Al2O3 katkısının çinko oksit'in elektriksel iletkenliğine ve mikroyapısına etkisi
Effect of Al2O3 addition on the electrical conductivity and microstructure of zno
Yazar: MEHMET ÇAĞAN SARI
Danışman: YRD. DOÇ. BERAT YÜKSEL
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Çinko oksit = Zinc oxide

Özet:
Teknolojik uygulamalarda önemli bir yere sahip olan ZnO seramikler üzerine geçmişten günümüze kadar birçok bilimsel çalışma yapılmaktadır. ZnO stokiometrik olmayan n - tipi yarı iletken bir bileşiktir. ZnO?in elektriksel iletkenliğini arttırmak amacıyla donor olarak adlandırılan ve en yaygın kullanılan elementler Al, Ga ve In'dur. Bu katkılar içerisinde alüminyumun avantajı kolay temin edilebilmesi ve ucuz olmasıdır. ZnO seramiklerin elektriksel özellikleri; sinterleme koşullarına, mikroyapısına, yüksek sinterleme sıcaklıklarında kristal yapısındaki intrinsik hataların konsantrasyonuna ve yapılan donor katkısının çeşidine ve oranına bağlı olarak değişmektedir.
Bu çalışmada molce % 0 - 2 Al2O3 katkısının ZnO seramiklerin elektriksel iletkenliğine ve mikroyapısına etkisi incelenmiştir. Bu numuneler 1200, 1300 ve 1400 oC'de 1, 3 ve 5 saat süreyle sinterlenmiştir. Numunelerin bulk yoğunlukları kütle/hacim ölçümlerinden hesaplanmıştır. Sinterlenen numunelerde oluşan fazları belirlemek amacıyla X-ışınları difraksiyon (XRD) analizi yapılmıştır. Numunelerin mikroyapıları optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu ile incelenmiş ve elektriksel dirençleri oda sıcaklığında ölçülerek elektriksel iletkenlikleri hesaplanmıştır. Artan sıcaklıkla numunelerin elektriksel davranışını incelemek amacıyla oda sıcaklığı ile 150 oC aralığında alınan ölçümlerden aktivasyon enerjileri hesaplanmıştır.
XRD ile ZnAl2O4 fazının % molce 0.5 - 2 Al2O3 katkılı karışımların numunelerinde oluştuğu belirlenmiştir. Bu fazın molce % 0.5'ten daha düşük Al2O3 katkılı karışımlarda oluşmaması ZnO ile Al2O3 arasında sınırlı katı çözünürlük olduğunu göstermiştir. 
Artan sıcaklıkla birlikte tüm numunelerin bulk yoğunluklarının arttığı görülmüştür. Ancak Al2O3 katkısının artmasıyla birlikte ZnO numunelerin bulk yoğunluklarının azaldığı saptanmıştır. 
Mikroyapı incelemeleri sonucunda artan sinterleme sıcaklığı ve süresi ile birlikte tane boyutunun ve iri tanelerin sayısının arttığı saptanmıştır. Bunun yanısıra artan sinterleme sıcaklığı ve süresi numunelerin gözeneklilik değerlerinin azalmasına katkıda bulunmuştur. Katı çözünürlük sınırının üzerinde yapılan Al2O3 katkısının tane boyutlarını ve iri tanelerin sayısını azalttığı görülmüştür. Ayrıca ZnO'e yapılan Al2O3 katkısının artması numunelerin gözenek oranını arttırmıştır. 
Katı çözünürlük sınır değeri altında Al2O3 katkılı numunelerin özdirenç değerlerinin saf
ZnO'e göre daha düşük olduğu belirlenmiştir. Ancak % molce 0.5 Al2O3 katkılı numunelerde oluşan yalıtkan ZnAl2O4 fazı sebebiyle özdirenç değerlerinin arttığı  görülmüştür.
% 0 - 0.5 mol Al2O3 katkılı ZnO numunelerin elektriksel direnç değerleri oda sıcaklığından 150 oC'ye kadar 1 oC aralıklarla ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlardan hesaplanan elektriksel iletkenlik değerleri ile sıcaklık arasında çizilen grafikteki doğruların eğiminden numunelerin aktivasyon enerjisi değerleri hesaplanmıştır. Sıcaklığın artması ile birlikte saf ZnO numunesinin yapı hataları elektriksel iletkenliğin artmasına katkı sağlamıştır. Bu nedenle saf ZnO numunelerinin elektriksel direnç ve aktivasyon enerjisi değerlerinin düştüğü belirlenmiştir. Katı çözünürlük sınırı altında yapılan Al2O3 katkısı numunenin serbest taşıyıcı şarj konsantrasyonunu arttırmıştır. Böylece numunelerin elektriksel direnç değerleri azalmıştır.

Abstract:
From past to present various scientific studies have been carried out about ZnO ceramics which have an important place in today's technological applications. ZnO is a nonstoichiometric n-type semiconductor compound. The elements which are called as donor and used most widely to increase the electrical conductivity are Al, Ga and In. The advantages of aluminum is that it can be easily maintained and its economical. The electrical properties of ZnO ceramics depend on sintering conditions, microstructure, the concentration of intrinsic defects in its crystalline form at high sintering temperatures and the type and the proportion of donor addition. 
In this study, the effect of 0 - 2 mol % Al2O3 additions on the microstructure and the electrical conductivity of ZnO ceramics were investigated. Samples were sintered at 1200, 1300 and 1400 oC for 1, 3 and 5 hours. The bulk densities of the samples were calculated by their mass/volume measurement. X-ray diffraction analysis (XRD) was conducted in order to identify the phases of the sintered samples. The microstructures of the samples were investigated by an optical microscopy and a scanning electron microscopy (SEM), the electrical conductivities were calculated by measuring the electrical resistances at room temperature. To investigate the electrical behavior of the samples with increasing temperature, the activation energies were calculated from the measurements taken within the range from room temperature to 150 °C.
It was determined by XRD that the ZnAl2O4 phase was formed in the samples of 0.5 - 2 mol % Al2O3 doped mixtures. This phase was not detected in the Al2O3-added compositions below 0.5 mol %, which indicated a limited solid solution of Al2O3 within the ZnO crystal structure.
It was observed that the bulk densities of all samples increased with increasing temperature. However, the bulk densities of zinc oxide samples were decreased with decreasing the Al2O3 addition.
As a result of the microstructural investigations, it was found that the grain size and the number of coarse grain were increased with increasing sintering temperature and time. In addition, the increase in the sintering temperature and time contributed to the decrease of the samples porosity values. It was observed that Al2O3 addition above the solid solubility limit decreased the grain size and the number of coarse grains. Furthermore, the increase in Al2O3 additions applied to ZnO increased the pore distribution of the samples.
 It was determined that the resistivity values of Al2O3 doped samples which were below the solid solubility limit were lower than those of ZnO. However, it was observed the resistivity of the samples containing more than 0.5 mol % Al2O3 had an increasing trend due to the insulating properties of ZnAl2O4. 
The electrical resistance values of the 0 - 0.5 mol % Al2O3 doped samples were measured with 1 oC intervals from room temperature to 150 oC. The activation energy values of the samples were calculated by the slope of the lines in the graph plotted with the electrical conductivity - temperature. The lattice defects in the pure zinc oxide samples supported the fact that electrical conductivity was increased with the increase of temperature. As a result, it is determined that the electrical resistance and the activation energy values of the pure zinc oxide samples decreased. The Al2O3 contribution made below the solid solubility limit increased the free carrier charge concentration of the sample. In this way the electrical resistance of the samples decreased.