Kimyasal püskürtme yöntemi ile büyütülen çinko oksit filmlerin yapısal ve optiksel özellikleri üzerine borik asidin etkisinin incelenmesi

Abstract

ZnO hem mikroelektronik, hem de optoelektronik uygulamalarda çok ilgi çeken, önemli bir materyaldir. 3,37 eV direkt enerji aralığına sahip, geniş yasak bantlı bir oksit yarıiletkendir. Bunun sonucu olarak, banttan banda geçişler sebebiyle ZnO film, UV radyasyonunu soğurur. Bundan dolayı yarıiletken oksit ince filmler özellikle güneş pilleri, LCD (Liquid Crystal Display)'ler ve ısı aynaları gibi uygulamalarda sıklıkla kullanılır. ZnO ayrıca, yarıiletken çoklu katmanlarda, fototermal çevrim sistemlerinde, gaz sensörlerinde ve optik pozisyon sensörlerinde kullanılır. Sunulan bu tez çalışmasında, güneş hücrelerinin üretiminde kullanıma çok uygun, düşük maliyetli ve geniş alanlara uygulanabilir bir teknik olan kimyasal püskürtme tekniği ile 450oC sıcaklıktaki alt tabanlara Bor kaynağı olarak Borik asit (H3BO3) kullanarak Bor katkılı ZnO filmler hazırlanmıştır ve bu filmlerin özellikleri Bor konsantrasyonunun bir fonksiyonu olarak incelenmiştir. X-Ray analizi ile filmlerin hekzagonal yapı ile uyumlu polikristalin olduğu ve (002) yönünde bir oryantasyonu tercih ettiği belirlenmiştir. Optik bant aralığının, katkısız ve Bor katkılı ZnO filmlerde 3.46 dan 3.29 eV a değiştiği saptanmıştır. Filmlerin Borik asit konsantrasyonuyla ilişkili, enerji bant aralığında ve yapısal özelliklerinde gözlemlenen değişiklikler detaylı olarak tartışılmıştır.Sunulan bu tez çalışmasında, kimyasal püskürtme yöntemi ile elde edilen katkısız ve Bor katkılı ZnO filmlerin yapısal ve optiksel özelliklerinin güçlü bir şekilde Bor konsantrasyonuna bağlı olduğu belirlenmiştir. Özellikle, ZnO filmler arasında en iyi kristal yapıdaki film, %1,0 (B/Zn) katkı oranında görülmüştür. Elde edilen bu film, polikristalin yapıya sahip olduğu ve (002) boyunca iyi tanımlanmış mikroyapılar ile tercihli oryantasyonu gösterdiği belirlenmiştir. Bor katkısı (% 1,0'de) kristalite düzeyinin arttığı saptanmıştır. Fakat yüksek katkı konsantrasyonlarında (%3,0 ve %5,0) filmlerin kristalizasyon düzeyleri, filmlerin yapısal özelliklerini etkileyen yapı içindeki kusurlar olarak bilinen tanecik sınırlarından dolayı en düşük olduğu belirlenmiştir. XRD analizleri ile Bor konsantrasyonunun ZnO filmlerin kristal ve yapısal özellikleri üzerinde önemli rol oynadığı ve %1,0 Bor konsantrasyonunun en uygun Bor miktarı olduğu sonucuna varılmıştır.

ZnO is a very interesting material for many different applications in both microelectronic and optoelectronic devices. It is a wide-bandgap oxide semiconductor with a direct energy gap of about 3.37 eV. As a consequence, ZnO absorbs UV radiation due to band-to-band transitions. However, it can be used as transparent conductive oxide (TCO) thin films, mainly for applications such as solar cells, liquid crystal displays and heat mirror. Furthermore, ZnO is used as semiconducting multilayers, photothermal conversion system, gas sensors, and optical position sensors.In the thesis study, Boron doped ZnO films were prepared by spray pyrolysis technique at 450 °C substrate temperature, which is a low cost and large area technique to be well-suited for the manufacture of solar cells, using Boric acid (H3BO3) as dopant source, and their properties were investigated as a function of doping concentration. X-ray analysis showed that the films were polycrystalline fitting well with a hexagonal structure and have preferred orientation in (002) direction. And optical band gap of the undoped and Boron-doped ZnO films were found to vary from 3.46 to 3.29 eV. The changes observed in the energy band gap and structural properties of the films related to the Boric acid concentration are discussed in detail.Inthe thesis study, the structural and optical properties of undoped and doped ZnO films obtained by the spray pyrolysis technique shows that they are strongly dependent on the Boron concentration. Particularly,it was observed that the best crystallinity of ZnO films is obtained at the atomic percentage of dopants in (B/Zn) solution at %1.0. It was determined that the films have polycrystalline structures and show a preferential orientation along (002) with well-defined microstructures. It was observed that Boron incorporation (at 1.0%) caused the crystallinity levels to increase.It was determined that the crystallizationlevelis low at higher doping level (3.0% and 5.0 %) due to the increasing grain boundaries which behave as defects in the structure affecting the structural properties of the films. From the XRD analyses it was concluded that Boron incorporation plays a significant role in the crystalline and structural properties of the ZnO films, and 1.0% Boron incorporations are the most suitable Boron amounts.