ULTRASONĠK KĠMYASAL PÜSKÜRTME YÖNTEMĠ
ĠLE BÜYÜTÜLEN Co KATKILI ZnO ĠNCE
FĠLMLERĠN TERMOLÜMĠNESANS
ÖZELLĠKLERĠNĠN ĠNCELENMESĠ
Nil KÜÇÜK1, Şule KAYA2, Vildan BİLGİN3, İlker KÜÇÜK1,
H. Yeter GÖKSU4
1Uludağ
Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü,
Görükle Kampüsü 16059 Bursa
2Ankara
Üniversitesi, Nükleer Bilimler Enstitüsü,
Tandoğan Merkez Kampüsü 06100 Ankara
3Çanakkale
Onsekiz Mart Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi,
Fizik Bölümü, Çanakkale
4Adıyaman
Adıyaman
Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü,
İçerik
 ZnO
 ZnO Ġnce Film Depolama Teknikleri
 Kimyasal Püskürtme Tekniği (KPT)
 Ġnce Filmlerin Üretimi
 ZnO:Co Filmlerinin Termolüminesans
(TL) Sinyallerinin Ölçümü
 Sonuçlar
ZnO
 DüĢük elektriksel özdirence ve görünür bölgede yüksek geçirgenliğe sahip
geniĢ bant aralıklı, ucuz maliyetli ve zehirli etkileri olmayan bir yarıiletken
malzemedir.
 ZnO yarıiletken bileĢiği II-VI grup bileĢiği olup, oda sıcaklığında geniĢ bir
yasak enerji aralığına (Eg=3,1-3,4 eV) sahip direkt band geçiĢli ve n-tipi bir
yarıiletken malzemedir.
 ZnO hekzagonal kristal yapıya sahiptir ve örgü sabitleri
c=5,205 Å’ dur.
a=b=3,249 Å ve
 Günümüzde üstün özellikleri nedeniyle çok geniĢ ve önemli uygulama
alanları vardır;
 Elektrik, optik ve akustik özelliklerinin uygunluğu sebebiyle, yüzey akustik
dalga devreleri, güneĢ pilleri, sıvı kristal ekranları, morötesi ve görünür
bölgede ıĢık yayan lazerler, kimyasal gaz sensörleri, ıĢık yayan diyotlar
(LED), lüminesans malzemeler, optik dalga kılavuzları gibi optoelektronik
devrelerde yaygın kullanım alanına sahiptir.
ZnO İnce Film Depolama
Teknikleri
 ZnO ince filmler 1 nm den birkaç μm ye kadar uzanan kalınlık
bölgesinde
çoğunlukla
edilebilmektedirler.
depolama
yoluyla
elde
 Günümüzde kullanılan pek çok ince film depolama tekniği
vardır. Bunlar istenilen özellik ve kalitede ince film üretimi
yapılabilmesi için çeĢitli sınıflara ayrılmıĢlardır.
 ZnO ince filmler; moleküler demet epitaksi (moleküler beam
epitaxy, MBE), püskürtme (sputtering), elektron demet
buharlaĢtırma (electron beam evaporation), kimyasal buhar
biriktirme (chemical vapor deposition) gibi vakum gerektiren
teknikler ya da vakum gerektirmeyen elektro-depozisyon,
kimyasal püskürtme (spray pyrolysis), kimyasal banyo
depolama (chemical bath deposition) teknikleri ile üretilebilirler.
Ultrasonik Kimyasal
Püskürtme (UKP) Tekniği
 Kimyasal püskürtme tekniği, elde edilecek malzemenin
elementlerini içeren tuzlarından belirli konsantrasyonlarda
ve hacimlerde hazırlanan sulu çözeltisinin önceden ısıtılmıĢ
cam, metalik veya seramik tabanlar üzerine belirli bir akıĢ
hızında belirli bir süre taĢıyıcı gaz olarak azot gazı veya
hava kullanılarak püskürtülmesine dayanan bir tekniktir.
Katı filmler kimyasal reaksiyon sonucunda tabanlar
üzerinde oluĢtuğu için, bu teknik kimyasal bir teknik olarak
bilinir.
 Kimyasal Püskürtme Tekniği, basit olması, ekonomik olarak
ucuz aletleri içermesi, kısa sürede malzeme üretiminin
sağlanması, enerji tüketiminin az olması, farklı atom
katkılanmasının basit olması, geniĢ yüzeylere (cm2
mertebesinde)
film
çöktürülebilmesi
ve
vakum
gerektirmemesi gibi birtakım avantajlara sahiptir ve bu
teknikle elde edilen filmler polikristal yapıda olmaktadır.
Ultrasonik Kimyasal
Püskürtme (UKP) Tekniği
 Üretilen malzemelerin özellikleri püskürtme Ģartlarının uygun bir
Ģekilde ayarlanması ile kontrol edilebilir ve değiĢtirilebilir.
Püskürtme parametrelerindeki değiĢimler çöktürülen filmlerin
özelliklerini önemli ölçüde etkiler. Kimyasal püskürtme
tekniğinde elde edilen yarıiletken malzemelerin fiziksel
özelliklerini etkileyen deneysel parametreler; püskürtme
çözeltisinin konsantrasyonu ve miktarı, taban sıcaklığı,
püskürtme baĢlığı ile taban arasındaki mesafe, kullanılan katkı
elementinin cinsi ve miktarı, püskürtme hızı ve zamanı, taĢıyıcı
gaz ve tabanın cinsidir. Bu deneysel parametrelerin
değiĢtirilmesi ile yarıiletken malzemelerin kalınlığı, yasak enerji
aralığı, elektrik ve optik özellikleri değiĢtirilebilir.
 Kimyasal Püskürtme Tekniğinin dezavantajları ise homojen
kalınlıklı malzemelerin üretilememesi, çöktürme hızının düĢük
olması, metal ve tek kristal ince filmlerin elde edilememesidir.
Ultrasonik Kimyasal
Püskürtme (UKP) Tekniği
 Kimyasal püskürtme tekniğinde baĢlangıç püskürtme çözeltisi
püskürtme baĢlığı kullanılarak atomize edilir ve ince damlacıklar
halinde filtreli bir taĢıyıcı gaz yardımı ile tabanlar üzerine
püskürtülür.
 Bu teknikte etkili bir atomizasyon sağlayabilmek için hava akıĢ
yoğunluğunun sıvının akıĢ yoğunluğuna eĢit veya daha küçük
olması gerekmektedir. Püskürtme baĢlığının geometrisi,
püskürtme yapısını, damlacıkların boyutunu ve püskürtme
oranını önemli ölçüde etkiler ve bunun sonucunda da elde
edilen filmlerin oluĢma kinetiği ile kalitesi belirlenir.
 Kimyasal püskürtme tekniği ultrasonik püskürtme baĢlıklı bir
parça eklenerek geliĢtirilebilir. Bu durumda teknik ultrasonik
kimyasal püskürtme (UKP) tekniği olarak adlandırılır.
Ultrasonik Kimyasal
Püskürtme (UKP) Tekniği
 Ultrasonik Kimyasal Püskürtme (UKP) tekniğinde bulunan osilatör
adı verilen bir güç vericisine bağlı püskürtme baĢlığı sayesinde
belirli frekansta gönderilen ultrasonik dalgalar püskürtme
çözeltisinin daha iyi atomize edilmesini sağlayarak damlacık
boyutunu küçültür ve böylece daha homojen dağılımlı kaliteli
malzemeler üretilebilir.
 ÇalıĢmamızda ZnO:Co ince filmlerini üretmek için UKP tekniği
kullanılmıĢtır. Bu tekniğin Ģematik diyagramı ve fotoğrafı sırası ile
ġekil 1. ve ġekil 2.’ de verilmektedir.
Üretim ve Ölçüm
 Üretim Tekniği  Ultrasonik Kimyasal Püskürtme
 Kalınlık Ölçümü  Elcometer 345 Digital Coating Thickness
 Geçirgenlik ve Soğurma Ölçümleri  Perkin Elmer UV/VIS Lambda
2S (double beam, 1901100 nm)
 Sıcaklık-Ġletkenlik Ölçümleri  Janis CCS-100/202N model cryostat
LakeShore 332 Temperature Controller
Keithley 6487 Picoammeter/voltage source
EdwardsPV25MK Turbomolecular vacuum pump
APD Cryogenics Inc. (Compressor)
 X-ıĢını difraktometresi (XRD)  Rigaku Model (CuK , =1,54059 Å)
Şekil 1. Ultrasonik Kimyasal Püskürtme
Tekniğinin Şematik Diyagramı
(1) püskürtme odacığı
(2) ultrasonik püskürtme baĢlığı
(3) hareketli tava
(4) cam tabanlar
(5) gömme rezistanslı bronz blok
(6) osilatör
(7) 1. termoçift
(8) 2. termoçift
(9) akıĢ hızı ölçer
(10) çözelti kabı
(11) ısıtıcılı-manyetik karıĢtırıcı
(12) yüzey sıcaklık göstergesi
(13) gömme rezistanslı bronz bloğun
ısı kontrol edici düzeneği
(14) masa
(15) hava kompresörü
(16) fan
(17) osilatör kablosu
(18) çözelti akıĢ hortumu
(19) hava hortumu
(20) ac ampermetre
(21) ac voltmetre
(22) içi kısmen su dolu kap
UKPT Sistemi
UKPT Sistemi
Şekil 2. Ultrasonik Kimyasal Püskürtme
Tekniğinin Fotoğrafı
Deney Parametreleri
 TEKNĠK
: UKPT
 ÜRETĠLEN MALZEME
: ZnO ve ZnO:Co (%2, 4, 6)
 TABAN SICAKLIĞI
: 275±5 °C
 TAġIYICI GAZ
: Azot (0,2 kg/cm2)
 ATOMĠZER-TABAN UZAKLIĞI
: 40 cm
 KULLANILAN ÇÖZELTĠLER
: Zn(CH3COO)2.2H2O (0,1 M)
CoCl2.2H2O (0,1 M)
 TOPLAM ÇÖZELTĠ
: 100 ml
 ÇÖZELTĠ AKIġ HIZI
: 5 ml.dk-1
 ÇÖKTÜRME SÜRESĠ
: 20 dk
ZnO:Co Filmleri İçin Kullanılan
Çözelti Miktarları ve Kalınlıkları
Numune
Zn(CH3COO)2
(ml)
CoCl2
(ml)
Kalınlık
(nm)
ZnO
100
---
234
ZnO:Co (%2)
98
2
394
ZnO:Co (%4)
96
4
394
ZnO:Co(%6)
94
6
233
ZnO:Co Filmlerinin Termolüminesans
(TL) Sinyallerinin Ölçümü
ÖLÇÜM PARAMETRELERİ :
140⁰C’de ön-ısıtma (5⁰C/s )
400⁰C’de TL ölçümü (5⁰C/s )
14.3-114.4 Gy arasındaki dozlarla beta
kaynağı ile ışınlanmıştır.
BG-39 ve 7-59 filtreleri birlikte kullanılmıştır.
ZnO:Co Filmlerinin Termolüminesans
(TL) Sinyallerinin Ölçümü
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
doğal doz
14.3 Gy beta
28.6 Gy beta
57.2 Gy beta
114.4 Gy beta
0 100 200 300 400 500
Sıcaklık ( C)
200000
150000
TL ġiddeti
TL ġiddet
Katkısız ZnO
100000
50000
0
0 15 30 45 60 75 90 105120
Radyasyon Dozu (Gy)
250±20 ºC arasında integral alan alınmıştır.
ZnO:Co Filmlerinin Termolüminesans
(TL) Sinyallerinin Ölçümü
%2 Co katkılı
10000
8000
6000
4000
2000
0
TL ġiddeti
doğal doz
14.3 Gy beta
28.6 Gy beta
57.2 Gy beta
100 200 300 400 500
Sıcaklık (°C)
150000
TL ġiddeti
0
200000
100000
50000
0
0 15 30 45 60 75 90 105120
Radyasyon Dozu (Gy)
250±20 ºC arasında integral alan alınmıştır
ZnO:Co Filmlerinin Termolüminesans
(TL) Sinyallerinin Ölçümü
doğal doz
15000
14.3 Gy beta
10000
28.6 Gy beta
57.2 Gy beta
5000
114.4 Gy beta
0
0
100 200 300 400 500
Sıcaklık (°C)
300000
250000
200000
150000
100000
50000
0
TL ġiddeti
TL ġiddeti
%4 Co katkılı
0 15 30 45 60 75 90 105120
Radyasyon Dozu(Gy)
270±20 ºC arasında integral alan alınmıştır.
ZnO:Co Filmlerinin Termolüminesans
(TL) Sinyallerinin Ölçümü
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
doğal doz
14.3 Gy beta
28.6 Gy beta
57.2 Gy beta
114.4 Gy beta
0
500
Sıcaklık (°C)
TL ġiddeti
TL ġiddeti
%6 Co katkılı
1400000
1200000
1000000
800000
600000
400000
200000
0
1.tepe
2. tepe
3. tepe
0 15 30 45 60 75 90105120
Radyasyon Dozu (Gy)
1.tepe için 170±20 ºC arasında integral alan alınmıştır.
2.tepe için 235±20 ºC arasında integral alan alınmıştır.
3.tepe için 345±20 ºC arasında integral alan alınmıştır.
ZnO:Co Filmlerinin Termolüminesans
(TL) Sinyallerinin Ölçümü
Kaplamasız Cam
400
300
200
12000
100
10000
0
0
100 200 300 400 500
Sıcaklık (°C)
TL ġiddeti
TL ġiddeti
500
8000
6000
4000
1. tepe
2000
2. tepe
0
0 15 30 45 60 75 90 105 120
Radyasyon Dozu (Gy)
1.tepe için 230±20 ºC arasında integral alan alınmıştır.
2.tepe için 330±20 ºC arasında integral alan alınmıştır.
ZnO:Co Filmlerinin Termolüminesans
(TL) Sinyallerinin Ölçümü
TL Şiddeti
1400000
1200000
kaplamasız cam
1.tepe
1000000
kaplamasız cam
2.tepe
Co
800000
Co 2
600000
Co 4
400000
Co 6-1 1. tepe
200000
Co 6-1 2. tepe
0
0
15
30
45
60
75
90
Radyasyon Dozu (Gy)
105
120
Co 6-1 3. tepe
Sonuçlar
 Bu çalıĢmada Ultrasonik Kimyasal Püskürtme (UKP)
yöntemi kullanılarak 275±5 oC alt tabaka sıcaklığında
mikroskop camı üzerine %2-%6 Co katkılı büyütülmüĢ
ZnO ince filmlerinin termolüminesans (TL) yöntemiyle
radyasyon dozuna bağımlılığı incelenmiĢ ve katkısız
büyütülen ZnO ile karĢılaĢtırılmıĢtır.
 Ġnce filmlerin ortalama kalınlıkları 0.25 mm olan katkılı ve
katkısız ZnO ince filmlerin termolüminesans özellikleri
RISO TL/OSL DA-20 okuyucusu ile ölçülmüĢtür.
 Baskın tepesi 347 oC’de gözlenen %6 Co katkılı ZnO
ince filmlerin radyasyon doz veriminin en yüksek
olduğu gözlenmiĢtir.
 Hazırlanan
özelliklerinin
etmektedir.
örneklerin
incelenmesi
diğer
lüminesans
çalıĢmaları
devam
Download

Ultrasonik Kimyasal Püskürtme Yöntemi ile Büyütülen Co Katkılı