Tungsten trioksit ince filmlerde lateral difüzyon
Lateral diffusion in tungsten trioxide thin films
Yazar: NİHAN ARAPOĞLU
Danışman: PROF. DR. SEHBAN KARTAL ; PROF. DR. İSMAİL KARAKURT
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Yüksek Enerji ve Plazma Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Tungsten trioksit (WO3), elektrokromik özellik gösteren ve akıllı pencereler, elektrokromik göstergeler ve gaz sensörleri gibi uygulamaları nedeniyle hala güncel bir çalışma konusu olan bir malzemedir. Tungsten trioksitteki elektrokromizm bu malzemeye iyon (genellikle H+, Li+, K+ ve Na+)/elektron ilave edilmesi ve çıkarılması işlemini ifade eder. Metal iyonlarının (M+) tungsten oksite ilave edilmeleri tungsten bronzunun (MxWO3) oluşmasına yol açar. Amorf tungsten bronzu filmleri kızılötesini soğururken, yeteri kadar kristal yapılı olanları kızılötesini yansıtır. Optiksel soğurulmanın sebebi W+5 iyonları çevresinde küçük polaronların oluşmasıdır. Malzemeye H+ iyonu ilave edildiğinde, iyonların filmin yüzeyine dik doğrultuda filmin içerisine girdiği, film içerisindeki oksijen atomlarının yakınına geldiği ve hidroksil grupları oluşturdukları düşünülmektedir. Bu (dikey) difüzyon sürecinde iyon difüzyon katsayısı, termal buharlaştırma yoluyla üretilen amorf filmler için, literatürde 10-10 - 10-7 cm2/s olarak ölçülmüştür. Bu çalışmada, 270 nm ve 400 nm kalınlıklarında amorf WO3 ince filmler içeren iki farklı tipte numunelerde H+ iyonu ilave edilmesi işlemine başladıktan birkaç saniye sonra filmdeki kusurlardan başlayıp filmin yüzeyine paralel yönde ilerleyen farklı bir difüzyon süreci incelenmiştir. Lateral (yatay) difüzyon olarak adlandırdığımız bu difüzyon süreci dikey difüzyona göre çok daha hızlı gerçekleşmektedir. Yaptığımız ölçümler bu lateral difüzyonun hızının daha ince filmlerde daha yüksek olduğunu göstermektedir. WO3 numuneler için lateral difüzyon katsayıları ölçümleri, ham ve lateral difüzyona uğramış filmlerin Raman spektroskopileri ile optik geçirgenlikleri de ayrıca sunulmuştur.

Abstract:
Tungsten trioxide is a contemporary electrochromic material due to its applications in smart windows, electrochromic display devices and gas sensors. Electrochromism in WO3 involves ion(usually H+, Li+, K+ and Na+)/electron intercalation and deintercalation processes. Intercalation of metal ions into tungsten oxide results in the formation of tungsten bronze (MxWO3). Amorphous films of tungsten bronze absorb infrared light while those with sufficiently crystalline phase reflect it. The reason for optical absorption is the formation of small polarons around W+5 sites. When H+ ions are intercalated into the meterial, it is thought that the ions enter the the film in the direction perpendicular to the film's surface, move near oxgyen atoms and form hydroxyl groups. The ion diffusion constant, in this (vertical) diffusion process, is quoted, in literature, to be between 10-10 cm2/s and 10-7 cm2/s for the amorphous films prepared by thermal evaporation. In this study, we investigated a distinct diffusion process which originates from the defects in the films a few seconds after the H+ ion intercalation begins and progresses paralel to the surface of the film. We made measurements using two different types samples containing 270 nm and 400 nm thick amorphous WO3 thin films. This process, which we call lateral diffusion, takes place much fater than the vertical diffusion. Our measurements show that the speed of this lateral diffusion is higher in thinner films. In addition, the Raman spectroscopy and optical transmission measurements of the virgin films and the films undergone lateral diffusion are also presented.