Influence of al concentration and annealing temperature on structural, optical and electrical properties of Al codoped ZnO thin films
Al katkilanmiş ZnO ince filmlerin yapisal, optik ve elektrik özelliklerine Al konsantrasyonunun ve tavlama sicakliğinin etkisi
- Tez No: 392418
- Danışmanlar: PROF. SADIK GÜNER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Yarı iletken ince filmler, Semiconductor thin films
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Fatih Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
RF manyetron püskürtme yöntemiyle çapı 2.5 inç, yüksek saflıkta Al (99.9 %) ve ZnO hedef malzemeler kullanılarak saf ZnO ve Al katkılı ZnO (AZO) ince filmler (kalınlık:200 nm), oda sıcaklığında silica (SiO2) alttaşlar üzerine büyütülmüştür. Numuneler, kuvars tavlama fırını sistemiyle N2 gazı ortamında 45 dakika boyunca sırasıyla 300°C, 400°C ve 500°C de tavlanmıştır. Farklı Al yoğunluklarının ve tavlama işleminin üretilen filmlerin yapısal, elektriksel ve optiksel özellikleri üzerindeki etkileri araştırıldı.Enerji dağılım spektroskopi (EDS) sonuçları AZO ince filmlerde Zn, Al ve O elementlerinin olduğunu göstermiştir. Büyütülen ham ve tavlanan numunelerin kristal yapıları X-ışını kırınımı (XRD) ve yüzey morfolojileri taramalı elektron mikroskobu (SEM) teknikleri ile incelenmiştir. Saf ZnO ve AZO ince filmlerin kristalleşme yönü alttaş yüzeyinden c ekseni boyunca olup (002) düzlemlerden kırınım nedeniyle gözlenen tek pik Würtzite örgüyü işaret etmektedir. Filmlerin uzun mertebeli kristalleşme seviyesi Al yoğunluğu arttıkça azalmasına rağmen tavlama işlemiyle artmaktadır. Filmlerin kristalit boyutu Scherrer formülü ile belirlendi. Büyütülmüş ve tavlanmış numunelerin kristalit boyutları minimum 12.98 nm ile maksimum 20.79 nm arasında değişmektedir. Genel eğilim olarak, kristalit boyutları Al konsantrasyonu arttıkça azalmakta fakat tavlama işlemi ile artmaktadır. Filmlerin gözenek ve granül büyüklüğü tavlamayla değişmiştir. Küçük granüller birçok filmde daha büyük granüler yapı oluşturmak üzere biraraya gelmiştir. Bununla birlikte Al2.23 ZnO ve Al12.30 ZnO film numunelerinde tam tersi bir davranış gözlenmiştir yani sıcaklık gibi Al konsantrasyonu da granül büyüklüğü üzerinde önemli bir rol oynamaktadır. Filmleri optik özellikleri 200-1000 nm dalga boyu aralığında UV-Vis spektroskopisi kullanılarak çalışıldı. Büyütülen AZO filmlerinde kristal kalitesinin kötüleşmesinden ve Al yoğunluğunun artmasından dolayı düşük oranda yüzde optik geçirgenlik (T %) gözlemlendi. Al15.62ZnO film için T % değeri % 34.5 oranına kadar azaldı. Artırılan tavlama sıcaklığı ile T % de artmıştır. 500 0C de tavlanmış olan AZO numuneleri görünür bölge aralığında % 80 civarında geçirgenliğe sahiptir. Büyütülen ve tavlanmış numuneler için optik enerji bant aralığı değerleri 3.17 eV ile 3.60 eV arasında değişmektedir. Bant aralığı artışları Burstein-Moss etkisi olarak da bilinen, katkılandırılmış Al oranına bağlı olarak serbest elektron konsantrasyonunun artmasına bağlanmaktadır. Tavlama işlemi bant aralığını değerlerini de artırmaktadır. Numunelerin elektriksel özellikleri Dört Nokta Sonda (FPP) metodu kullanılarak incelenmiştir. Filmlerin elektriksel iletkenliği ve taşıyıcı konsantrasyonu Al konsantrasyonunun artmasıyla artmıştır. Al konsantrasyonunun artışına bağlı olarak kristal yapısının bozulmasından dolayı mobilite azalmıştır. Artan serbest elektronlar ve uzun mertebeli kristalleşmeden dolayı AZO örnekleri özellikle 400 0C deki tavlama işlemiyle en iyi elektriksel iletkenliği sergilemişlerdir. En yüksek elektriksel iletkenliği ise yine 400 °C de tavlanmış Al12.30ZnO filminde 1.06x104 (Ωcm)-1 olarak ölçülmüştür.
Özet (Çeviri)
The pure ZnO and Al-doped ZnO (AZO) thin films (thickness: 200 nm) were prepared on both side polished silica (SiO2) substrates via RF magnetron sputtering at room temperature by using 2.5 inches high-purity ZnO (99.9 %) and Al (99.9 %) ) targets. The samples were annealed at 300 °C, 400°C and 500 °C for 45 min in N2 ambient in quartz annealing furnace system, respectively. We investigated the effects of various Al concentrations and annealing treatment on the structural, electrical, and optical properties of films. Energy dispersive spectroscopy (EDS) results indicate that Zn, Al and O elements are present in the AZO thin films. The crystal structure of as grown and annealed samples were investigated by XRD and the surface morphology was studied by SEM measurements. The preferred orientation was observed along c axis (single (002) diffraction peak) from substrate surface assigning the single crystalline Würtzite lattice for pure ZnO and AZO thin films. Although increasing Al concentration decreases the order of crystallization of as grown films, annealing process increases the long range crystal order. The crystallite sizes of films were determined by Scherrer's formula. The crystallite sizes vary between minimum 12.98 nm to maximum 20.79 nm for as grown and annealed samples. The crystallite sizes decrease with increasing Al concentration but increase with increasing annealing temperature as general trend. The grain size and porosity of films change with annealing treatment. The smaller grains coalesce together to form larger grains for many films. However, a reverse behavior is seen for Al2.23 ZnO and Al12.30 ZnO samples. That is, Al concentration plays critical role as well as temperature on grain size. The optical properties were also studied in the 200-1000 nm wavelength range by employing UV-Vis spectroscopy. Low percent optical transmittance (T %) is observed due to higher Al concentration and worse crystal quality for as grown AZO films. T % decreases until 34.5 % for as grown Al15.62ZnO film. Annealing process increases the T % by increasing temperature. AZO samples annealed at 500 0C have around 80 % transparencies in the visible range of spectrum. Optical energy band gap values range between 3.17 eV to 3.60 eV for as grown and annealed samples. Band gap increments are attributed to increasing free electron concentration depending on doped Al ratio known as Burstein-Moss effect. Annealing process increases the band gap values, too. The electrical properties were investigated by using the Four-Point Probe (FPP) method. The electrical conductivity and carrier concentration of the films are increased with increasing Al concentration. The mobility decreases due to increase in Al concentration that deteriorates the crystal nature. Annealing process especially at 400 0C enables the AZO samples to exhibit best electric conductivity due to long range crystal structured nature and increasing free electron concentration in the films. The maximum electrical conductivity value of 1.06x104 (Ωcm)-1 was measured from Al12.30ZnO sample annealed at 400 °C.
Benzer Tezler
- Nanocrystalline ZnO:Al thin films prepared by sol-gel dip coating technique and ZnO: Al/p-Si heterojunctions
Sol-gel daldırmalı kaplama tekniği ile üretilmiş nano yapılı ZnO:Al ince filmler ve ZnO: Al/p-Si heterokavşaklar
ÖZGE KARACASU
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
- Yüksek azot içeren çökeltme ile sertleştirilebilir ostenitik paslanmaz çelikler
Precipitation hardening austenitic stainless steels
GÜLHAN TÜYSÜZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET DEMİRKOL
- Katı çözelti sertleşmesinin küresel grafitli dökme demirin dönel eğmeli yorulma davranışına etkisi
Effect of solid solution strengthening on rotating bending fatigue behaviour of ductile cast iron
BARIŞ ATEŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
- Magnetic monitoring approach to kinetics of phase transformations in multicomponent alloy systems
Çok bileşenli alaşım sistemlerinde faz dönüşüm kinetiğine manyetik izleme yaklaşımı
NAGEHAN DUMAN
Doktora
İngilizce
2012
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AMDULLA O. MEKHRABOV
PROF. DR. M. VEDAT AKDENİZ
- Schottky metalinin kalınlığı ve H2 tavlamasının Au/n-GaAs diyotlarının karakteristik parametreleri üzerine etkileri
Influences of the thickness of the schottky metal and hydrogen annealing on the characteristic diode parameters of the Au/n-GaAs diodes
ÖMER GÜLLÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
Fizik ve Fizik MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. MEHMET BİBER