksit (ZnO) yarıiletken tabanlı TENJ üretilmiştir. ZnO ince filmler; 40-100 W sıçratma güçlerinde, 5-15 mTorr sıçratma basınçlarında, %5-15 kısmi O2 basınçlarında ve 5-100 nm kalınlıklarında Si(100) alttaş üzerinde üretilmiştir. Manyetik alanda sıçratma sistemi ile üretilen ZnO ince filmlerin vakum altında ısıl işlemlere maruz bırakılarak; X-ışını difraktometresi (XRD), X-ışını reflektometresi (XRR), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile yüzey morfolojik özellikleri belirlenirken direnç ölçüm sistemi ile elektriksel özellikleri belirlenmiştir. Triboelektrik özellikleri, laboratuvarda tasarlanıp üretilen doğrusal bir reciprokan hareket sağlayıcı ile mekanik enerji simüle edilerek elde edilmiş ve TENJ'in elektriksel çıktıları incelenmiştir. Üretilen ince filmlerin XRD desenleri ve SEM görüntüleri incelendiğinde yapının istenildiği gibi wurtzite ve homojen olduğu görülmüştür. Elektriksel ölçümleri yapılan filmler arasında en iyi sonuç 100 nm kalınlıktaki ince filmden elde edilmiştir ve 100 nm kalınlığında elde edilen ince filmler ısıl işleme tabii tutulmuştur. TENJ'de elektrot olarak bakır (Cu) ve indiyum kalay oksit (ITO) kaplı polietilen tereftalat (PET) kullanılmıştır. Isıl işlem sıcaklığı artmasıyla verimlilik artmıştır. Elde edilen veriler literatür ile karşılaştırılmıştır ve uyumlu olduğu görülmüştür. Tasarlanan TENJ'lerden en yüksek ~70 V gerilim ve ~5,36 μA akım değeri elde edilmiştir.

Abstract:
Technology advancements that enhance people's standard of living also lead to a rise in the need for energy. New electrical energy production mechanisms that address issues like waste energy and efficiency are being investigated by scientists as a means of meeting energy demands beyond the conventional methods and materials now in use. Triboelectric nanogenerators (TENG) are one example of a novel type of electrical energy generation mechanism that was invented in 2012. Most commonly, the electrodes in a TENG are polymer surfaces. Although the polymer structure can be easily manufactured, it cannot operate as expected because of its rapid deformation. It is believed that replacing polymers with semiconductors, which lose electrons more quickly, will improve efficiency in this regard. The present thesis resulted in the development of a zinc oxide (ZnO) semiconductor-based TENG that operates on the basis of the triboelectric effect. It was produced as a ZnO thin films on Si(100) substrates with sputtering powers of 40-100 W, pressures of 5-15 mTorr, partial oxygen concentrations of 5-15%, and film thicknesses of 5-100 nm. Its structural properties were determined by X-ray diffractionmeter (XRD), X-ray reflectometer (XRR), scanning electron microscope (SEM), atomic force microscope (AFM), and surface morphological properties; electrical properties were determined by resistance measurement system; and the films were produced using a magnetic field sputtering system and then heated under vacuum. Conversely, TENG's electrical outputs were achieved by modelling mechanical energy with a linear reciprocating motion generator whose triboelectric characteristics were engineered and manufactured in the lab. The thin films XRD patterns and scanning electron microscope (SEM) showed the desired wurtzite structure and homogeneity. The 100 nm thin layer had the best electrical measuring results. Thin films with a thickness of 100 nm were heated in an oven. As the electrode, we used copper (Cu) and polyethylene terephthalate (PET) - indium tin oxide (ITO).  Triboelectric measurements of the films were taken at room temperature and after heat treatment. The developed TENGs produced the highest voltage of ~70 V and the current value of ~5,36 μA. The results obtained were found to be consistent with the existing literature.