LiTaO3 tabanlı piroelektrik dedektörlerin duyarlılık ve elektrik sinyal üretebilme performansının iyileştirilmesinde kullanılabilen metal oksit nano katmanların geliştirilmesi
Development of metal oxide nano layers to improve the sensitivity and electric signal generation performance of LiTaO3-based pyroelectric detectors
Yazar: MEHMET FATİH YAMAN
Danışman: PROF. DR. MİRHASAN SEYİTSOY
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Kırılma indisi = Refractive index ; Soğurma katsayısı = Absorption coefficient ; Titanyum dioksit = Titanium dioxide ; Çinko oksit = Zinc oxide

Özet:
Bu tez çalışmasında ince TiO2 ve ZnO metal oksit katmanların kızılötesi ışınımları algılamada kullanılan tek kristal Lityum Tantalat (LiTaO3) tabanlı piroelektrik sensörlerin duyarlılığına ve elektrik sinyal üretebilme performansına olan katkıları araştırılmıştır. Bahsi geçen LiTaO3 tek kristal, küçük sıcaklık değişikliklerini tespit etmek için makul elektrik yükleri üreten kararlı, tek tip ve uygun maliyetli tek kristalli piroelektrik malzemelerden biridir. Üretilmiş olan cihazlarda LiTaO3 ince filmler alttaş olarak kullanılmıştır. E-Beam, Thermal Evaporatör ve Sputter teknikleri kullanarak LiTaO3 ince filmlerin iki yüzeyi yüksek kalitede ve çeşitli kalınlıkla metal oksitler ile kaplanmıştır. Üst elektrot olarak ~5-10 nm kalınlığında önce krom (Cr) üzerine ise ~100 nm altın (Au), alt elektrot olarak da ~5-10 nm krom (Cr) üzerine ise ~100 nm platin (Pt) metal püskürttürülmüştür. Kaplanmış metaller elektrot olarak kullanılmıştır. LiTaO3 kristalinin çalışma verimliliği, dâhili veya harici küçük sıcaklık değişikliklerinden etkilenmemesini, ayrıca çevresel sıcaklık değişimlerinden dolayı meydana gelen sensörün sinyal ve gürültü değerlerinde kayma ve özellikle dedektör sinyal çıkışında bazı istenmeyen dalgalanmaları ve kararsızlığı engellemek için püskürtme yöntemiyle aygıt üzerine iki farklı tür ~10-15 nm kalınlığında metal oksit ince tabaka oluşturulmuştur. Bunlar ZnO ve TiO2 metal oksit ince tabakalardır. Oluşturulan kızılötesi sensörlerin karakteristikleri deneysel olarak incelenmiştir. Alınan sonuçlara göre, geliştirilen kızılötesi dedektörlerde sinyal dalgalanmaları ve termal kararsızlığın ortadan kalkmış olduğu tespit edilmiştir. Deneysel bulguların ve hesaplanan sonuçların karşılaştırılması neticesinde iki metal oksit yapısı arasında ZnO termal kararlılık açısından iyi bir performans sergilerken, TiO2 metal oksit kızılötesi algılamada tek kristal LiTaO3 tabanlı dedektörün termal kararlılığına ZnO'ya kıyasla daha az katkıda bulunmuştur.

Abstract:
This thesiswork investigates the contribution of thin TiO2 and ZnO metal oxide layers on the sensitivity and electrical signal generation performance of single-crystal Lithium Tantalate (LiTaO3) based pyroelectric sensors. The LiTaO3 single crystal is one of the stable, uniform, and cost-effective single-crystal pyroelectric materials that produces reasonable amount of electrical charges in response to minor temperature changes. The fabricated devices use thin films of LiTaO3 as the substrates. Using E-Beam, Thermal Evaporator, and Sputter techniques, the both surfaces of LiTaO3 thin films were coated with metal oxides of high quality and various thicknesses. Chromium (Cr) electrodes of ~5-10 nm were sputtered with ~100 nm of Gold (Au) for the top electrode and Platinum (Pt) for the bottom electrode. Two different metal oxide thin layers with a thickness of ~10-15 nm were sputtered on the device to prevent the operating efficiency of the LiTaO3 crystal from being affected by small internal or external temperature changes, and also to preclude some undesirable fluctuations and instability in the signal and noise values of the sensor due to changes in the environmental temperature, especially in the detector signal output. These are thin ZnO and TiO2 metal oxide layers. The properties of the developed infrared sensors were experimentally analyzed. According to the results, the signal fluctuations and thermal instability were eliminated in the developed infrared detectors. Experimental findings show ZnO structure outperforms TiO2 regarding thermal stability and signal generation. Single-crystal LiTaO3 infrared detector without coating outperforms less to the thermal stability and signal generation.