Cuo ince filmlerin bazı fiziksel özellikleri üzerine titanyum-zirkonyum katkısının etkisi

Bu çalışmada, katkı maddesi ilavesinin bakır oksit ince filmlerin yapısal özellikleri üzerindeki etkisini araştırmak amacıyla X-ışını kırınımı (XRD) analizleri gerçekleştirilmiştir. Katkısız, Zr ve Ti katkılı CuO ince filmler, 500 °C'de tavlanarak kristal yapıların oluşumu sağlanmış ve kristal özellikleri Rigaku Ultima III XRD cihazı kullanılarak detaylı biçimde analiz edilmiştir. Tüm örnekler, monoklinik yapıya sahip olup, polikristalin doğa sergilemiştir. Katkı maddelerinin varlığı temel faz yapısını bozmamış; CuO fazına ait karakteristik kırınım düzlemleri korunmuştur. Katkısız CuO filmlerinde (110), (−111) ve (200) düzlemlerine ait kırınım pikleri gözlemlenirken, katkı içeren filmlerde (−111) ve (200) düzlemlerine ait piklerin daha belirgin hale geldiği, ancak (110) düzlemine ait pikin şiddetinin azaldığı ve bazı örneklerde tamamen kaybolduğu görülmüştür. Bu durum, katkı maddelerinin kristal yönelim üzerinde etkili olduğunu ve yönelimli büyüme davranışını değiştirdiğini göstermektedir. (−111) ve (200) kristal düzlemlerine ait dislokasyon yoğunluğu ve mikro-gerinim değerleri, malzeme içerisindeki iç gerilimlerin ve kristal kusurlarının katkı türüne göre farklılık gösterdiğini ortaya koymaktadır. Elde edilen veriler doğrultusunda, mikro-gerinim değerlerindeki artışın kristalit boyutunda azalmaya neden olduğu belirlenmiştir. Bu durum, kristal yapı içerisinde biriken iç gerilimlerin kristal büyümesini kısıtlayarak daha küçük kristalitlerin oluşmasına yol açtığını göstermektedir. Dolayısıyla, kristalit boyutu ile mikro-gerinim arasında ters orantılı bir ilişki olduğu sonucuna varılmıştır. Bu araştırmada, katkısız, titanyum (Ti) katkılı, zirkonyum (Zr) katkılı ve Ti/Zr birlikte katkılanmış CuO ince filmlerinin optik özellikleri sistematik olarak incelenmiştir. İnce filmler, cam altlıklar üzerine yaygın olarak kullanılan ve üniform film oluşumu sağlayan dönel kaplama yöntemi ile biriktirilmiştir. Ti, Zr ve bu elementlerin birlikte katkılanması, CuO filmlerinin soğurma ve soğurma katsayısını azaltmış; bu da ışık geçirgenliğini artırarak ve yük taşıyıcılarının toplanmasını kolaylaştırarak fotovoltaik uygulamalar için uygunluklarını potansiyel olarak artırmıştır. Kırılma indisi, yüksek frekanslı dielektrik sabiti ve statik dielektrik sabiti gibi temel optik parametreler, Moss ilişkisi, Herve ve Vandamme modeli ile Ravindra denklemi gibi yerleşik teorik modeller kullanılarak hesaplanmıştır. Bu farklı teorik yaklaşımlardan elde edilen sonuçların güçlü bir uyum içinde olması, gerçekleştirilen optik karakterizasyonların sağlamlığını ve güvenilirliğini ortaya koymuştur. Değerlendirilen tüm örnekler arasında, katkısız CuO ince filmi, görünür spektrumda en yüksek soğurma katsayısını göstermiş ve bu da güneş enerjisi dönüşüm verimliliğini artırmak açısından temel bir faktör olan üstün ışık toplama kabiliyetine işaret etmiştir. Katkısız, %1 Zr, %1 Ti, %1 Zr+%1 Ti ve %1 Zr+%2 Ti oranlarında katkılanmış CuO ince filmler için, soğurma katsayısı ve foton enerjisi (hν) arasındaki ilişki, Tauc denklemi kullanılarak değerlendirilmiştir. 〖(αhν)〗^2–hν grafikleri yardımıyla optik bant aralığı değerleri belirlenmiş ve katkı oranlarına bağlı olarak 1,64 eV'den 2,09 eV'ye kadar bir artış gözlemlenmiştir. Bu bant aralığı genişlemesi, CuO kristal örgüsüne katkı maddelerinin başarılı bir şekilde nüfuz ettiğini ve bunun sonucunda taşıyıcı yoğunluğunda azalma meydana geldiğini göstermektedir. Yapısal kusurlar, tane sınırlarında meydana gelen değişiklikler ve kristal kalitesindeki iyileşmelerin de enerji bant aralığı üzerinde etkili olduğu değerlendirilmektedir. Ayrıca, katkı maddelerinin etkisiyle Fermi seviyesinin iletim bandına doğru kaymasına neden olan Burstein–Moss etkisi, görünen bant aralığının artmasında önemli bir rol oynamıştır. Bu etki, serbest taşıyıcı yoğunluğundaki artışa bağlı olarak daha yüksek enerjili fotonların soğurulması için gerekli kılmakta ve dolayısıyla optik bant aralığını büyütmektedir. Bant aralığına ek olarak, katkı maddelerinin CuO filmlerin optik geçirgenlik özellikleri üzerinde de belirgin etkileri olduğu gözlemlenmiştir. Özellikle %1 Zr + %2 Ti katkılı CuO ince filmde geçirgenlik, görünür bölgede yaklaşık %47 seviyelerine ulaşmış ve bu durum, fotovoltaik uygulamalar için önemli bir avantaj sağlamaktadır. Katkısız ve çeşitli oranlarda Zr ve Ti ile katkılanmış CuO ince filmler, n-tipi Si alttaşlar üzerine biriktirilerek heteroeklem diyot yapıları oluşturulmuş ve bu yapıların elektriksel özellikleri detaylı olarak incelenmiştir. CuO tabakasına %1 oranında Zr katkısı yapılmasının, diyotların doğrultma oranını artırdığını göstermiştir. Elektriksel karakterizasyon, Termiyonik Emisyon (TE) teorisi çerçevesinde gerçekleştirilmiş. İdealite faktörü, engel yüksekliği ve kısa devre akımı gibi parametreler hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, %1 Zr katkılı diyotta idealite faktörü 2,128; engel yüksekliği 0,689 eV; kısa devre akımı ise 2,1 × 10-9 A olarak bulunmuştur. Bu değerler, katkının taşıyıcı geçişi üzerindeki düzenleyici etkisini ve heteroeklemde potansiyel bariyer oluşumunu desteklediğini ortaya koymuştur. Diğer katkı türleri ve oranlarında da elektriksel iyileşmeler gözlemlenmiş olmakla birlikte, idealite faktörlerinin tüm örneklerde 1'in üzerinde olması, yapının ideal Schottky davranışından belirli sapmalar sergilediğini göstermektedir.