Metal/ZNS eklemin yapısal ve opto-elektronik özelliklerinin yoğunluk fonksiyonel teori altında incelenmesi
Investigation of the structural and optoelectronic properties of metal/ZNS junction under density functional theory
- Tez No: 969683
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MURAT ÇALIŞKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışma, çinko sülfür (ZnS) ve soy metallerin (altın, gümüş ve bakır) fiziksel özelliklerini Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (DFT) yöntemleri kullanarak incelemekte ve özellikle Schottky eklemlerinde birleştirildiklerindeki davranışlarına odaklanmaktadır. İlk keşfedilen yarı iletkenlerden biri olmasına rağmen, ZnS literatürde yeterince araştırılmamıştır. Ayrıca, metallerle ZnS eklemleri (Schottky eklemleri), bu konuyu ele alan birkaç deneysel çalışma dışında, yeterince incelenmemiştir. Bu çalışma, bu bilgi boşluğunu doldurmayı amaçlamaktadır. Bu araştırmanın temel hedefleri, ZnS tabanlı Schottky eklemlerinin elektronik cihazlarda ve temiz enerji üretimi için güneş pillerindeki uygulanabilirliğini incelemek ve aynı zamanda insanlığın karşılaştığı bazı sorunların çözümündeki potansiyelini değerlendirmektir. Çalışmada, bu eklemleri modellemek ve analiz etmek için DFT tabanlı teorik yöntemler kullanılmıştır. İlk olarak, tüm malzemeler için geometrik optimizasyonlar yapılmış ve deneysel verilerle uyumlu örgü sabitleri ve bulk modülleri elde edilmiştir. En düşük örgü uyumsuzluğuna sahip süper hücreler oluşturulmuş ve (111) yönelimli yapılar, daha az atom içermeleri nedeniyle en uygun seçenek olarak belirlenmiştir. Metal ve ZnS arasındaki optimum ara yüzey mesafesi, bağlanma enerjisi analizi kullanılarak ve Buckingham potansiyel denklemine uygun şekilde belirlenmiştir. Yük yoğunluğu farkı hesaplamaları ve Bader yük analizi, metal yakınında elektron birikimi ve yarı iletken yakınında boşluk birikimi olduğunu ortaya koymuştur. Schottky bariyer yüksekliğini belirlemek için yerel potansiyel hesaplamaları yapılmış ve iş fonksiyonları tespit edilmiştir. Schottky bariyer yüksekliğinin hesaplanması için öncelikle yarıiletkenlerin bant yapılarının hesaplanması gerekmektedir. Bu hesaplamalar DFT+U yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiş ve deneysel sonuçlarla uyumlu veriler elde edilmiştir. Ayrıca, farklı yarıiletken sistemlerin (hacimsel sistem ve ince tabaka sistemi ) bant yapılarının analizi, hem bu sistemler arasındaki önemli farklılıkları hem de DFT yönteminin bant aralığı tahminindeki sınırlamalarını ortaya koymuştur. Schottky bariyer yükseklikleri iki farklı yaklaşımla (Schottky-Mott kuralı, makroskobik otalama potanisyel yaklaşımı) hesaplanmış ve makroskobik otalama potanisyel yaklaşımı kullanılarak elde edilen sonuçlar, yönelim ve metodoloji farklılıklarına rağmen deneysel literatürle makul bir uyum göstermiştir. Elde edilen yüksek bariyer yükseklikleri, bu eklemlerin güçlü doğrultucu özelliklere sahip olduğunu ve yüksek gerilimli uygulamalara (örneğin UV fotodedektörleri) uygun olabileceğini göstermektedir. Bununla birlikte, düşük gerilimli elektronikte kullanımları sınırlı olabilir. Bu çalışma, ZnS tabanlı Schottky eklemleri üzerine daha fazla araştırma yapılmasının önemini vurgulamakta ve gelecekteki deneysel ve teorik çalışmalar için bir temel oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
This study examines the physical properties of zinc sulfide (ZnS) and noble metals (gold, silver, and copper) using Density Functional Theory (DFT) methods, focusing particularly on their behavior when combined in Schottky junctions. Although one of the first discovered semiconductors, ZnS has not been sufficiently investigated. Additionally, metal-ZnS junctions (Schottky junctions) have not been sufficiently studied, apart from a few experimental works addressing this topic. This study aims to fill this knowledge gap. The primary objectives of this research are to investigate the applicability of ZnS-based Schottky junctions in electronic devices and solar cells for clean energy production, while also evaluating their potential for solving some of humanity's challenges. Theoretical DFT-based methods were used to model and analyze these junctions in the study. First, geometric optimizations were performed for all materials, obtaining lattice constants and bulk moduli consistent with experimental data. Supercells with the lowest lattice mismatch were created, and (111)-oriented structures were identified as the most suitable option due to requiring fewer atoms. The optimal interface distance between the metal and ZnS was determined using binding energy analysis and by fitting to the Buckingham potential equation. Charge density difference calculations and Bader charge analysis revealed electron accumulation near the metal and hole accumulation near the semiconductor. Local potential calculations were performed to determine the Schottky barrier height, and work functions were identified. To calculate the Schottky barrier height, the band structures of the semiconductors were first computed. These calculations were performed using the DFT+U method and yielded results consistent with experimental data. Additionally, analysis of band structures of different semiconductor systems (bulk material and slab) revealed significant differences between them as well as the limitations of DFT methods in predicting bandgap width. Schottky barrier heights were calculated using two different approaches (Schottky-Mott rule, macroscopic average potential method), and the results obtained using the macroscopic average potential method showed reasonable agreement with experimental literature despite differences in orientation and methodology. The high barrier heights obtained indicate that these junctions have strong rectifying properties and may be suitable for high-voltage applications (e.g., UV photodetectors). However, their use in low-voltage electronics may be limited. This study emphasizes the importance of further research on ZnS-based Schottky junctions and provides a foundation for future experimental and theoretical studies.
Benzer Tezler
- Au/PVA:Zn/n-Si (MPS) yapıların hazırlanması ve temel elektriksel özelliklerinin ışık altında incelenmesi
The preperation of Au/PVA:Zn/n-Si (MPS) structures and investigation of main electrical characteristics under illumination
UMUT AYDEMİR
Doktora
Türkçe
2014
Fizik ve Fizik MühendisliğiGazi ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞEMSETTİN ALTINDAL
- Biyomedikal uygulamalar için ASTM F75 kobalt-krom alaşımının yüzey modifikasyonu
Surface modification of ASTM F75 cobalt-chromium alloy for biomedical applications
DOĞUKAN ÇETİNER
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
DOÇ. DR. ERDEM ATAR
- Ce, Mo ve La katkılı ZnS nanopartiküllerin karakterizasyonu ve özelliklerinin incelenmesi
Characterization and properties of ZnS nanoparticlesdoped with Ce, Mo and La
MUHAMMED GÜNBAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Fizik ve Fizik MühendisliğiSiirt ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ARZU EKİNCİ
- Recycling of ZnS from wastes and its utilization as an electrode material in supercapacitors
Atıklardan ZnS'ün geri dönüşümü ve süperkapasitörlerde elektrot malzemesi olarak kullanılmasının araştırılması
OZAN AYDIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BURAK BİROL
DOÇ. DR. METİN GENÇTEN
- Darbeli elektrokimyasal yöntemle üretilen ZnS ve Cu katkılı ZnS yarıiletken ince filmlerin karakterizasyonu
Characterization of ZnS and Cu doped ZnS semiconductor thin films produced by pulsed electrochemical method
YUSUF IBRAHIM ABDULLAHI
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Fizik ve Fizik MühendisliğiTekirdağ Namık Kemal ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KADİR ERTÜRK
DR. MAKBULE TERLEMEZOĞLU