Search

ÖZETTANTAL OKSİT FİLMLERİN YAPISAL, ELEKTRİKSEL VE OPTİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİMetal oksit malzemeler, optik, elektrik, manyetik vb. özelliklerinden dolayı son yıllarda ilgi çekmektedirler. Tantal oksit ince filmler, birçok uygulamaya sahip olan metal oksit yarı iletken malzemeler arasında yer almaktadır. Bu tez çalışmasında, tavlama sıcaklığının ve katkı oranının tantal pentoksit ince filmlerin yapısal, elektriksel ve optik özelliklerine etkisi incelenmiştir. Filmler, sol-gel daldırma metoduyla kaplanmıştır. Tavlama sıcaklığının katkısız filmlerin fiziksel özelliklerine etkilerini incelemek için, filmler 573, 623, 673, 723, 773 K sıcaklıklarında tavlanmıştır. Katkı oranının etkilerini incelemek için, titanyum (%3, %5, %10, %15) ve kalay (%1, %3, %5, %10, %15) kullanılmıştır. Yapısal analiz X-ışını kırınımı ve elementel analiz Enerji-dağılım X-ışını spektroskopisi teknikleriyle yapılmıştır. Filmlerin doğru akım ve alternatif akım iletkenliği (40–105 Hz) 295–523 K sıcaklık aralığında vakumda ölçülmüştür. Optik özellikler, filmlerin soğurması ve geçirgenliğinin dalga boyuna bağlı (250–800 nm) olarak ölçülmesiyle belirlenmiştir. Filmlerin optik bant aralığı, kırma indisi ve kalınlığı hesaplanmıştır. Yapısal analizler filmlerin amorf yapıda olduğunu göstermiştir. Doğru akım iletkenlik ölçümleri, katkısız ve katkılı filmlerin yarıiletken özellikte olduğunu göstermiştir. Aktivasyon enerjilerinin katkısız, titanyum ve kalay katkılı filmler için sırasıyla 1.06–0.81 eV, 1.06–0.79 eV, 1.06–0.89 eV aralığında değiştiği bulunmuştur. Ac ölçümlerden, yük iletim mekanizmasının hoplama modeliyle açıklanabileceği görülmüştür. Optik ölçümlerden, optik bant aralıklarının katkısız, titanyum ve kalay katkılı filmler için sırasıyla, 1.71–3.47 eV, 2.92–3.98 eV, 2.04–3.76 eV aralığında değiştiği bulunmuştur. Katkısız filmlerin kırma indisinin, tavlama sıcaklığı ile arttığı, katkılı filmlerde, katkı oranına ve dalga boyuna bağlı olarak değiştiği belirlenmiştir. Filmlerin kalınlıklarının katkısız filmlerde, tavlama sıcaklığıyla, titanyum katkılı filmlerde katkı oranıyla ters orantılı, kalay katkılı filmlerde, katkı oranı artarken azalma eğiliminde olduğu görülmüştür. ABSTRACTINVESTIGATION of STRUCTURAL, ELECTRICAL and OPTICAL PROPERTIES of TANTALUM OXIDE FILMSIn recent years, metal oxide materials are attracted attention due to their optic, electrical and magnetic properties. Tantalum oxide thin films take places among metal oxide semiconductor materials having lots of applications.In this thesis, effects of annealing temperature and doping concentration on structural, electrical and optical properties of tantalum oxide films were investigated. Films were deposited using sol-gel dipping method. In order to investigate effects of annealing temperature on physical properties of undoped films, the films were annealed at the temperatures of 573, 623, 673, 723, 773 K. In order to investigate doping concentration on physical properties of the films, titanium (3%, 5%, 10%, 15%) and tin (1%, 3%, 5%, 10%, 15%) were used. Structural and elemental analyses were done by using X-ray diffraction and Energy-dispersive X-ray spectroscopy technique, respectively. Direct and alternating current conductivities were measured in the temperature range of 295-523 K, in vacuum. Optical properties were determined by absorbance and transmittance of the films depending on wavelength. Optic band gap, refractive index and thickness of the films were calculated.Structural analysis revealed that the films were amorphous. Undoped and doped films showed semiconductor behavior. Activation energies of the undoped films, doped with titanium films and doped with tin films took places 1.06–0.81 eV, 1.06–0.79 eV, 1.06–0.89 eV, respectively. From alternating current measurements, charge transport mechanism can be explained by hopping model. Optic band gaps for the films of undoped and doped with titanium and tin were found in the range of 1.71–3.47 eV, 2.92–3.98 eV, 2.04–3.76 eV, respectively. Refractive index of the undoped films increased with increasing final annealing temperature. The index varied depending on doping concentration and wavelength. Thickness of the films of undoped and doped with titanium were found as inversely proportional to final annealing temperature and doping concentration, respectively. The variation was tending to decrease with doping concentration for the films doped with tin.

ÖZETFTALOSYANİN İNCE FİLMLERİN ELEKTRİKSEL VE OPTİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİBu çalışmada altlık sıcaklığı, film hazırlama yöntemi gibi parametrelerin, ilk defa sentezlenen trinucleer Bakır, Cobalt ve Çinko ftalosyanin ince filmlerin dc iletkenlikleri, empedans spektrumları ve optik özellikleri üzerindeki etkisinin belirlenmesi hedeflenmiştir. Üç farklı metalli ftalosyaninin ince filmleri 298 K ile 393 K arasındaki 4 farklı altlık sıcaklığında damlatma ve püskürtme olmak üzere iki farklı yöntemle hazırlanmış ve hazırlanan filmlerin elektriksel karakterizasyonları 290 K – 420 K sıcaklık aralığında gerçekleştirilmiştir. Filmlerin dc elektriksel özellikleri ± 1 Volt aralığında akım-gerilim (I-V) karakteristikleri ölçülmek suretiyle gerçekleştirilmiştir. Her iki yöntemle hazırlanan filmlerin ac karakteristikleri ise 40 Hz.-100 kHz. frekans ve 290 K – 420 K sıcaklık aralığında iletkenlik, empedans, empedansın sanal ve gerçel kısımları ile kapasite ölçümleri yapılmak suretiyle belirlenmiştir. Optik özellikleri is bir UV-vis spektrofotometre kullanmak koşuluyla oda koşullarında 300-1100 nm dalga boyu aralığında foto iletkenlik özelliklerinin ölçülmesi suretiyle belirlenmiştir. Yapılan ölçümler sonucunda, her iki yöntemle hazırlanan filmlerin düşük sıcaklıklardaki I-V karakteristiklerinde histerezis etkisi gözlenirken yüksek sıcaklıklarda bu etkinin ortadan kalktığı görülmüştür. Her bir ftalosyanin için histerezis etkinin altlık sıcaklığına bağlı olarak, altlık sıcaklığı arttıkça histerezis etkinin azaldığı görülmüştür. Damlatma yöntemiyle hazırlanan CuPc, CoPc ve ZnPc filmlerde özellikle düşük sıcaklıklardaki dc iletkenliklerin ftalosyanin molekülünün merkezinde bulunan metalin cinsine bağlı olmadığı bulunmuştur. Damlatma yöntemiyle hazırlanan filmlerin yüksek sıcaklıklardaki dc iletkenliklerinin ise σZnPc > σCoPc > σCuPc şeklinde sıralandığı gözlemlenmiştir. Püskürtme yöntemiyle hazırlanan filmlerin düşük sıcaklıklardaki dc iletkenliklerinin karşılaştırılmasında ise CuPc ve CoPc’in iletkenlikleri birbirine çok yakın iken ZnPc filmin iletkenliğinin yaklaşık 10 kat daha büyük olduğu görülmüştür. Bu yöntemle hazırlanan filmlerin yüksek sıcaklıklarda ölçülen iletkenliklerinin büyükten küçüğe doğru σZnPc » σCoPc > σCuPc şeklinde sıralandığı görülmüştür. Her iki yöntemle dört farklı altlık sıcaklığında hazırlanan filmlerde dc iletkenliğin sıcaklığa üstel olarak bağlı olduğu bulunmuştur. Damlatma yöntemiyle hazırlanan filmlerde aktivasyon enerjisinin artan altlık sıcaklığı ile azaldığı gözlenirken püskürtme yöntemiyle hazırlanan filmlerde aktivasyon enerjisinin altlık sıcaklığı ile anlamlı bir değişim göstermediği görülmüştür. Frekansa bağlı olarak ölçülen iletkenlik değerlerinin analizinden her iki yöntemle hazırlanan filmlerde iletkenliğin frekansa bağlılığının ωs şeklinde ifade edilebileceği görülmüştür. Frekansın üssü olan s parametresi ln σac – ln ω grafiğinin eğiminden hesaplanmış ve s’nin sıcaklığın bir fonksiyonu olduğu, genel olarak da artan sıcaklıkla azalma eğilimi gösterdiği bulunmuştur. s’nin değerinin altlık sıcaklığına bağlı olarak da değiştiği görülmüştür. Filmlerin sabit frekanstaki iletkenliklerinin artan sıcaklıkla doğrusal olarak arttığı dolayısıyla, her iki yöntemle hazırlanan filmlerde yük iletim mekanizmasının hopping modeliyle açıklanabileceği sonucuna varılmıştır. Film hazırlama yöntemi ve altlık sıcaklığının filmlerin empedans spektrumları (empedansın gerçek kısmının sanal kısmına karşı grafiği) üzerine etkisinin incelenmesi sonucunda, altlık sıcaklığının özellikle düşük sıcaklıklardaki empedans spektrumları üzerinde dikkate değer bir etkisinin olmadığı görülmüştür. Tüm filmlerin düşük sıcaklıklardaki empedans spektrumları doğruya yaklaşırken artan sıcaklıkla spektrumun da değiştiği ve yarıçapı azalan bir yarım daire oluşturma eğiliminde olduğu bulunmuştur. Her iki yöntemle hazırlanan filmlerin ölçülen empedanslarının artan frekansla azaldığı gözlemlenmiştir. Filmlerin 300-1100 nm dalga boyu aralığında foto iletkenlik özelliklerinin incelenmesi sonucunda bu dalga boyu aralığındaki elektromanyetik dalgaların filmlerin iletkenlikleri üzerinde bir etkisinin olmadığı görülmüştür. ABSTRACTTHE İNVESTİGATION OF THE ELECTRICAL AND OPTICAL PROPERTIES OF PHTHALOCYANINES THIN FILMS In this study, the effect of the substrate temperature and the film preparation methods on the dc conductivity, impedance spectra and optical properties of a newly synthesized trinuclear Copper, Cobalt and Zinc phtalocyanines thin films was investigated. Thin films of the metallophthalocyanine compounds have been prepared by two different methods which are called smearing and airbrush at four different subtrate temperatures between 298 K and 393 K. The electrical characterization of the films were carried out in the temperature range of 290 K – 420 K. Dc conduction properties of the films were determined from the measured current-voltage characteristics. The ac behaviour of the smearing and airbrush films were determined by the conductivity, impedance spectra and the capacity measurements in the frequency range from 40 Hz.to100 kHz and in temperature range of 290 K – 420 K. The photoconductivity measurements were also performed on these film in wavelength range 300-1100 nm by using an UV-vis spektrophotometer.It was found from the experimental results that I-V characteristics of films showed hysteresis effect at low temperatures. When the temperature increased the hysteresis effect was disappeared. We found that the dc conductivity data are described by termally activated conductivity dependence on temperature. Decreases in activation energy with the increase of temperature were observed for the smearing films. It was found that the central metal atom has no effect on the dc conductivity of the smearing films at low temperatures. Among the smearing films investigated, zinc phthalocyanine, ZnPc, showed highest electrical conductivity, especially at high temperatures. The trend observed for the dc conductivity of the air brush films was σZnPc » σCoPc > σCuPc at high temperatures. At low twmpwearures, 10 times higher dc conductivity was observed for the air bruh ZnPc film. It was found that the variation of the measured dc conductivity for the ZnPc, CoPc and CuPc films exhibit a dependence exponentially on temperature. The value of thermal energy of electrical conduction calculated from the slopes of the ln σd.c vs 1 / T graphs, decreased with the inreace of substrate temperature.When the conductivity of the compounds is measured by using a.c technique, we observed that the frequency dependence of the conductivity follow a universal power law, ωs, for all compounds..The values of the frequency exponent s, estimated from the slopes of the ln σac – ln ω curves. The frequency exponents is definitely a function of temperature for all samples and shows a general tendency to decreasing with increasing temperature. It was also observed that the exponent s depend on the substrate temperature. Linear relationship were obtained between the measured ac conductivity and the temperature at constant frequencies for all films investigated. The comparison of the experimentally determined s values and the temperature dependence of the ac conductivity with the prediction of CBH model suggest that the obtained results are in agreement with the prediction of the CBH model for all films. Our finding indicated that neither substrate temperature nor the film preparation method have no considerable effect on the impedance spectra of the films. Low temperature impedance spectra of the films consisted of a quassi vertical line. With further increase in temperature, the quassi vertical line transformed into a semicirclar shaped arc. From the photoconductivity measurements, we observed that the irradiation of the films with the electromagnetic radiation (300-1100 nm wavelength range) does not effect the film conductivity.