ZnO VE Sb2S3 İNCE FİLM TABANLI FOTOSENSÖR AYGIT ÜRETİLMESİ VE KARAKTERİZASYONU

Abstract

Bu tez çalışmasında, çözeltideki Ti/Zn molar oranları sırasıyla % 1, % 2, % 3, % 4 ve % 5 olan titanyum katkılı ZnO ince filmler hazırlanmıştır. Ayrıca, çözeltideki Sn/Zn ve Ti/Zn molar oranları sırasıyla % 1 Sn,% 1 Ti, (% 0.5 Sn -% 0.5 Ti), (% 0.5 Sn -% 1 Ti), (% 1 Sn -% 0.5 Ti) ve (% 1 Sn -% 1 Ti) olan ortak katkılı ZnO ince filmler cam altlıklar üzerine hazırlanmıştır. Bununla birlikte, çözeltideki Sb/S molar oranı 2/3 olan Sb2S3 filmler de cam altlıklar üzerine kaplanmıştır. Hazırlanan ZnO ince filmlerin yapısal, optik, elektriksel ve fotodedektör özelliklerine katkı türünün ve molar oranlarının etkisi detaylı bir şekilde incelenmiştir. Sb2S3 ince filmlerin yapısal, optik, elektriksel ve fotodedektör özelliklerine ise kaplama sıcaklıklarının etkisi araştırılmıştır. Sb2S3 ince filmler, sırasıyla 250 oC, 300 oC, 350 oC, 400 oC ve 450 oC sıcaklılarda sol-jel daldırarak kaplama sistemi ile kaplanmıştır. Hazırlanan ince filmlerin fiziksel özelliklerinin belirlenmesi için XRD, SEM, EDX, Fotolüminesans, UV Vis spektroskopisi, Hall etkisi, akım-voltaj ve akım-zaman ölçüm sistemleri kullanılmıştır. XRD sonuçlarına göre titanyum ve kalay elementlerinin birlikte veya ayrı ayrı ZnO’ ya katılmaları durumunda ZnO’ nun kristal yapısı bozulmaktadır. ZnO filmlerin SEM sonuçlarına göre, çözeltiye kalay veya titanyum birlikte veya ayrı ayrı katıldığında tanecik boyutları küçülmektedir. Bu filmlerin EDX sonuçları ise filmlerin yapısında kalay ve titanyumun varlığını doğrulamaktadır. UV-Vis spektrometresi sonuçlarına göre titanyum ve kalay elementlerinin birlikte veya ayrı ayrı ZnO’ ya katılmaları durumunda ise görünür bölgede optik geçirgenlik artmaktadır. ZnO’ nun yasak bant aralığı ~ 3.27 eV olarak belirlenmiştir. Katkılandırmanın ise ZnO’ nun yasak bant aralığında önemli bir etkisinin olmadığı gözlenmiştir. Hall etkisi ölçüm sonuçlarına göre, katkısız ZnO’ nun taşıyıcı konsantrasyonu 7.96 x 10 16 cm-3 iken % 5 Ti katkılı ZnO filmler için 2.84 x 10 14 cm-3 ’ e kadar azalmaktadır. Fotolüminesans sonuçlarına göre katkısız ZnO filmlerin görünür bölgede 460 nm, 494 nm ve 577 nm’ de emisyon pikleri ortaya çıkmaktadır. ZnO’ nun kendi kristal kusurlarından kaynaklanan bu piklerin şiddeti titanyum katılması ile önemli oranda azalmıştır. Bu sonuca göre, bu tez çalışmasında, titanyumun ZnO’ nun kristal yapısında bir pasivasyon etkisi yarattığı ilk kez gözlenmiştir. Karanlık ve 365 nm dalga boylu ışık altında yapılan akım-voltaj ve akım-zaman grafiklerine göre metal-yarıiletken-metal (MSM) tipi katkısız ZnO fotodedektörlerin foto hassasiyetleri 43 iken % 3 Ti katılması ile 3333’ e yükselmiştir. Yani, ZnO’ ya % 3 Ti katkılandırıldığında foto hassasiyet 775 kat artmıştır. Bu artışın nedeni titanyumun ZnO’ nun yasak bant aralığındaki kusurları (tuzakları) pasivize ederek, ışık altında daha çok elektronun iletim bandına geçmesini ve iletime katılması sağlamasıdır. (0.5 % Sn ve % 1 Ti) katkılı ZnO fotodedektörlerin foto hassasiyeti ise 1557 olarak kaydedilmiştir. Bu şekilde sadece % 1 Ti katklı ZnO fotodedektörlere göre % 10 civarında foto hassasiyette iyileşme gözlenmiştir. Sb2S3 ince filmlerle ilgili yapılan çalışmalarda ise herhangi bir tavlama ve sinterleme işlemi yapılmadan sadece kurutma işlemiyle kristalleşe bileceği gözlenmiştir. XRD sonuçları 250 oC’ de hazırlanan Sb2S3 filmlerin henüz amorf yapıda olduğunu göstermektedir. 300 oC, 350 oC, 400 oC ve 450 oC’ de hazırlanan Sb2S3 fotodedektörlerin 70 mW/cm2 şiddetindeki görünür ışıkla yapılan akım-zaman ölçümlerine göre foto hassasiyetlerisırasıyla 7.71, 7.44, 56.81 ve 2.66 olarak kaydedilmiştir. Bu sıcaklılarda hazırlanan foto detektörlerin yükselme ve azalma zaman sabitleri (r, d) ise sırasıyla (0.39 s, 0.86 s), (0.41 s, 0.42 s), (0.40 s, 0.40 s), (0.38 s, 0.40 s) olarak belirlenmiştir