Al3+ esaslı elektrokromik yapıların magnetron saçtırma yöntemiyle geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of Al3+ based electrochromic structures by magnetron sputtering method
Yazar: ALİ KEMAL MAK
Danışman: PROF. DR. MEVLÜT KARABULUT
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Klasik fizik = Classical physics ; Optik fizik = Optical physics

Özet:
Bu tez çalışmasının amacı, elektrokromik cihazların (EC) renklenme mekanizmasında yaygın olarak kullanılan Li+ iyonuna alternatif olarak Al3+ iyonunun uygunluğunun araştırılmasıdır. Li+ iyonları EC cihazlarının yanında pil sektöründe de yoğun olarak kullanılmakta olup dünyadaki bolluk oranının düşük olması yüksek maliyetlere yol açmaktadır. İyonik yarıçapının düşük olması, dünyadaki bolluk oranı, Li+ a göre daha çevre dostu olması ve 3 değerlikli olması gibi özellikleri Al3+ iyonlarını özellikle EC uygulamaları için çekici bir aday yapmaktadır. Bu tez çalışmasında, yaygın bir EC malzemesi olan WO3 filmleri magnetron saçtırma (MS) metodu ile büyütüldü ve elde edilen filmlerin yapısal, yüzey morfolojik ve elektrokromik özellikleri GI-XRD, XPS, SEM, AFM, EIS, CV, CA ve LLT yöntemleri kullanılarak karakterize edildi. İlk aşamada farklı oranlarda (%0,7-4,3) Al3+ katkılı WO3 filmleri MS yöntemiyle büyütüldü ve karakterize edildi. Al3+ katkılı filmlerin EC testleri Li+ sıvı elektrolitinde gerçekleştirildi ve düşük Al3+ konsantrasyonları için filmlerin EC performansının daha iyi olduğu gözlendi. Bir sonraki aşamada MS tekniği ile büyütülen WO3 filmlerinin EC testleri karşılaştırma için ayrı ayrı Al3+ ve Li+ sıvı elektrolitlerinde gerçekleştirildi. Yük taşıyıcı iyonların türünün yanında tavlamanın filmlerin EC performansı üzerindeki etkilerini görmek için bu filmlere 250 °C, 350 °C ve 450 °C sıcaklıklarında ısıl işlem uygulandı ve sonuçları karşılaştırıldı. Al3+ sıvı elektrolitinde yapılan EC performans testlerinde en iyi sonuç 350 °C'de tavlanan film için elde edildi. Al3+ sıvı elektrolitinde test edilen bazı filmlerin yüzeyinde testler sonrasında bazı deformasyonlar gözlenirken Li+ için böyle bir durum gözlenmedi. XPS analizleri bu deformasyonların sıvı elektrolit içerisinde bulunan Cl- iyonlarının yapı içerisine taşınması ile ilişkili olabileceğini gösterdi. Tezin üçüncü aşamasında bütün bileşenleri katı olan bir EC cihazı geliştirmek için Al3+ temelli AlSiOx katı elektrolit tabakası araştırıldı. AlSiOx katı elektrolit tabakası MS yöntemiyle 0 -15 W alüminyum hedef malzeme güçlerine göre kaplandı ve karakterize edildi. Yapılan empedans ölçümlerinden en iyi sonuç 10 W Al hedef malzeme gücüyle elde edilen filmde gözlenmiştir. Elde edilen sonuçlardan Al3+ iyonunun WO3 temelli EC cihazlarında alternatif olabilecek performansa sahip olduğu görülmüştür

Abstract:
The aim of this thesis is to investigate suitability of Al3+ ions as an alternative to Li+ ion which is frequently used in the coloration mechanism of electrochromic (EC) devices. In addition to its use in EC applications, lithium is also used heavily in the battery technologies and its abundancy is not high which leads to an increase the cost. The properties like small ionic radius, relatively higher abundancy, environmentally friendliness and its multivalence make Al3+ and attractive candidate especially for EC applications. In this thesis, the WO3 films, common material in EC applications, were grown by Magnetic Sputtering (MS) method and structural, surface morphological, optical and EC characterizations of the films were realized through GI-XRD, XPS, SEM, AFM, EIS, CV, CA and LLT measurements. In the first part of the thesis, Al3+ doped WO3 films (0.7-4.3 at%) were grown by MS technique and characterized. The EC tests of Al3+ doped films were conducted in Li+ electrolyte which indicated that the low Al3+ containing WO3 films showed better EC performance. In the second part, the EC tests of WO3 films grown by MS method have been conducted in Li+ and Al3+ liquid electrolytes separately and the results were compared. In order to see the effect of heat treatment in addition to the electrolyte type on the EC performances, the WO3 films were heat treated at 250 °C, 350 °C ve 450 °C and the results were compared. The best EC performance was obtained for the film heat treated at 350 °C when the tests were conducted in Al3+ liquid electrolyte. Some surface deformation was observed for the films tested in Al3+ while no such deformation was observed on the film surfaces tested in Li+ liquid electrolyte. The X-ray photoelectron spectroscopic analysis indicated that these surface deformations can be related to the transport of Cl- ions present in the liquid electrolyte in to the film structures during the tests. In the third part of the thesis, Al3+ based AlSiOx solid electrolyte layer was investigated for the development of all solid-state EC device. The AlSiOx films were grown by MS technique by using Al target powers between 0-15 W during the growth processes and characterized. According to the EIS measurements, the best result was obtained for the AlSiOx film grown at 10 W target power. When all the results are evaluated together, it is seen that Al3+ can be a good candidate for the WO3 based EC devices.