Sol-jel yöntemiyle hazırlanan metal ftalosiyanin katkılı TiO2 filmlerin optik ve yapısal özelliklerinin incelenmesi
Investigation of optical and structural properties of metal phthalocyanine doped TiO2 films prepared by sol-gel method
Yazar: HASAN SARIGÜL
Danışman: PROF. DR. İDRİS SORAR
Hatay Mustafa Kemal Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Günümüzde, Titanyum dioksit (TiO2), parlaklık, toksik olmaması, saf beyazlığa sahip olması, fiziksel ve kimyasal kararlılığa sahip olması gibi üstün özelliklerinden dolayı yaygın şekilde kullanılan ve üzerinde araştırmalar yapılan bir malzemedir. Aynı zamanda düşük maliyetli olması nedeniyle de çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. 
Günümüzde yaygın şekilde araştırılan bir diğer malzeme ise makro molekül olan ftalosiyaninlerdir. Ftalosiyaninlerin ana iskeletine aynı anda birkaç farklı molekül bağlanabildiğinden çeşitli reaksiyonlarda kullanılabilmelerini sağladığı gibi ftalosiyanin bileşiklerinin uygulama alanlarını çoğaltan önemli bir faktördür. Yüksek fiziksel ve kimyasal kararlığa sahip olmaları sayesinde sensör ve güneş pili gibi ileri araştırma konuların da ilgi odağıdırlar.
Bu tez çalışmasında katkısız ve farklı konsantrasyonlarda çeşitli metal ftalosiyanin katkılı TiO2 ince filmleri sol-jel döndürerek kaplama yöntemi kullanılarak cam taşıyıcılar üzerine kaplanmıştır.  Kaplama işlemi için hazırlanan çözeltide başlangıç malzemesi olarak titanyum (IV) n-bütoksit, asetik asit ve etanol kullanılmıştır. Kaplamada kullanılan ftalosiyaninler önce N,N Dimethylformamide (DMF) içerisinde çözdürülüp, daha sonra katkılama işleminde kullanılmıştır. Farklı konsantrasyonlarda metal ftalosiyanin içeren ve saf TiO2 filmler 5 kat olacak şekilde cam taşıyıcılar üzerine kaplanmıştır. Kaplanan filmlerin yüzey ve optik özellikleri sırasıyla taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve UV-Vis spektrofotometresi kullanılarak incelenmiştir. Yapısal özellikleri incelemek için filmler XRD analizinden önce kristal yapının oluşabilmesi için 550 °C'de 90 dk boyunca tavlanmıştır. 
Hazırlanan filmlerin optik özellikleri incelendiğinde saf TiO2 filmlerin yasak enerji aralığının 4.04 eV olduğu, yüksek geçirgenlik ve düşük soğurma yaptığı gözlenmiştir. Diğer taraftan ftalosiyanin katkılı filmlerin optik özelliklerinin konsantrasyon oranına, kullanılan ftalosiyanin yan grubuna ve merkezinde yer alan metalin cinsine göre değiştiği belirlenmiştir. 
Tavlanan saf TiO2 filmlerin anataz (101)-brokit (121) karışık faz içerdiği görülmüştür. Bütün MPc katkılı filmlerde ise düşük oranda yapılan ilk katkılamayla beraber brokit yapının kaybolduğu oluşan kristal yapının anataz yapıda olduğu belirlenmiştir. Kristal boyutu, gerilme, dislokasyon yoğunluğu ve pikin oluştuğu açı gibi parametrelerin katkılı filmleri oluşturan ftalosiyaninlerin konsantrasyon oranına, kullanılan ftalosiyanin yan grubuna ve merkezinde yer alan metalin cinsine göre değiştiği belirlenmiştir.
Dolayısıyla, bu tez çalışmasında hazırlanan filmlerin optik filtrelerde, elektrokromik cihazlarda, led ve güneş pili gibi organik-inorganik yarıiletken içeren uygulamalarda kullanılabileceği düşünülmektedir.

Abstract:
Today, Titanium dioxide (TiO2) is a material that is widely used and researched due to its superior properties such as brightness, non-toxicity, pure whiteness, physical and chemical stability. It is also used in various areas due to its low cost. 
Another material that is widely researched today is phthalocyanines, which are macromolecules. Since several different molecules can be attached to the main structure of phthalocyanines at the same time, it enables them to be used in various reactions and is an important factor that increases the application areas of phthalocyanine compounds. Thanks to their high physical and chemical stability, they are the center of attention in advanced research topics such as sensors and solar cells.
In this thesis, undoped and different concentrations of various metal phthalocyanine doped TiO2 thin films were coated on glass substrates using the sol-gel spin coating method. The solution prepared for the coating process contains titanium (IV) n-butoxide, acetic acid and ethanol. Phthalocyanines used in the coating were used after being dissolved in N, N Dimethylformamide (DMF). Pure TiO2 films containing different concentrations of metal phthalocyanine were coated on glass substrate in 5 layers. The surface and optical properties of the coated films were examined using scanning electron microscopy (SEM), UV-Vis spectrophotometry, respectively. The film was annealed at 550° C for 90 minutes before the XRD analysis to form a crystalline structure.
When the optical properties of the prepared films were examined, it was observed that the forbidden energy gap of pure TiO2 films was 4.04 eV, high transmittance and low absorption. On the other hand, it was determined that the optical properties of the phthalocyanine-added films vary according to the concentration ratio, the phthalocyanine substituent group used and the type of metal in the center.
The annealed pure TiO2 films were found to contain anatase (101) -brookite (121) mixed phase. In all MPc-doped films, it was determined that brookite structure disappeared with the first doping (TiO2/Pc(I-V) and the crystal structure formed was anatase. It was determined that parameters such as crystal size, stress, dilocation density and the angle at which the peak was formed vary according to the concentration ratio of phthalocyanines forming the doped films, the phthalocyanine substituent group used and the type of metal in the center.
Therefore, it is thought that the films prepared in this thesis can be used in applications involving organic-inorganic semiconductors such as optical filters, electrochromic devices, LEDs and solar cells.