Fotodedektör uygulamaları için maskesiz lazer litografi ile desenlenen çinko oksit heteroeklemlerin geliştirilmesi

Sunulan tez çalışması, nanoyapılı heteroeklemlere odaklanarak foto algılamada yüksek hassasiyetli ve performanslı, çevre dostu ve farklı sistemlere uyarlanabilen çok işlevli minimal cihaz tasarım yaklaşımları ile fotodedektör (FD) uygulamalarının vizyonunu geliştirmeye dayanmaktadır. Yüksek FD performansı için seçilen malzemelerin yanı sıra nanomalzemelerin yüzey alanının genişletilmesi de önemlidir. Desenli nanoyapıların düzenli dizilimi sağlanarak desensizlere kıyasla ışık soğurması ve yük transferi performanslarının arttırılması yenilikçi FD üretiminde ilgi çeken bir yaklaşımdır. Bu yaklaşımla, tez çalışması temel olarak desen tasarımına göre ikiye ayrılmıştır. Başka bir deyişle, maskesiz lazer litografi ile oluşturulan daire ve örgü desenlerinde dikey olarak mükemmel hizalanmış çinko oksit (ZnO) nanoçubuk diziler (NÇD'ler) büyütülmüştür. Öncelikle sıvı-hal sistemler için farklı çaplara (D=20 µm, 2D=40 µm, 4D=80 µm) ve daireler arası farklı mesafelere (L=20 µm, L/2=10 µm) sahip desenlerde ZnO NÇD'leri üretilmiştir. Desen geometrisinin etkileri ve görünür bölgede ışık soğurucu özelliklerin iyileştirilmesi için indiyum sülfür (In2S3) ile oluşturulan heteroeklemlerin performansları fotoelektrokimyasal (FEK) FD'lerde incelenmiştir. Desensiz ZnO NÇD'leri In2S3 ile kaplanmasına rağmen D-L desenlilere kıyasla daha düşük fotoakımla sonuçlanmıştır. D-L tasarımlıda ise 20 paso (20P) sayılı In2S3'ün sprey pirolizinden sonra akım yoğunluğunun %224 arttığı görülmüştür. Dairelerin çapı D şeklinde düzenlendiğinde ve daireler arasındaki mesafe azaltıldığında (L/2), ZnO NÇD/In2S3-20P tasarımının fotoanot/elektrolit arayüzünde en yüksek yük transferini sağlayarak en iyi performansı göstermiştir. Daha sonra bu tasarım iyonik jel elektroliti kullanarak yarı-katı-hal sistemler için taşınabilir FEK FD şeklinde de üretilerek 367 nm-535 nm dalga boyu aralığında 400 nm'de en yüksek performansı göstermiştir. Çalışmanın örgü desenli tasarımlarında çizgilerin merkezleri arasındaki mesafenin (L) FEK FD performansı üzerindeki etkileri sıvı-hal sistemlerde incelenmiştir. ZnO NÇD/In2S3-20P heteroekleminde örgü desenli FEK FD cihazı (L=20 µm) daire desenliye (D-L/2) kıyasla daha yüksek performans sergilediği görülmüştür. Son olarak tez çalışmasında, örgü desenli ZnO NÇD ve anorganik halojenür perovskit (AHP) heteroeklemleri geliştirilmiştir. AHP olarak kurşun bazlı CsPbBr3-Cs2PbBr5 çift fazlı ve kurşunsuz Cs2AgBiBr6 çift perovskit kullanılmıştır. Jel elektrolitli yarı-katı-hal sistemler için performans sonuçlarına göre kurşunsuz halojenür perovskit, kurşunlu için alternatif bir malzeme olduğu sonucu çıkarılmıştır. Özellikle açık devre potansiyeli (VOC) karşılaştırıldığında kurşunsuz FEK FD'nin, kurşunluya göre yaklaşık 5 kat daha yüksek olduğu ve görünür bölgede daha yüksek dalga boyundaki ışığa tepki verdiği saptanmıştır. Ayrıca tepki süreleri, In2S3 kaplamalı FEK FD'ye göre çok daha hızlı olduğu doğrulanmıştır. Katı-hal sistemlerde örgü desenli ZnO NÇD üzerine Cs2AgBiBr6 kaplanarak, maksimum fotoakım değerinin, +5 V ve AM 1,5 aydınlatma altında, sadece ZnO NÇD'lerine kıyasla yaklaşık 13,65 kat arttığı görülmüşür. +5 V ve 367 nm-522 nm dalga boyu aralığında 382 nm'de ise en yüksek FD performansları elde edilmiştir. Bu koşullarda, kurşunsuza kıyasla yaklaşık 2,5 kat daha yüksek fotoakıma ulaşmıştır. Bu tez çalışmasıyla desen şekli, geometrisi, farklı elektrolitlerin etkisi ve aktif alanların bir arada incelenmesi, kompakt cihaz mimarisinin kendi kendine güç sağlayan FEK FD uygulamaları için umut verici olması, kurşunsuz perovskitin alternatif malzeme olarak belirlenmesi ve milisaniye düzeyinde tepki sürelerine sahip kararlı ve çevre dostu FD'ler elde edilmesi, inovatif bir yaklaşımla literatüre kazanımı ve gelecekteki yeni nesil FD'ler için verimli ışık yönetim mekanizmasına yönelik güçlü bir strateji ortaya koymuştur. Anahtar Kelimeler: ZnO, In2S3, AHP, Maskesiz Lazer Litografi, Fotodedektör