Esnek çinko oksit-perovskit temelli fotodedektör üretimi ve karakteristik özelliklerinin analizi
Production of flexible zinc oxide-perovskite based photodetector and analysis of their characteristic properties
Yazar: EMİNE KARAGÖZ
Danışman: PROF. DR. NURDAN DEMİRCİ SANKIR
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı / Nanoteknoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu tez kapsamında, Mn katkılı ve katkısız ZnO-NÇ ile kararlı yapıda kurşunlu ve kurşunsuz inorganik halojenür perovskit tabanlı yarıiletkenlerin esnek alttaşlar üzerine depolanmasıyla katı-hal MSM fotodedektör ve yarı-katı olmak üzere kendinden güç üreten fotodedektör aygıtlar üretilmiştir. İlk olarak poliimit (PI) alttaş üzerine farklı molar konsantrasyonlarda (16,5 mM ve 3,5 mM) büyütülen ZnO-NÇ içerisine, molar hacimce %5 ve %9 olmak üzere Mn katkılanarak elde edilen ince filmlerin malzeme karakterizasyonları (XRD, PL, SEM ve UV-vis) incelenmiştir. Metal kontak olarak tasarlanmış interdijital Pt kontak ile belirlenen desenlerle kaplandıktan sonra ise fotodedektör aygıt olarak performasları incelenmiştir. Yapısal karakterizasyonlar sonucunda Mn atomlarının ZnO kristal kafes yapısına dahil olup performansı arttırdığı tespit edilmiştir. Fotodedektörlerin temel parametrelerin tespiti için, %5Mn:ZnO-NÇ3,5  fotodedektörün elektriksel ölçümlerinin alınmasıyla önemli performans parametreleri olan D*, R, S%, EQE(%), 15 V gerilim ve 367 nm dalga boyu ışık altında sırasıyla 6,38x1012, 10,768 A/W, 3x104 ve %3.645 olarak hesaplanmıştır. %5Mn:ZnO-NÇ3,5 fotodedektörün UV (367 nm/2,42 mW/cm2) ışık altında, yükselme zamanı (τr)  ve alçalma zamanı (τd)  değerleri sırasıyla  32,2 s ve 41,9 s olarak bulunmuştur. Beyaz ışık altında (840 mW/cm2) ise τr ve τd 0,3 s olarak hesaplanmıştır. Bu örneğe 9.500 defa içbükey, dış bükey bükme sonucunda, sağlamlık ve kararlılık sergilemiştir. %9Mn:ZnO-NÇ16,5 fotodedektörün D* değeri; 1,85x1014, R değeri; 159,467 A/W, S% değeri; 1,6x106 ve EQE(%) değeri; 54 olarak hesaplanmıştır. %9Mn:ZnO-NÇ16,5 fotodedektörün UV (367 nm) ışık altında, τr ve τd değerleri sırasıyla 21,1 s ve 57 s bulunmuştur. Beyaz ışık altında (840 mW/cm2) ise yük τr 0,91 s ve τd 4,19 s olarak hesaplanmıştır.  Bu örneğe 10.000 defa içbükey, dış bükey bükme sonucunda, sağlamlık ve dayanıklılık göstermiştir. Esnek kendinden güç üreten yarı-katı-fotoelektrokimyasal (PEC) fotodedektör için İTOPET alttaş kullanılmıştır. İTOPET üzerine büyütülen Mn katkılı ZnO-NÇ inorganik halojenür perovskit olan CsPbBr3 tipi perovskit ile kaplanmış ve karbon kağıt ve İTOPET alttaşın karşıt elektrot olarak kullanılmasıyla sandviç formda birleştirilerek fotodedektör aygıt elde edilmiştir. İTOPET üzerine sentezlenen Mn katkılı ZnO-NÇ ve CsPbBr3 ilavesi ile elde edilen ince filmlerin UV-vis, SEM, XRD, EIS elementel haritalama ölçümleri alınmıştır. İTOPET/%5Mn:ZnO-NÇ/CsPbBr3 ince filmin 17 hafta UV-vis ölçümü alınmış, 538 nm dalga boyunda %7'lik küçük azalma olmuştur. %5Mn:ZnO-NÇ üzerine CsPbBr3 eklenmesi ile fotodedektör veriminde kayda değer artış gözlenmiştir. İTOPET/%5Mn:ZnO-NÇ/CsPbBr3 fotodedektörün, 400 nm (2,99 mW/cm2) dalga boyu ışık altında ve 0 volt  D* değeri; 2,83x1012, R değeri; 95,12 mA/W, S% değeri; 8,04x106 ve harici kuantum verimi (EQE%); 29,55 olarak hesaplanmıştır. İTOPET/%5Mn:ZnO-NÇ/CsPbBr3 fotodedektörün UV (400 nm) ışık altında, yükselme zamanı  ve alçalma zamanı  değerleri, 10,62  ms ve 42,9 ms bulunmuştur. Bu fotodedektöre AM1,5 (100 mW/cm2) ışık altında 125 defa açma kapama ve 400 nm ışık altında 53 defa açma-kapama uygulanarak akım zaman ölçümleri alınmış ve kararlılık göstermiştir. Ayrıca farklı açılarda (35o, 45o ve 60o) 400 nm dalga boyu ışık altında 27 defa açma-kapama uygulanarak akım-zaman ölçümleri alınmıştır. AM1,5 ışk altında yükselme zamanı 13,33 ms ve alçalma zamanı 50,91 ms bulunmuştur.  Ayrıca bu dedektörün 12 hafta sonunda yapılan akım-zaman ölçümünde hala fotodedektör özelliği sergilediği görülmüştür. Yarı-katı esnek kendinden güç üreten fotodedektör bir de çift katmanlı perovskit (Cs2AgBiBr6) kullanılarak üretilmiştir. ZnO-NÇ3K ve ZnO-NÇ3K Cs2AgBiBr6 ince filmlerin SEM analizi ve Cs2AgBiBr6 kristalin XRD ölçümü alınmıştır. İTOPET/ZnO-NÇ3K/Cs2AgBiBr6 fotodedektörün 0 V gerilim ve 382 nm dalga boyu ışık altında, yükselme zamanı 16,6 ms ve alçalma zamanı 8,76 ms bulunmuştur. Ayrıca farklı açılarda (35o, 45o ve 60o) 382 nm dalga boyu ışık altında 50 defa ışığı kapatıp açarak akım-zaman ölçümleri alınmıştır. 

Anahtar Kelimeler: Fotodedektör, Esnek, Poliimit, İTOPET, ZnO, Perovskit

Abstract:
Within the scope of this thesis, solid-state MSM photodetector and quasi-solid-state self-powered photodetector (PD) devices were produced on flexible substrates by depositing Mn-doped and pristine ZnO nanorods (ZnO-NR) and lead-based and lead-free all-inorganic halide perovskites. Flexible thin films were synthesized by doping 5% and 9% molar percent Mn into 16.5 mM and 3.5 mM ZnO on polyimide (PI) substrates, followed by depositing interdigital Pt contact designed as a metal contact. The synthesized flexible thin films based on Mn-doped and pristine ZnO-NR were characterized via XRD, PL, SEM, and UV-vis measurements to delve into the material properties. These structural characterizations indicated that Mn atoms were successfully inserted into the ZnO crystal lattice structure which resulted in enhancement in light absorption properties and the PD performance. The key parameters of the PD devices including D*, R, S%, and EQE(%) were evaluated after conducting electrical measurements. 5%Mn:ZnO- Upon 15 V of applied potential with 367 nm wavelength of light, NR3.5-based PD device D* has D*, R, S% and EQE(%) values as 6.38x1012, 10.768 A/W, S%  3x104 and 3,645, respectively. The rise time (τr) and fall time (τd) values of the 5%Mn:ZnO-NR3.5-based PD under UV (367 nm:2.42 mW/cm2) light were evaluated as 32.2 s and 41.9 s, respectively. Under white light illumination with 840 mW/cm2 of power density, the τr and τd values were determined as 0.3 s. In addition to this significant performance, the PD device exhibited durability and stability upon consecutive concave and convex bending for 9,500 times. D* value of 9%Mn:ZnO-NC16.5 photodetector; 1.85x1014, R value; 159.467 A/W, S% value; 1.6x106 and EQE(%) value; It was calculated as 54. The τr and τd values of the 9%Mn:ZnO-NR16.5 -PD at UV light illumination (367 nm) were found to be 21.1 s and 57 s, respectively. Under white light (840 mW/cm2), the τr and τd values were determined as 0.91 s and 4.19 s, respectively. This sample also showed remarkable durability upon concave and convex bending 10,000 times. İTOPET substrate was used for the flexible Quasi-solid-state PEC self-powered photodetector. After the synthesis of Mn-doped ZnO-NR on ITOPET, the CsPbBr3 perovskite structure was synthesized and a photodetector device was obtained. UV-vis, SEM, and UV-vis measurement of ITOPET/5%Mn:ZnO-NR/CsPbBr3 thin film was taken for 17 weeks, and there was a small decrease of 7% at the 538 nm wavelength. A significant increase in PD efficiency was observed with the addition of CsPbBr3 onto 5%Mn:ZnO-NR. D* value of ITOPET/5%Mn:ZnO-NR/CsPbBr3 photodetector under 400 nm (2.99 mW/cm2) wavelength light with no applied bias, D*, R, S% and EQE(%) values were evaluated as 2.83x1012, 95.12 mA/W, 8.04x106 and 29.55, respectively. The rise time and fall time values of the ITOPET/5%Mn:ZnO-NC/CsPbBr3 photodetector under UV (400 nm) light were found to be 10.62 ms and 42.9 ms. This photodetector was turned on and off 125 times under AM1.5 (100 mW/cm2) light and on and off 53 times under 400 nm light, and current-time measurements were taken, and stability was demonstrated. In addition, current-time measurements were taken by turning on and off 27 times under 400 nm wavelength light at different angles (35o, 45o, and 60o). Under AM1.5 light, the rise time was 13.33 ms and the fall time was 50.91 ms. In addition, it was observed that this detector still exhibited photodetector properties in the current-time measurement made at the end of 12 weeks. The quasi-solid-state flexible and self-powered PD device was produced using a double-layer perovskite (Cs2AgBiBr6). SEM analysis of ZnO-NR3K and ZnO-NR3K Cs2AgBiBr6 thin films and XRD measurement of Cs2AgBiBr6 crystal were taken. The rise time of the ITOPET/ZnO-NR/Cs2AgBiBr6 photodetector under 0 V voltage and 382 nm wavelength light was found to be 16.6 ms and the fall time was 8.76 ms. In addition, current-time measurements were taken by turning the light on and off 50 times under 382 nm wavelength light at different angles (35o, 45o and 60o).

Key Words: Photodetector, Flexible, Polyimide, ITOPET, ZnO, Perovskite