Geçiş metalleri ile katkılanmış ZnO nano çubuk sentezi ve I-V karakterizasyonu
Synthesis and I-V characterization of transition metals doped ZnO nanorod
Yazar: AHMET SERHAT DİNÇER
Danışman: DOÇ. DR. ABDULLAH CEYLAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında, hidrotermal yöntem ile çinko oksit (ZnO) nano çubuk sentezlenmesinde optimum koşulların belirlenmesi, nano çubukların boyutlarının ve yapıya mangan (Mn) katkılanmasının ZnO'nun elektro optik özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Örneklerin hazırlanmasında kullanılan hidrotermal basınç hücresi ve sistemi laboratuvarımızda tasarlanarak üretilmiştir. Hidrotermal yöntemde çekirdek büyüklüğü, süre, sıcaklık ve çözelti molaritesi değiştirilerek optimum koşullar belirlenmiştir. Si(100) alttaşların yüzeyine farklı kalınlıklarda (100, 150 ve 200 nm) ZnO ince filmler kaplanmış ve bu alttaşlar fırınlama işlemine tabi tutulmuştur. 350 ve 400 oC sıcaklıkta fırınlama işlemine tabi tutulan alttaşlar kullanılarak deneyler gerçekleştirilmiş ve uygun sıcaklık 350 oC olarak belirlenmiştir (Şekil 4.1). Kullanılacak çözeltinin molaritesinin belirlenmesi için hekzametilen tetramin (HMT) ve çinko nitrat hekzahidrat bileşiklerinin 0,05 ve 0,1 M'lık sulu çözeltileri hazırlanmıştır. Bu sulu çözeltiler kullanılarak yapılan deneyler sonucunda uygun molarite değerinin 0,05 M olduğuna karar verilmiştir (Şekil 4.2). Reaksiyon sıcaklığının ve deney süresinin ZnO nano çubukların oluşumuna etkisinin incelenmesi için 70, 80 ve 90 oC sıcaklıklarda ve 2, 4 ,6 ve 8 saatlik sürelerde deneyler gerçekleştirilmiştir. Elde edilen örneklerin SEM analizleri sonuçları değerlendirilerek uygun sıcaklık ve süre belirlenmiştir (Şekil 4.3) (Şekil 4.4). Yapılan deneyler sonucunda hidrotermal ile ZnO nano çubukların sentezlenmesinde fırınlama sıcaklığı 350 oC'ye, çözelti molaritesi 0,05 M'a, reaksiyon sıcaklığı 90 oC'ye ve deney süresi 4 saate optimize edilmiştir. Optimum koşullar altında 100, 150 ve 200 nm kalınlığında ZnO ince film kaplanmış alttaşlar kullanılarak deneyler yapılmıştır. Örneklerin yapısal analizleri x-ışını toz kırınım metresi (XRD) kullanılarak, morfolojik yapılarının analizleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Akım gerilim (I-V) ölçümleri dört nokta tekniği ile yapılmıştır. SEM analizleri ışığında kaplama kalınlığının artmasıyla nano çubukların çap/boy oranında azalma olduğu tespit edilmiştir (Tablo 4.1). Akım-gerilim (I-V) ölçümleri sonucunda çap/boy oranındaki azalmayla, uygulanan 1.2 V'luk gerileme karşılık karanlık ortamdaki akım değerinin 2.31x10-8 A'den 3,60x10-6 A'e kadar, aydınlık ortamdaki fotoakım değerinin 2,18x10-7 A' den 1,28x10-5 A' e kadar çıktığı görülmüştür. Geçiş metali olan Mn katkılama işlemi için mangan klorür bileşiği kullanılmıştır. Sulu çözelti içerisine çinko nitrat hekzahidrat bileşiğinin kütlece %5'i kadar eklenerek yeni sulu çözeltiler hazırlanmıştır. Mn/ZnO nano çubukların sentezleme işlemleri daha önce belirlenen optimum koşullar altında gerçekleştirilmiştir. Örneklerin yapısal analizleri XRD, XPS ve SEM cihazları ile yapılmıştır. Akım gerilim ölçümleri diğer örneklerde olduğu gibi dört nokta yöntemi ile gerçekleştirilmiş, yapıya mangan katkılanmasının sonucunda da akım değerlerinde artış gözlenmiştir. Karanlık ortamda yapılan ölçümlerde akım değerinin 7,12x10-8 A'den 5,75x10-6 A'e, aydınlık ortamda yapılan ölçümlerde ise fotoakım değerinin, 2,97x10-7 A'den 6,45x10-5 A'e kadar çıktığı görülmüştür.

Abstract:
In this study, the optimum parameters was determined to synthesis zinc oxide (ZnO) nanorods. Also the effect of the size of the nanorods and the manganese doping on the electro-optical properties was investigated. The hydrotermal pressure cell and the system which were used to synthesise the samples were designed and manufactured by our laboratory. Optimum conditions were determined by changing the core size, time, temperature and solution molarity for the hydrothermal method. ZnO thin films were coated on the surface of the Si (100) substrate at different thicknesses (100, 150 and 200 nm) and these substrates were annealed at 350 and 400 ° C. The optimum temperature was determined as 350 ° C (Figure 4.1). To determine the molarity of the solution to be used, aqueous solutions of hexamethylenetetramine (HMT) and zinc nitrate hexahydrate compounds of 0.05 and 0.1 M were prepared. Experiments using these aqueous solutions showed that the optimum molarity value is 0.05 M (Figure 4.2).  Experiments were carried out at temperatures of 70, 80 and 90 ° C and 2, 4, 6 and 8 hours to understand the effect of reaction temperature and experiment time on the formation of ZnO nanorods. SEM images were used to obtain the appropriate temperature and time to synthesis the ZnO nanorods with the hydrothermal method (Figure 4.3) (Figure 4.4). As a result of these experiments, the annealing temperature, solution molarity, reaction temperature and experiment time were determined as 350 °C, 0.05 M, 90 °C and 4 hours respectively. Under optimum conditions experiments were carried out using ZnO thin film coated substrates of 100, 150 and 200 nm thickness. X-ray powder diffraction measurements were used to determine the structure of the films. The morphology of the films revealed from the SEM images. As seen from the SEM images with the increasing coating thickness, diameter/length ratio was decreased (Table 4.1). I-V measurements were done by using four probe method. These measurements showed that under 1.2 V excitation voltage with the decrease in diameter / length ratio, the dark current increased from 2.31x10-8 A to 3.60x10-6 A and the photocurrent increased from 2,18x10-7 A to 1,28x10-5 A. Manganese chloride compound was used for Mn doping. New aqueous solutions were prepared with adding manganese chloride 5% of the zinc nitrate hexahydrate by mass to the aqueous solution. The synthesis of Mn / ZnO nanorods was carried out under optimum conditions as previously determined. Structural analyzes of the samples were performed by XRD, XPS and SEM measurements. The current voltage measurements were carried out by the four-point method same as the undoped samples. From these measurement one can see that with the manganese doping the both the dark and photo currents were increased. The dark currents increased from 7,12x10-8 A to 5,75x10-6 A and the photo currents increased from 2,97x10-7 A to 6,45x10-5 A ass seen from the results.