Sol – gel yöntemiyle üretilen çinko oksit ince filmlerde kusurların yapı, optik ve gaz algılama özelliklerine etkileri
Effects of defects on structural, optical and gas sensing properties in zno thin films produced by sol – gel method
Yazar: DOĞAN AKCAN
Danışman: PROF. DR. LÜTFİ ARDA
Bahçeşehir Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Matematik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Matematik = Mathematics

Özet:
Bu tez çalışmasında, farklı kalınlıklarda üretilen yarıiletken Çinko Oksit ince filmlerde kusurların, optik geçirgenlik ve gaz algılama performansına etkisi incelendi. Başlangıç maddesi olarak kullanılan çinko asetat dihadrat (ZnAc)  metanolde (MetOH) çözüldükten sonra stabilizör olarak monoethanolamin (MEA) ilave edilmesi ile ZnO kaplama çözeltisi sol-jel tekniği kullanılarak hazırlandı. Hazırlanan kaplama çözeltisi kullanılarak ZnO ince filmi farklı kalınlıklarda cam altlık üzerine sol-jel daldırmalı kaplama yöntemiyle kaplandı. Elde edilen farklı kalınlıklardaki ZnO ince filmler 600°C de 30 dakika süreyle ısıl işleme tabi tutularak film kalınlığının ve oluşan kusurların yapı, optik ve gaz algılama özellikleri üzerindeki etkisi incelendi. ZnO ince filmlerin kristal yapısı X-ışını Kırınımı (XRD) ile ve yüzey morfolojileri Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile analiz edildi. XRD sonuçlarından ZnO ince filmler P63mc uzay grubu wurtzite altıgen kristal yapısında ve yönelimleri, c yönünde, (002) düzleminde olduğu ve ikincil bir faz olmadığı görüldü. ZnO ince filmin yüzey morfolojisi altlık olarak kullanılan cam ve sol-jel parametreleri olan; çekme hızına, kurutma, ısıl işlem sıcaklığına, daldırma sayısına ve ısıl işlem koşullarına bağlı olduğu görülmüştür. İnce filmlerin optik özellikleri 190–1100 nm dalgaboyu aralığında geçirgenlik spektrumları ölçülerek belirlenmiştir.
Çift taraflı kaplamalarda soğurma katsayısı ve kırılma indisi gibi optik parametreleri hesaplamak için analitik model geliştirilmiştir. Model yardımıyla ince filmlerin kalınlıkları ve optik sabitleri hesaplanmıştır. ZnO ince filmlerin ışıkla ışıldama (ing. photoluminescence, PL) ölçümleri flüoresans spektrometresi kullanılarak alınmış ve elde edilen spektrum bileşenlerine ayrılarak örgüdeki kusurlar tayin edilmiştir. Farklı kalınlıklarda hazırlanan ZnO ince filmlerin H2 ve NO2 gazlarıyla, etanol ve aseton buharlarını algılama özelliklerinin konsantrasyona bağlılığının incelenmesinde çalışılan gazlara duyarlılık gösterdiği, özellikle aseton ve etanole duyarlığının yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Sensör cevapları PL spektrumunun bileşenlerinin cebirsel toplamı cinsinden ifade edilerek modellenmiş ve ışıldama yapan kusurların sensör cevapları modellenmiştir.

Abstract:
In this study, ZnO thin films are prepared in different thicknesses and effects of defects on morphology, optical properties and gas sensing performance are investigated. Zinc Acetate Dihydrate (ZnAc) which is used as precursor is dissolved in methanol and then Monoethanolamine (MEA) is added in equal mole amount of ZnAc as sol stabilizer. Using the solution obtained, dip coating method is employed in order to coat ZnO films with different thicknesses onto glass slides used as substrate. As produced ZnO films heated in 600°C for 30 minutes and effect of thickness in structural, optical and gas sensing properties is investigated. Crystal structures of ZnO films are examined by X-Ray diffraction (XRD) and surface morphology is analyzed by scanning electron microscope (SEM). From XRD results, it's observed that ZnO films are in crystal structure of wurtzite hexagonal crystal structure of P63mc space group and oriented in c direction, (002) plane without a secondary phase. Surface morphology of ZnO thin films is depending on glass slides used as substrate and sol–gel parameters such as dipping speed, drying temperature, dipping number and sintering atmosphere. Optical properties of the films are measured in 190–1100nm wavelength interval. 
A new model is developed in order to calculate optical constants, extinction coefficient and refractive index, of double facet coated films and mentioned constants are calculated by using the model developed. Photoluminescence (PL) measurements of native point defects of ZnO thin films are taken by fluorescence spectrometer. Gas sensing properties of ZnO thin films with different thicknesses are under H2, NO2, ethanol and acetone carrying dry air atmosphere in different gas concentrations and sensitivities of films to studied gasses are observed. Among studied materials highest sensitivity is observed to VOC's. Sensing properties are modeled in terms of in terms of magnitudes of PL components and sensing mechanisms of studies materials are explained.