Theses supervised by Prof. Dr. Ramis Mustafa Öksüzoğlu
10 theses · Anadolu University, Eskişehir Technical Üniversity
Nano ölçekli vanadyum oksit ince filmlere uygulanan ısıl işlemin film yapısına etkisinin karakterizasyonu
Bu tezde soğutmasız kızıl-ötesi termal dedektör malzemesi olarak kullanılan malzemelerden biri olan vanadyum oksit ince filmlerin yapısal karakterizasyonu incelenmiştir. Vanadyum oksit (VOx), 680 C sıcaklıkta yarı-iletken fazdan iletken faza geçiş(MIT) göstermektedir. Mikro elektronik cihazlarda, sensörlerde, mikroelektromekanik (MEMS) ve optoelektronik aygıtlarda kullanılmaktadır. Vanadyum oksit numuneler 20,100 ve 150 nm kalınlıklarında üretilmiş olup farklı O2/Ar oranlarında , Si ve SiN altlıklar üzerine büyütülmüştür. Büyütme işlemi için vurmalı DC magnetron reaktif sıçratma tekniği kullanılmıştır. Gerekli ısıl işlemler yapılarak malzemenin uygulama için istenilen şartlara göre elektiriksel ve yapısal optimizasyonu sağlanmaya çalışılmıştır. Numunelerin uygulamaya uygun olması için 105-106 Ω direnç aralığında ve 2 %/°C den büyük TCR değerine sahip olmalıdır. Bu tez kapsamında 1 x 106 Ω dirence ve -3,5 %/°C TCR değerine sahip numune üretilebilmiştir ve ısıl işlem yaparak direnci azaltılıp TCR değeri sabit tutulmaya çalışılmıştır. Elektiriksel karakterizasyonu için dört nokta iğne tekniği, yapısal karakterizasyonu için X-Ray difraksiyonu, X-Ray reflektometresi ve Raman spektroskopisi tekniği kullanılmıştır.
Nano ölçekli Vanadyum Oksit ince filmlerde elektriksel özelliklerinin ve 1/f gürültüsünün karakterizasyonu
Vanadyum Oksit (VOx), sıcaklıkla yarı iletken fazdan iletken faza geçiş göstermektedir ve mikroelektromekanik (MEMS) aygıtlarda kullanılmaktadır. Yüksek TCR (direncin sıcaklık sabiti) değeri, düşük elektriksel gürültüsü ve düşük elektriksel direnç (R) değerlerine sahip olması nedeniyle Vanadyum Oksit bu alanda ön plana çıkmaktadır. Endüstriyel uygulamalardaki Vanadyum Oksit ince filmlerle yapılan çalışmalarda filmlerin elektriksel gürültüsü minimize edilmek istenmektedir. Bu yüksek lisans tezi kapsamında, endüstriyel uygulamalar için istenilen elektriksel direnç ve TCR değerine sahip Vanadyum Oksit ince filmleri elde etmek amacıyla üretim parametrelerinin etkisi incelenmiş, uygun elektriksel direnç ve TCR değerleri için üretim parametreleri optimize edilmiştir ve üretilen filmlerin yapısal özellikleri X-Işını Yansıması ve Kırınımı teknikleri ile incelenmiştir. En uygun elektriksel direnç ve TCR değeri elde edilen üretim parametreleri ile filmler parmak yapıda şekillendirilen elektrotlar üzerine kaplanarak, elektriksel ve 1/f elektronik gürültü özellikleri incelenmiştir.
Spin vanası sistemleri için yeni tip nano TOx-MgO (T=V, Ti) tünel bariyerlerinin geliştirilmesi
Bu tez, manyetik hafıza ve pozisyon sensör uygulamaları için MgO bariyerli spin vanası sistemlerinin üretimi ve karakterizasyonlarını içermektedir. IrMn tabanlı değiş-tokuş etkileşimli spin vanası (EB-SV) ile antiferromanyetik katmanın olmadığı Pseudo spin vanası (P-SV) sistemleri manyetik sıçratma (MS) metodu kullanılarak üretilmiştir. EB-SV sisteminde, tampon ve çekirdek katmanların EB sisteminin yapı ve manyetik özelliklerine olan etkisi incelenerek uygun değer EB katman yapısı elde edilmiştir. Bariyer katmanının geliştirilmesi için farklı tip MS metotları kullanılarak tek katman bariyer üretimleri yapılmış ve uygun üretim tekniği bulunmuştur. EB-SV sistemlerinin üretim sonrası tek yönlü manyetik alanda tavlama deneyleri yapılmış, tavlama sonrası manyetik ve yapı değişimleri incelenerek uygun değer tavlama sıcaklıkları belirlenmiştir. EB-SV sisteminin mikro fabrikasyonu gölgeleme maskesi kullanarak yapılmıştır. Optimum EB katmanı ve bariyer katmanı SV sistemine entegre edilerek, 1.8nm bariyer kalınlığında %98 TMR (tünel manyetodirenç) etkisi gözlenmiştir. Tamamlayıcı bir çalışma olarak, MgO tabanlı, yeni nesil ve yüksek performanslı P-SV sistemleri üretilmiştir. P-SV sisteminin yapısal, manyetik, elektrik ve manyetodirenç özellikleri en iyi performanstaki P-SV sistemini elde etmek için sistematik olarak incelenmiştir. Litografi teknikleri kullanılarak mikrofabrikasyonu tamamlanan P-SV'ler için, Rowell kriterleri sağlanmıştır. Ayrıca, P-SV numunelerinin bariyer kalınlığı ve direnç alan bölgesine bağımlılığı incelenmiştir. Sonuç olarak, mikrofabrikasyonu tamamlanmış 25×25µm2 direnç alan bölgesine ve 2nm bariyer kalınlığına sahip bir P-SV sisteminde, oda sıcaklığında %508 TMR değeri elde edilmiştir. Ayrıca, üretilen P-SV sisteminde, tünelleme mekanizmasının uygulanan voltaja bağımlı olarak TMR değerine etkisi bulunmuş, ilk kez bu tür SV sistemlerinde Fowler Nordheim (FN) tünelleme etkisi gözlenerek, FN tünellemesinin TMR ve manyetik olmayan metalden saçılarak elde edilen manyetodirenç (GMR) etkisinin fiziksel olarak kesiştiğini temsil eden tünelleme mekanizması olabileceği gösterilmiştir.
İnvestigation of correlation between 1/f electronic noise and structural properties in nano sized vanadium oxide films
Vanadium oxide thin films are used in microbolometer pixels as the sensing layer. Their electrical properties such as resistivity, the temperature coefficient of resistance and 1/f electronic noise are closely related to their structural properties. In this study, VOx thin films were deposited on Si3N4/SiO2/Si substrates by pulsed DC reactive magnetron sputtering technique. Some of the films were post-deposition annealed at 200°C and 300°C under pure N2 atmosphere for three hours. The post-annealing effects on the films' structures were investigated by transmission electron microscopy, selected area electron diffraction, electron spectroscopic imaging, Grazing-Incidence X-Ray diffraction, Raman spectroscopy, and X-Ray photoelectron spectroscopy techniques. For electrical characterization, four-point probe technique was used. The correlation between electrical and structural properties of the films was discussed within the framework of the obtained results. The 1/f noise-structure correlation was discussed on the basis of the 1/f noise results obtained by our research group in a previous study. As a result of these discussions, it was concluded that the different 1/f noise values of as-deposited, 200°C and 300°C annealed films are mainly caused by the different VO2 grain size of these films. In addition, the electrical conduction mechanism of 200°C annealed film was explained by charge hopping.
Vanadyum oksit ı̇nce film akıllı malzemelerin üretim sürecinin elektriksel- yapısal özellik ı̇lişkisine etkisinin ı̇ncelenmesi
Bu çalışmada, SiO2 ve Si3N4 alttaş üzerinde farklı görev döngüsü değerlerinde üretilen Vanadyum Oksit (VOx) ince filmlerin elektriksel ve yapısal özelliklerine odaklanılmıştır. VOx ince filmleri vurmalı DC reaktif magnetron sıçratma tekniği ile üretilmiştir. Elektriksel ölçümler dört nokta iğne (FPP) tekniği ve yapısal karakterizasyon belirlemesi Raman spektroskopik ölçümleriyle gerçekleştirilmiştir. Üretilen VOx ince filmlerin hepsinde direnç sıcaklık katsayısı (TCR) negatif değere sahiptir. Direnç sıcaklık katsayısının negatif olması VOx ince filmlerinin yarıiletken özelliğine işaret eder. Hem SiO2 hem de Si3N4 alttaşlı VOx ince filmlerinin görev döngüsü değeri artarken oda sıcaklığındaki levha direnci değerinin azaldığı gözlenmiştir. %30 ve %32,5 görev döngüsü değerli malzemelerin en düşük elektriksel levha direncine sahip olduğu görülmüştür. Isıtma sürecinde tüm numuneler için aktivasyon enerjileri hesaplanmıştır. Elde edilen aktivasyon enerjisi değerleri, VOx numunelerinin elektriksel iletkenliğin sıcaklık artışı ile artmasını açıklamaktadır. Raman spektroskopik ölçümleri oda sıcaklığında bütün VOx ince film numuneleri için gerçekleştirilmiştir. SiO2 ve Si3N4 alttaş üzerinde üretilen tüm ince filmlerde VO2, V2O5 ve V6O13 fazları karışık olarak gözlenmiştir. Bunun yanı sıra, bazı görev döngüsü değerleri için VOx ince film numunelerinde V2O3 fazı da tespit edilmiştir. Sonuç itibariyle, VOx ince filmlerin karışık fazlı ve yarı iletken özelliğe sahip olduğu belirlenmiştir.
Enerji sistemleri için nanoölçekli malzeme geliştirilmesi
Geçmişten günümüze sürekli olarak gelişen dünyada malzemeye ve malzeme bilgisine verilen önem de artmakta, geliştirilen malzemeler de minyatürize edilerek daha küçük boyutta, yüksek verimli, efektif malzeme tasarımı hedeflenmektedir. Gelişen teknolojiyle birlikte nano boyutta üretim oldukça önem kazanmıştır. Nano boyutlarda çalışarak malzemenin yapıtaşı olan atom ve moleküllerin sahip olduğu yapısal formlarına yeni nitelikler kazandırılarak istenen amaç doğrultusunda yeni sistem ve malzemeler tasarlanmaktadır. Üretilen malzemeler, yine nano ölçekli kontrollere tabii tutularak moleküler boyuttaki ürünün özellikleri incelenmektedir. Gelişen teknolojiyle birlikte şüphesiz en çok elektronik endüstrisinde küçük ölçekli tasarım ihtiyacı artmıştır. Bu sebeple elektronik bileşenler küçültülerek nano ölçekli tasarımlar yapılmakta olup bileşenlerin küçülmesiyle birlikte aradaki bağlantıyı sağlayan sistemlerin de nano ölçeğe indirgenmesi zorunluluk haline gelmiştir. Bu noktada farklı sistemlerin birbirine bağlantısını sağlayan iletken teller çok önem kazanmış, iletken tellerin nano boyutta geliştirilerek üretiminin sağlanması da araştırmacıların ilgisini çekmiştir. Geliştirilen nanoteller, günümüz şartlarında neredeyse her bireyin kullandığı akıllı telefon, bilgisayar, tablet, akıllı ev sistemleri gibi kullanımı artması da beklenen bir durumdur. V2O5 (vanadyum pentaoksit) sahip olduğu kristalografik yapı özellikleri, diğer fiziksel ve elektrokimyasal özellikleri nedeniyle nanotel üretiminde kullanımı tercih edilmektedir. Bu tez çalışması kapsamında, hidrotermal metotla üretilen V2O5 nanotellerin XRD ve SEM analizleriyle karakterizasyon testleri yapılması, elde edilen XRD çıktısında yer alan pikler arasındaki hesaplanan ve ölçülen sonuçlar arasında bazı sapmaların Rietveld analizi yardımıyla düzenlenmesinin yapılması hedeflenmektedir. Bu sayede kristalografik yapıda bir yönlenme veya stres varlığı araştırılması ve böylece yapı irdelenerek literatüre ışık tutan yenilikçi bir araştırma ve geliştirme yapılması amaçlanmaktadır.
Sİ3N4/TİALV ince film malzemelerinin yapısal elektriksel özellik ilişkisinin incelenmesi
Son zamanlarda Terahertz bandında görüntülemenin farklı avantajları olduğu görülmüştür ve güvenlik uygulamalarında kullanılmaya başlanmıştır. Ancak bu sistemler sınırlı hassasiyetleri ve maliyetlerinin yüksek olması nedeniyle halen çok yaygın bir kullanıma sahip değildirler. Kızılötesi bölgesinde yüksek soğurma kapasitesine sahip metal ince bir film Terahertz bölgesindeki yüksek yansıma katsayısı nedeniyle verimli kullanılamamaktadır. Metal/dielektrik ara yüzeydeki, özellikle ince metalik filmlerde oluşan plazmonik etkilerin potansiyelini tam olarak kullanabilmek için özgün malzeme sistemlerinin geliştirilmesi gerekmektedir. Bu tezde Terahertz bölgesinde çalışabilecek özgün olarak geliştirilecek metal/dielektrik etkin ortam ince film sistemleri ile soğurmaya karşı duyarlılığın arttırılması amaçlanmaktadır. Bu tezin amacı, TiAlV metal alaşım ince filmlerin kalınlığa bağlı yapısal, elektriksel ve terahertz optik özelliklerinin incelenmesidir. Bu kapsamda metal/dielektrik ara yüzeyindeki alaşım TiAlV ince filmlerin terahertz soğurma performansları tespit edilmiştir. Buna ek olarak, terahetz uygulamaları açısından kritik öneme sahip olacağı düşünülen ince film üretim parametrelerinin yapısal ve terahertz optik karakteristiklerine etkileri incelenmiştir TiAlV ince film alaşım sistemi farklı üretim parametreleri ile farklı kalınlıklarda DC magnetron sıçratma tekniği kullanılarak büyütülmüştür. Ortaya çıkan sonuçlar metalik TiAlV ince filmlerin THz uygulamalarında kullanımları hakkında önemli sonuçlar vermiştir.
Esnek elektronik uygulamalar için nano-ölçekli akıllı ince film ve kaplama malzeme sistemlerinin geliştirilmesi
Birçok farklı alanda uygulamalar için mikrobolometrelerin geliştirilmesi ve büyük ölçekli endüstriyel üretim kapsamında kızılötesi (IR) görüntü teknolojisine yönelik mikrobolometrelerin üretilmesi ile birlikte günlük yaşam ürünlerine ve bilimsel devrime büyük bir etki yapması beklenmektedir. Bu tez, alternatif malzeme arayışında rol alabilecek yeni nesil ince filmlerin geliştirilmesi ve özelliklerinin incelenerek soğutmasız IR mikrobolometreler için uygulama potansiyelinin analizi için yapılan çalışmaları kapsamaktadır. Bu bağlamda, ilk olarak üretim parametrelerinin optimizasyonu ile elde edilen TiAlV ince filmlerin yapısal özellikleri (β fazı) ve elektriksel direnç (64 Ω/sqr) ve özdirenç (148 Ω.cm) değerleri ile birlikte en yüksek film büyüme oranına sahip oldukları göz önüne alındığında potansiyel elektriksel aygıt uygulamaları için uygun bir aday olduğu sonucuna varılmıştır. İkinci kısımda, Soğutmasız IR mikrobolometre için VOx akıllı metal oksit ince filmlerin rijit ve esnek yüzeyler üzerine elde edilmesinde TiAlV ve TiAlVOx ara tampon katmanlarının kullanımı araştırılmıştır. Burada cam ve poliimid (PI) alttaş malzemeleri üzerinde büyütülen TiAlVOx(10 nm)/VOx(50 nm) ince film sisteminde sırasıyla 3,17 ve 2,67 (-%/K) TCR değerleri ile TiAlVOx(10 nm) ince filmin VOx akıllı metal oksitlerin eldesinde ara tampon katmanı olarak kullanılabilecek potansiyele sahip olduğu ortaya koyulmuştur. Son kısımda, farklı oksijen akışı oranlarında Si/SiNx üzerinde geliştirilen TiAlVOx ince filmlerde elde edilen 2 (-%/K) TCR değeri ile birlikte literatürdeki bilinen aktif malzemelere göre çok daha düşük olan elektriksel özdirenç değeri (0,08 Ω.cm), IR mikrobolometre uygulamalarında kullanım potansiyeli olan yeni bir alternatif malzeme elde edildiği sonucuna varılmıştır.
Görev döngüsü üretim parametresinin atmalı dc reaktif magnetron sıçratma tekniği ile üretilmiş vanadyum oksit ince filmlerin özelliklerine etkisi
Vanadium oxide is an amphoteric material with four principal oxide forms. Properties of vanadium oxide thin films depend on the amount and distribution of these four principal oxides and intermediate phases thus providing different application areas. One of the effective parameters that can adjust the composition and distribution of the phases in pulsed DC reactive magnetron sputtering is the duty cycle of the power source. The aim of this thesis study is to investigate the effect of duty cycle on the properties of vanadium oxide thin films deposited by pulsed DC reactive magnetron sputtering. Electrical properties, surface properties and crystallographic properties of films deposited using duty cycles between 10% and 32,5% are measured to determine the relationship between the properties and the duty cycle. Electrical characterization results indicate that resistance and resistivity of the vanadium oxide thin films are inversely proportional with duty cycle. The results contribute to the appropriate duty cycle determination for deposition of vanadium oxide thin films for chosen application.
Nano ölçekli vanadyum oksit ince film akıllı malzemelerin farklı kalınlıklarda büyütülmesi
Sıcaklık farkıyla yarı iletken fazdan iletken faza geçişe sahip olması ve bilinen birçok dikkat çekici özellikleri nedeniyle Vanadyum Oksit (VOx), farklı uygulamalar için kullanılmaktadır. Ayrıca, yüksek TCR (direncin sıcaklık sabiti) değeri, düşük elektriksel gürültü ve düşük elektriksel direnç (R) gibi değerlere sahip olması nedeniyle Vanadyum Oksit ön plana çıkmaktadır. Bu yüksek lisans tezi kapsamında, vurmalı DC reaktif magnetron sıçratma (P-DC RMS) yöntemi ile Si/SiO2 ve Si/SiO2/Si3N4 alttaşları üzerinde farklı kalınlıklarda büyütülen VOx¬ ince filmlere gaz oranının, alttaş etkisinin ve kalınlığının etkisi incelenmiş, elektriksel ve yapısal özellikleri arasındaki bağlantıya bakılmıştır.