ZnO Yarıiletken Filmlerinin Optik, Elektrik ve Yüzey Özellikleri Üzerine Isıl Tavlama İşleminin Etkileri



Benzer belgeler
CdS:In Filmlerinin Optik, Yüzey ve Elektrik Özellikleri Üzerine Isıl Tavlamanın Etkisi

In Katkılı CdS Filmlerinin Optik, Elektrik ve Yüzey Özelliklerinin İncelenmesi

Co Katkılı ZnO İnce Filmlerinin Üretimi ve Karakterizasyonu

ATMALI FİLTRELİ KATODİK VAKUM ARK DEPOLAMA YÖNTEMİYLE ÇİNKO NİTRÜR (Zn 3 N 2 ) ÜRETİMİ VE OPTİKSEL ÖZELLİKLERİ *

ÖZGEÇMİŞ VE ESERLER LİSTESİ

Doç.Dr.Vildan BiLGiN. Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi - Fizik Bölümü

Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi

PÜSKÜRTME YÖNTEMİ İLE HAZIRLANAN CdO İNCE FİLMLERİN ÖZELLİKLERİ * Properties of CdO Thin Films Deposition by Spray Methods*

Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi

ÖZGEÇMİŞ. Yabancı Dil Seviye Sınav-Alınan Yıl Puan İngilizce İleri e-yds ,00

ZnO Filmlerinin Bazı Fiziksel Özellikleri Üzerine Co Katkısının Etkisi. Olcay Gençyılmaz DOKTORA TEZİ. Fizik Anabilim Dalı TEMMUZ, 2013

ÇİNKO KATKILI ANTİBAKTERİYEL ÖZELLİKTE HİDROKSİAPATİT ÜRETİMİ VE KARAKTERİZASYONU

Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi

Mg Katkılı ZnO Filmlerinin Üretimi ve Karakterizasyonu

SPEKTROSKOPİK ELİPSOMETRE

ZnO TABANLI YARIİLETKENLERDE METAL KONTAK ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI * Investigation of Metal Contact Properties at ZnO Based Semiconductors

The Investigation of Structural and Surface Properties of SnO 2 :Li Films Produced by Ultrasonic Spray Pyrolysis Technique

Sb 2 Te 3 ve Bi 2 Te 3 İÇERİKLİ YARI İLETKEN ALAŞIMLARIN ÜRETİMİ ve TERMOELEKTRİK, YAPISAL, MİKROYAPISAL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ ÖZET

1,3-bis-(p-iminobenzoik asit)indan Langmuir-Blodgett filmlerinin karakterizasyonu ve organik buhar duyarlılığı

ÖZGEÇMİŞ. 1. Adı Soyadı : TUNA AYDOĞMUŞ. 2. Doğum Tarihi : Unvanı : ÖĞRETİM GÖREVLİSİ. 4. Öğrenim Durumu : YÜKSEK LİSANS

Kimyasal Depolama Yöntemiyle Elde Edilen CdSe Filmlerinin Elektriksel Karakteristikleri

Fotovoltaik Güneş Pillerinde Saydam Ön Kontak Olarak Kullanılabilecek ZnO:Al Filmlerinin İncelenmesi

ZnO ince filmlerin optik ve yapısal özelliklerine ısıl işlem sıcaklığının etkisi

KOBALT KATKILI ZnO İNCE FİLMLERİN OPTİK ÖZELLİKLERİ. OPTICAL PROPERTIES OF Co DOPED ZnO THIN FILMS

YÜKSEK LĠSANS TEZ ADI: Termiyonik Vakum Ark (TVA) Tekniği ile Optik

SPRAY PYROLYSIS YÖNTEMİ İLE FARKLI ALTLIK SICAKLIĞINDA ELDE EDİLEN SnO 2 ve SnO 2 : F İNCE FİLMLERİN BAZI FİZİKSEL ÖZELLİKLERİNE, ALTLIK SICAKLIĞININ

OPTİK MALZEMELER ARAŞTIRMA GRUBU. Metal Oksit Nano Parçacıkların 3. dereceden Doğrusal Olmayan Optik Özellikleri. Tuğçe YİĞİT

ALETLİ ANALİZ YÖNTEMLERİ

ÖZET

Optik Özellikler. Elektromanyetik radyasyon

PV PANELLERİN YAPISI VE PANELLERDEN ELEKTRİK ÜRETİMİNE SICAKLIĞIN ETKİSİ

ANİZOTROPİ. Schmid s Tek kristle uygulandığında:

İleri Elektronik Uygulamaları Hata Analizi

Al/P-Si/Zno/Al Foto Diyotun Üretimi ve Elektriksel Karakterizasyonu

FARKLI MOLARİTELİ ZnO İNCE FİLMLERİN OPTİK ÖZELLİKLERİ

Püskürtme Yöntemi ile Farklı Taban Sıcaklıklarında Elde Edilen Cd 0,22 Zn 0,78 S Filmlerinin X-Işınları Çalışması

Spray Pyrolysis Yöntemi ile Elde Edilen CdZnS Filmlerinin Yapısal Özelliklerine Hazırlama Parametrelerinin Etkisi

Yüzüncü Yıl Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi/ Journal of The Institute of Natural & Applied Sciences 17 (1):6-12, 2012

A.Ü. GAMA MYO. Elektrik ve Enerji Bölümü GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK ÜRETİMİ 5. HAFTA

DOKUMA BAZALT-CAM VE FINDIK KABUĞU TAKVİYELİ POLİMER KOMPOZİTLERİNİN EĞİLME DAYANIMI VE ISI GEÇİRGENLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Yrd. Doç. Dr. Ferhat ASLAN -*- ÖZGEÇMİŞ VE ESERLER LİSTESİ -* ÖZGEÇMİŞ

ÇUKUROVA ÜNĠVERSĠTESĠ FEN EDEBĠYAT FAKÜLTESĠ FĠZĠK BÖLÜMÜ

MMM291 MALZEME BİLİMİ

Atomların bir arada tutulmalarını sağlayan kuvvetlerdir Atomlar daha düşük enerjili duruma erişmek (daha kararlı olmak) için bir araya gelirler

ERCİYES ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI

Paslanmaz Çelik Gövde. Yalıtım Sargısı. Katalizör Yüzey Tabakası. Egzoz Emisyonları: Su Karbondioksit Azot

NANO KURġUN ÜRETĠMĠ VE KARAKTERĠZASYONU

Şekilde görüldüğü gibi Gerilim/akım yoğunluğu karakteristik eğrisi dört nedenden dolayi meydana gelir.

SILAR METODU İLE HAZIRLANAN BAKIR OKSİT İNCE FİLMİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİNE TAVLAMANIN ETKİLERİ

BÖLÜM 7. ENSTRÜMENTAL ANALİZ YÖNTEMLERİ Doç.Dr. Ebru Şenel

SPEKTROSKOPİ. Spektroskopi ile İlgili Terimler

Çift Fazlı Paslanmaz Çeliklerde Yaşlandırma Koşullarının Mikroyapı Özellikleri Üzerindeki Etkisinin İncelenmesi

Doç. Dr. Ferhat ASLAN -*- ÖZGEÇMİŞ VE ESERLER LİSTESİ -* ÖZGEÇMİŞ

Continuous Spectrum continued

OPTİK MALZEMELER ARAŞTIRMA GRUBU YÜKSEK LİSANS SEMİNERİ. VANADYUM OKSİTLERİN YAPISAL, ELEKTRİKSEL ve OPTİKSEL ÖZELLİKLERİ

INVESTİGATİON OF PHASE TRANSFORMATION İN AN Fe- Mn-Cr

DENEY 2. IŞIK TAYFI VE PRİZMANIN ÇÖZÜNÜRLÜK GÜCÜ

Abs tract: Key Words: Meral ÖZEL Serhat ŞENGÜR

Fizik II Elektrik ve Manyetizma Akım, Direnç ve Elektromotor Kuvvet

Bünyamin Şahin ve Sedat Ağan

CURRICULUM VITAE. University of Gaziantep, Department of Engineering Physics, September, (PhD)

TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR

Farklı Karıştırma Teknikleri ve Başlangıç Maddelerinden Sentezlenmiş Hidroksiapatit Tozunun Özelliklerinin İncelenmesi

ATOMİK YAPI. Elektron Yükü=-1,60x10-19 C Proton Yükü=+1,60x10-19 C Nötron Yükü=0

ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ

Depozisyon Teknikleri

ZnS Nanoparçacıklar İçeren Langmuir-Blodgett İnce Filmlerin Elektriksel Özellikleri

Titanyum dioksit katkılı niobyum pentoksit filmlerin optik, yapısal ve elektrokromik özellikleri

AR-GE miz TARAFINDAN TASARLANAN SİSTEMLER. made in TURKEY


NiO İNCE FİLM BAZLI ELEKTROKROMiK KAPLAMA/CiHAZ TASARIMI, HAZIRLANMASI VE KARAKTERiZASYONU

GÜNEŞ PİLİ UYGULAMALARI İÇİN CdTe YARIİLETKEN İNCE FİLMLERİN ELEKTRODEPOZİSYON YÖNTEMİYLE ÜRETİLMESİ

2. Işık Dalgalarında Kutuplanma:

ATOMİK YAPI. Elektron Yükü=-1,60x10-19 C Proton Yükü=+1,60x10-19 C Nötron Yükü=0

Fotovoltaik Güneş Pillerinde Kullanılan ZnO ve CuO Filmlerinin SILAR Yöntemi ile Üretilmesi ve Karakterizasyonu

MALZEME BİLGİSİ DERS 2 DR. FATİH AY. fatihay@fatihay.net

THE PRODUCTION OF AA5049 ALLOY SHEETS BY TWIN ROLL CASTING

AST404 GÖZLEMSEL ASTRONOMİ HAFTALIK UYGULAMA DÖKÜMANI

X-Işınları. Gelen X-ışınları. Geçen X-ışınları. Numan Akdoğan.

TUĞLA MASSESİ ÖĞÜTME DURUMUNUN ÜRÜN TEKNİK ÖZELLİKLERİ ÜZERİNDEKİ ETKİLERİNİN ARAŞTIRILMASI

SAKARYA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DERGİSİ

MMM 2011 Malzeme Bilgisi

KARABÜK ÜNİVERSİTESİ Öğretim Üyesi: Doç.Dr. Tamila ANUTGAN 1

FİZ4001 KATIHAL FİZİĞİ-I

Sinan Temel DOKTORA TEZİ. Fizik Anabilim Dalı

A.Ü. GAMA MYO. Elektrik ve Enerji Bölümü GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK ÜRETİMİ 4. HAFTA

Bugün için Okuma: Bölüm 1.5 (3. Baskıda 1.3), Bölüm 1.6 (3. Baskıda 1.4 )

Isı transferi (taşınımı)

TEZ ONAYI. Danışman. : Prof. Dr. Necmi SERİN

ZnO İnce Filmlerin Sıcaklığa Bağlı Elektriksel Davranışında Co Etkisinin İncelenmesi

BÖLÜM 2 ATOMİK YAPI İÇERİK. Atom yapısı. Bağ tipleri. Chapter 2-1

10. HAFTA PARTİKÜL BÜYÜKLÜĞÜ TAYİN YÖNTEMLERİ

EAG 04. KCl ÇÖZELTİSİNİN METASTABİL BÖLGE GENİŞLİĞİNİN KNO 3 KATKISI VARLIĞINDA ULTRASONİK SENSÖRLE ÖLÇÜLEBİLİRLİLİĞİNİN İNCELENMESİ

Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi TÜRKİYE 10. ENERJİ KONGRESİ FOTOELEKTROLİZ YOLUYLA HİDROJEN ÜRETİMİ

FİZİK ANABİLİM DALI. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Anabilim Dalı ANS Kampüsü, Afyonkarahisar

ZİRKONYUM TUNGSTAT (ZrW 2 O 8 ) ÖNCÜLLERİNİN ÇÖZ-PEL YÖNTEMİ İLE DÜŞÜK SICAKLIK VE YAŞLANDIRMA SÜRELERİNDE ELDE EDİLMESİ

A.Ü. GAMA MYO. Elektrik ve Enerji Bölümü GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ELEKTRİK ÜRETİMİ 10. HAFTA

ALETLİ ANALİZ YÖNTEMLERİ

Elektrot Potansiyeli. (k) (k) (k) Tepkime vermez

2017 YILI GÜNCEL ANALİZ ÜCRETLERİ

Transkript:

Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 16-1( 2012), 56-60 ZnO Yarıiletken Filmlerinin Optik, Elektrik ve Yüzey Özellikleri Üzerine Isıl Tavlama İşleminin Etkileri Olcay GENÇYILMAZ *1,2, Ferhunde ATAY 1, İdris AKYÜZ 1 1 Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü / ESKİŞEHİR 2 Çankırı Karatekin Üniversitesi, Fen Fakültesi, Fizik Bölümü / ÇANKIRI Alınış Tarihi:02.03.2011, Kabul Tarihi:06.05.2012 Özet: Bu çalışmada, ZnO yarıiletken filmleri ultrasonik kimyasal püskürtme tekniği (UKP) kullanılarak cam tabanlar üzerine depolanmıştır. Üretilen filmlerin bazı fiziksel özelliklerini iyileştirmek için farklı sıcaklıklarda ısıl tavlama işlemi yapılmış ve filmlerin optik, elektrik ve yüzey özellikleri üzerine tavlama sıcaklığının etkisi araştırılmıştır. ZnO filmlerinin elemental analizleri yapılarak filmlerin stokiyometrisi belirlenmiştir. Geçirgenlik ve soğurma spektrumları UV-VIS spektrofotometre kullanılarak alınmıştır ve yasak enerji aralıkları optik metot ile belirlenmiştir. Ayrıca filmlerin kalınlıkları, kırılma indisi (n) ve sönüm katsayısı (k) değerleri spektroskopik elipsometre (SE) cihazı kullanılarak belirlenmiştir. Filmlerin yüzey görüntüleri ve yüzey pürüzlülük değerleri atomik kuvvet mikroskobu (AKM) kullanılarak incelenmiş ve elektriksel özdirençleri dört uç metodu ile belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, ZnO filmlerinin bazı fiziksel özelliklerinin ısıl tavlama işlemi ile iyileştiği belirlenmiş ve ZnO filmlerinin çeşitli teknolojik alanlarda kullanım potansiyeli araştırılmıştır. Anahtar sözcükler: Ultrasonik kimyasal püskürtme, ZnO, Spektroskopik elipsometre, Atomik kuvvet mikroskobu, Effects of Thermal Annealling Process on Optical, Electrical and Surface Properties of ZnO Semiconductor Films Abstract: In this study, ZnO semiconductor films were deposited on the glass substrates by ultrasonic spray pyrolysis (USP). All of the films were annealed at different temperatures to improve the physical properties and the effect of annealing on the electrical, optical and surface properties was investigated. Transmittance and absorbance spectra of ZnO films were examined using UV-VIS spectrophotometer. Band gap values of the films were determined by optical method. Also, thicknesses, refractive index (n) and extinction coefficient (k) values of the films were determined by spectroscopic ellipsometry (SE). The surface topography and roughness values of ZnO films were investagetated by Atomic Force Microscopy (AFM). Electrical resistivities of the films were determined using four probe technique. According to results; some physical properties of ZnO films were improved with annealling process and potential the of ZnO films was searched in various technological area. Keywords: Ultrasonic chemical spray pyrolysis, ZnO, Spectroscopic ellipsometry, Atomic force microscopy Giriş Materyal ve Metot Son yıllarda yapılan çalışmalarda ZnO; yüksek iletken, yüksek geçirgen ve geniş bant aralığına (3.36 ev) sahip olmasından dolayı saydam iletken oksit materyaller arasında en çok dikkat çeken malzemelerden biridir (Golshahi vd., 2009; Zhang vd., 2007; Zhao vd., 2005; Ma ve Shim, 2002). Ayrıca ZnO; ışık emici diyotlar, gaz sensörleri, fotodedektörler gibi geniş teknolojik uygulama alanına sahip bir malzemedir (Kavasoğlu vd., 2008; Ma ve Shim., 2002). ZnO filmleri; kimyasal buhar depolama, sol-gel, manyetik saçtırma gibi birçok teknik ile üretilebilmektedir (Zhao vd., 2005; Kaushal vd., 2009; Lee ve Park, 2004). Diğer teknikler arasında, kimyasal püskürtme tekniği kullanışlı ve ekonomik olması, tekrarlanabilir ve yüksek vakum gerektirmemesi gibi özellikleri ile tercih edilen bir tekniktir (Lee ve Park, 2004; Ergin vd., 2008). Isıl tavlama işlemi, malzemedeki kusurları azaltarak elektriksel, optiksel ve yüzeysel özelliklerin iyileştirilmesinde yaygın olarak kullanılır. Tavlama işlemi süresince, özellikle malzemenin yüzey bölgesindeki yapısal özellikler değişebilir. Bu çalışmada amacımız; ultrasonik kimyasal püskürtme tekniği ile üretilen ZnO filmlerinin optik, elektrik ve yüzey özellikleri üzerine ısıl tavlama işleminin etkisini araştırmaktır. * ogencyilmaz@ogu.edu.tr 56 ZnO filmleri 300±5 C taban sıcaklığındaki cam tabanlar (10 x 10 mm 2 ) üzerine ultrasonik kimyasal püskürtme tekniği kullanılarak depolanmıştır. Zn ve O kaynağı olarak çinko asetat [Zn (CH 3 COO) 2.2H 2 O, 0.1 M] kimyasallarının sulu çözeltileri kullanılmıştır. Başlangıç püskürtme çözelti miktarı toplam 100 ml olarak hazırlanmıştır. Çözelti akış hızı 5 ml.dk -1 olarak ayarlanmış ve 20 dk süre ile cam tabanlar üzerine püskürtülerek ZnO filmleri üretilmiştir. Elde edilen ZnO filmleri farklı sıcaklıklarda (450-500-550 C) 2 saat süreyle tavlanmıştır. ZnO filmlerine ait malzeme kodları Çizelge 1 de verilmektedir. Çizelge 1. Tavlanmış ve tavlanmamış ZnO filmlerine ait malzeme kodları Malzeme Malzeme Kodu Tavlanmamış ZnO Z0 450 C de tavlanmış ZnO Z1 500 C de tavlanmış ZnO Z2 550 C de tavlanmış ZnO Z3 ZnO filmlerinin elemental analizleri Zeiss Ultra Plus Alan Emisyonlu Taramalı Elektron Mikroskobu cihazı kullanılarak yapılmıştır. Optik geçirgenlik ve soğurma spektrumları, dalgaboyu aralığı 300-900 nm olan UV-VIS

O. GENÇYILMAZ, F. ATAY, İ. AKYÜZ spektrofotometresiyle (Shimadzu-SolidSpec-3700 UV- VIS-NIR) alınmıştır. Optik sabitler (kırılma indisi (n) ve sönüm katsayısı(k)) ve filmlerin kalınlıkları spektroskopik elipsometre (PHE 102 spektroskopik elipsometre) cihazı kullanılarak elde edilmiştir. Elipsometrik ölçümler 1200-1600 nm spektral aralıkta 70 lik açıda yapılmıştır. Yüzey morfolojileri Park System XE 70 model atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak incelenmiştir. Filmlerin elektriksel özdirençleri dört uç metodu (Keithley 2601A System SourceMeter) ile belirlenmiştir. Teori ZnO filmlerinin kalınlıklarını, kırılma indislerini ve sönüm katsayılarını belirlemek için spektroskopik elipsometri (SE) tekniği kullanılmıştır. SE; malzeme yüzeyine gelen lineer polarize ışık demetinin polarizasyon durumundaki değişimi ölçerek ve elipsometrik parametreler olarak bilinen ve değerlerinden yararlanılarak filmlerin kalınlıklarının ve optik sabitlerinin belirlenebildiği bir tekniktir. Bu değerler, gelme düzlemine paralel ve dik polarize olan kompleks yansıma katsayılarına aşağıda verilen ifade ile bağlıdır. ~ R P i tan e (1) ~ R S ~ ~ Burada R p ve R s sırası ile gelme düzlemine paralel ve dik polarize olan kompleks yansıma katsayılarıdır. Ayrıca ZnO filmlerinin optik sabitlerinin ve kalınlıklarının belirlenmesinde elde edilen elipsometrik veriler Cauchy-Urbach eksponansiyel modeline göre fitlenmiştir. Malzemenin geçirgen olduğu bölgede sağlıklı sonuçlar veren Cauchy denklemi elipsometrik veri analizinde yaygın olarak kullanılan bir optik modeldir. Kırılma indisi için Cauchy denklemi; Bn Cn n( ) An (2) 2 4 belirlenmiştir. EDX analizi ile filmlerin stokiyometrisi belirlenmiştir ve Zn/O atomik yüzde oranları Çizelge 2 de verilmektedir. Bu çizelgeden özellikle yüksek sıcaklıklarda tavlanan Z2 ve Z3 filmlerinde oksijen miktarında artış olduğu ve filmlerin stokiyometrisinde belirgin bir sapma olduğu dikkat çekmektedir. Bu durum, daha önce yüzeyde muhtemel ara durum olarak bulunan metalik Zn atomlarının atmosfer ortamındaki veya tane sınırlarındaki oksijen ile reaksiyona girerek filmlerin oksitlendiğini göstermektedir. Çizelge 2. ZnO filmlerinin EDX sonuçları Malzeme Zn (Atomik O (Atomik Zn/O %) %) Z0 54 46 0.85 Z1 52 48 0.92 Z2 56 44 0.79 Z3 59 41 0.69 Şekil 1 de ZnO filmlerine ait 1200-1600 nm dalgaboyu aralığında elde edilen teorik ve deneysel spektrumları verilmektedir. spektrumlarına göre deneysel ve teorik model arasında iyi bir uyum olmasına rağmen, her dört filmde de deneysel değerlerinde küçük sapmalar vardır. Bu sapmaların, ZnO filmlerinin elde edilmesinde kullanılan üretim tekniğinden, filmlerin yüzey morfolojisinden, tane sınırlarından ve taban olarak kullanılan cam tabanlardan olan geri yansımalardan kaynaklanabileceğini düşünmekteyiz. Ayrıca tavlanan ZnO filmlerinde uyumun daha iyi olduğu dikkati çekmektedir. Bu durumun ısı etkisi ile filmlerin yüzey pürüzlülüklerinin azalması ile ilgili olabileceğini düşünmekteyiz. ZnO filmlerinin kalınlıkları (d) ile elipsometrik modelleme parametreleri Çizelge 3 de verilmektedir. Bu çizelgeden, ZnO filmlerinin kalınlıklarının tavlama işlemine bağlı olarak azaldığı belirlenmiştir. şeklinde verilir. Burada A n, B n ve C n Cauchy parametreleridir. Sönüm katsayısının sıfır olduğu bölgelerde Cauchy modelinin kullanımı uygundur. Ancak, spektrumda sönüm katsayısının sıfır olmadığı ve az da olsa soğurmanın olduğu bölgeler bulunabilir. Bu durumda Cauchy modeline sönüm katsayısını tanımlayan bir denklem eklemek gerekir. Bu denklem Urbach denklemi olarak bilinir ve k( Bk ( E Eb ) ) Ak e (3) ifadesi ile verilir (Kruns vd., 1995). Bulgular ZnO filmlerinde hava ortamında ısıl tavlama işleminin etkisi ile olası bir oksitlenme durumunu değerlendirmek amacıyla her bir film için elemental analiz (EDX) gerçekleştirilmiştir. Yapılan inceleme sonucunda katı filmler içerisinde beklenen Zn ve O elementlerinin yapıda bulunduğu ve filmlerde katyon eksikliği olduğu Şekil 1. ZnO filmlerinin spektrumları 57

ZnO Yarıiletken Filmlerinin Optik, Elektrik ve Yüzey Özellikleri Üzerine Isıl Tavlama İşleminin Etkileri Film Çizelge 3. Kalınlık (d) değerleri ve elipsometrik modelleme parametreleri d nm A n B n nm 2 C n nm 4 A k B k (ev) -1 Z0 235 2.01 1 1 37 38 Z1 204 2.04 2 1 34 36 Z2 206 2.05 9 2 25 22 Z3 201 2.00 1 2 51 66 birlikte ZnO filmlerinin yasak enerji aralıklarında azalma olduğu gözlenmiştir. Bant aralığı değerlerindeki düşmenin, stokiyometrideki sapmalara bağlı olarak yapıdaki deformasyonlardan oluşan bant sarkmalarından kaynaklanabileceğini düşünmekteyiz (Pankove, 1975). Bant kenarlarındaki bozulma geçirgenlik ve soğurma spektrumlarından da açıkça görülmektedir. ZnO filmlerinin geçirgenlik ve soğurma spektrumları Şekil 2 de verilmektedir. Geçirgenlik spektrumlarından, tavlamanın etkisi ile filmlerin geçirgenliklerinin çok az miktarda azaldığı ve bant kenarının bozulduğu belirlenmiştir. Geçirgenlik değerlerindeki azalışın tavlama işleminin etkisi ile film yüzeylerinin düzgünlüğünün artmasından dolayı yansıma şeklindeki kayıplardan kaynaklanabileceğini düşünmekteyiz. Bu sonuç, filmlerin yüzey pürüzlülük değerlerinin azalması (Çizelge 5) ile desteklenmektedir. Absorbans spektrumları incelendiğinde ise, tüm filmlerin kısa dalga boylarında yüksek soğurma özelliklerinden dolayı opak malzemeler olarak davrandıkları dikkat çekmektedir. Filmlerin absorbans değerleri yaklaşık 400 nm den daha kısa dalga boylarında filmlerin soğurma özelliklerinin artmasından dolayı keskin bir şekilde artmaktadır. Absorbans değerlerinde keskin artışın gözlendiği bu bölgeler, filmlerin temel soğurma bölgeleridir. Şekil 3. ZnO filmlerinin (αhν) 2 hν değişim grafikleri Şekil 2. ZnO filmlerinin geçirgenlik ve absorbans spektrumları ZnO filmlerinin yasak enerji aralıklarının belirlenebilmesi için optik metot kullanılmıştır. Filmlerin absorbans spektrumlarından faydalanılarak d ifadesinden her bir film için lineer soğurma katsayıları hesaplanıp, (αhν) 2 hν değişim grafikleri çizilmiştir. Bu grafiklerin lineer kısımlarının doğrultularının hν eksenini (αhν) 2 =0 da kestiği noktaların enerji değerleri filmlerin yasak enerji aralıkları olarak belirlenmiştir. ZnO filmlerinin (αhν) 2 hν değişim grafikleri Şekil 3 de verilmektedir. Elde edilen grafiklerden filmlerin direkt bant aralıklı malzemeler oldukları, yasak enerji aralıklarının 3.21, 3.13, 3.15 ve 3.18 ev olarak değiştiği ve güneş pili uygulamaları için elverişli oldukları belirlenmiştir. Ayrıca tavlama işlemi ile Spektroskopik elipsometri tekniği ile belirlenen ZnO filmlerine ait kırılma indisi ve sönüm katsayısı spektrumları Şekil 4 ve 5 de verilmektedir. Tüm filmler için kırılma indisi değerleri dalgaboyuna zayıf bağlı bir değişim göstererek azalmıştır. Kırılma indisindeki bu değişim tüm filmlerde normal dispersiyon olayının gerçekleştiğini göstermektedir. Tavlama işlemi sonucunda, filmlerin kırılma indisi değerlerinde önemli bir değişim olmamıştır. Ayrıca soğurma kenarında kırılma indisi artma ya da azalma gibi değişken özellik gösterebilir. Fakat bu çalışmada uzun dalgaboylarında yani soğurmanın küçük olduğu yerlerde çalıştığımız için filmlerin kırılma indislerinin hemen hemen sabit olduğu görülmektedir. Bir malzemenin sönüm katsayısı direkt olarak malzemenin soğurma karakteristiğine bağlıdır. Bu yüzden elde edilen tüm filmler uzun dalgaboylarında yüksek geçirgen, düşük soğurma ve düşük sönüm katsayısı değerlerine sahiptir. Bu sonuçları filmlere ait geçirgenlik ve soğurma spektrumları da desteklemektedir. ZnO filmlerinin elektriksel özdirençleri dört uç metodu kullanılarak belirlenmiştir. Bu değerler Çizelge 4 de verilmektedir. Yapılan ölçümler sonucunda tavlama işlemi ile ZnO filmlerinin elektriksel özedirençlerinin arttığı belirlenmiştir. EDX analizlerinden, özellikle yüksek sıcaklıklarda tavlanan Z2 ve Z3 numunelerinde oksijen miktarında artış olduğu dikkat çekmiştir. Bu durum, daha önce yüzeyde muhtemel ara durum olarak bulunan metalik Zn atomlarının atmosfer veya tane 58

O. GENÇYILMAZ, F. ATAY, İ. AKYÜZ sınırlarındaki oksijen ile reaksiyona girerek filmlerin oksitlendiğini göstermektedir. Buradan yola çıkarak, elektriksel özdirenç değerlerindeki artışın filmlerin oksitlenmesinden kaynaklanabileceğini söyleyebiliriz. Çünkü daha önce donör olarak davranan Zn atom sayısı azalmış ve var olan bu atomlar elektronlarını oksijene vererek yani bağa katılarak oksitlenmeye neden olmuştur. Sonuç olarak azalan taşıyıcı yoğunluğunun özdirencin artmasına neden olduğunu düşünmekteyiz. Çizelge 4. ZnO filmlerinin elektriksel özdirenç değerleri Malzeme (.cm) Z0 2.87 10 4 Z1 3.39 10 4 Z2 6.58 10 5 Z3 8.42 10 5 ZnO filmlerinin atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak elde edilen üç boyutlu yüzey görüntüleri Şekil 6 da verilmektedir. Bu görüntüler incelendiğinde, tüm filmlerde yüzey yapısının ada tipi büyüme şeklinde olduğu söylenebilir. Tüm filmlerde bazı bölgelerde farklı yükseklik ve büyüklüklerde yığılmaların olduğu dikkat çekmektedir. Yüzeyde belirlenen beyaz bölgeler atomların büyümeyi tercih ettiği yerleri koyu renkli bölgeler ise daha az film oluşumunun olduğu yerleri göstermektedir. Film oluşumu sırasında farklı bölgelerde yığılmanın nedeninin, kullanılan cam tabanların yüzey özellikleri ve taban ile film arasındaki ısıl farklılıklar olabileceğini düşünmekteyiz. Şekil 4. ZnO filmlerinin kırılma indisi spektrumları Şekil 6. ZnO filmlerinin üç boyutlu AFM görüntüleri Çizelge 5 de filmlerin yüzey pürüzlülük değerleri verilmiştir. Bu çizelgede R a ortalama, R q ise rms pürüzlülük değerleridir. Tavlamanın etkisi ile filmlerin yüzey pürüzlülüklerinin azaldığı dikkat çekmektedir. Bu durum ise film yüzeylerinin düzgünleştiğinin bir göstergesidir. Çizelge 5. ZnO filmlerinin yüzey pürüzlülük değerleri Malzeme R q (nm) R a (nm) Z0 48 35 Z1 28 22 Z2 39 21 Z3 35 27 Şekil 5. ZnO filmlerinin sönüm katsayısı spektrumları 59

ZnO Yarıiletken Filmlerinin Optik, Elektrik ve Yüzey Özellikleri Üzerine Isıl Tavlama İşleminin Etkileri Tartışma Bu çalışmada, ultrasonik kimyasal püskürtme tekniği ile üretilen ZnO filmlerinin optik, yüzey ve elektrik özellikleri üzerine ısıl tavlama işleminin etkisi araştırılmıştır. ZnO filmleri ince film güneş pillerinde kullanım potansiyeline sahip malzemeler oldukları için, düşük maliyetle üretilebilmeleri çok önemlidir. Bundan dolayı bu çalışmada ZnO filmlerini üretmek için kullanışlı, düşük maliyetli, vakum gerektirmeyen ve geniş yüzeylere film kaplama imkanı sağlayan ultrasonik kimyasal püskürtme tekniği kullanılmıştır. Tavlama işlemi sonucunda ZnO filmlerinin kalınlıklarının azaldığı belirlenmiştir. Uzun dalgaboylarında filmlerin krılma indisi değerleri tavlamanın etkisi ile az da olsa azalma göstermiş ve hemen hemen sabit kalmıştır. Tavlama işleminin oksitlenmeye sebep olduğu ve bundan dolayı özellikle Z2 ve Z3 filmlerinin elektriksel özdirenç değerlerinin azaldığı belirlenmiştir. ZnO filmlerinin yüzey görüntüleri atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak incelenmiştir. Tavlama işleminin etkisi ile ZnO filmlerinin yüzey pürüzlülüğünün azaldığı ve buna bağlı olarak yüzeylerin düzgünleştiği saptanmıştır. Bu durum fotovoltaik uygulamalarda kısa devre etkisini azaltacaktır. Sonuç olarak ZnO filmlerinin optiksel, elektriksel ve yüzeysel özelliklerinin ısıl tavlama işlemine bağlı olarak değişim sergilediği belirlenmiştir. Kaynaklar Ergin, B., Ketenci, E., Atay, F. 2008. Characterization of ZnO films obtained by ultrasonic spray pyrolysis technique. International journal of hydrogen energy, 34, 5249 5254. Golshahi, S., Rozati, S. M., Martins, R., Fortunato, E. 2009. P-type thin film deposited by spray pyrolysis technique. The effect of solution concentration. Thin Solid Films, 518,1149-1152. Kaushal, A., Pathak, D., Bedi, R. K., Kaur, D. 2009. Structural, electrical and optical properties of transparent Zn 1-x Mg x O nanocomposite thin films. Thin Solid Films, 518, 1394-1398. Kavasoğlu, N., Kavasoğlu, A. S. 2008. Metalsemiconductor transition in undoped ZnO films deposited by spray pyrolysis. Physica B, 403, 2807-2810. Kruns, M., Mellikov E. 1995. Zinc oxide thin films by the spray pyrolysis method. Thin Solid Films, 270, 33-36. Lee, J.H., Park, B. K. 2004. Characteristics of Al-doped ZnO thin films obtained by ultrasonic spray pyrolysis: effects of Al doping and an annealing treatment. Materials Science and Engineering, 106, 242 245. Ma, T. Y., Shim D. K. 2002. Effects of rapid thermal annealing on the morphology and electrical properties of ZnO/In films. Thin Solid Films, 410, 8 13. Pankove, J. I. 1975. Optical processes in semiconductors, Dover Publications, New York, A.B.D. Zhang, X., Fan, H., Sun, J., Zhao, Y. 2007. Structural and electrical properties of p-type ZnO films prepared by Ultrasonic Spray pyrolysis. Thin Solid Films, 515, 8789-8792. Zhao, J. L., Li, X.M., Bian, J. M., Yu, W. D., Zhang, C. Y. 2005. Growth of nitrogen-doped p-type ZnO films by spray pyrolysis and their electrical and optical properties. Journal of crystal Growth, 280, 495-501. 60