Kalay katkısının cuo ince filmlerin yapısal, optik ve elektriksel özelliklerine etkisi

Bu çalışmada, farklı katkı maddeleri ile zenginleştirilmiş bakır oksit (CuO) ince filmler, dönel kaplama yöntemi ile cam altlıklar üzerine biriktirilmiş ve 500 °C sıcaklıkta tavlama işlemi uygulanmıştır. Çalışmanın temel amacı, katkı maddelerinin CuO ince filmlerin kristal yapısı üzerindeki etkilerini X-ışını kırınım (XRD) analizleri aracılığıyla belirlemek, bu doğrultuda kristal büyüklüğü, kristal yönelimi, mikro-gerinim ve dislokasyon yoğunluğu gibi kristalit özellikleri incelemektir. XRD analizleri sonucunda katkısız ve katkılı tüm filmlerin monoklinik yapıya sahip, polikristalin özellik gösterdiği tespit edilmiştir. Katkı maddelerinin varlığı, XRD desenlerinde kırınım piklerinin şiddetinde ve konumlarında küçük kaymalara neden olmuştur. Bu kaymalar, katkıların kristal örgü parametrelerinde değişikliğe, iç gerilim oluşumuna ve kristal yöneliminde farklılaşmalara yol açtığını göstermektedir. Ayrıca piklerin keskinliğinde ve yoğunluklarında gözlemlenen değişiklikler, katkıların kristal büyümesi ve kristallenme kalitesi üzerinde etkili olduğunu kanıtlamaktadır. Optik soğurma analizleri, katkısız CuO ince filminin yaklaşık 374 nm dalga boyunda bir soğurma pikine sahip olduğunu göstermiştir. %1 mol Sm katkısı ile bu soğurma kenarında hafif bir kırmızıya kayma gözlenmiş ve pik 377 nm'ye kaymıştır. Bu kayma, tane boyutunda azalma ve kuantum sınırlama etkilerine işaret etmektedir. Gözlemlenen soğurma pikleri, parçacıklar içinde yüksek derecede yapısal düzen olduğunu ve metal iyonları arasındaki verici-alıcı etkileşimlerin malzemenin elektronik yapısını değiştirerek bant geçişleriyle ilişkili boyut-kantizasyon etkisine yol açtığını göstermektedir. UV bölgesinde ise katkısız ve katkılı örneklerde soğurma azalmakta ve zayıf bir soğurma piki eşlik etmektedir. Soğurmadaki azalma, malzeme içindeki yapısal kusurlar ve yeni moleküller arası bağların elektronik geçişlere etkisiyle ilişkilendirilmektedir. Dalga boyu arttıkça tüm örneklerde soğurmanın belirgin şekilde azalması, katkı maddelerinin CuO'nun yapısal ve optik özellikleri üzerinde önemli etkiler oluşturduğunu ortaya koymaktadır. Katkısız, samaryum (Sm) katkılı, kalay (Sn) katkılı ve Sm/Sn eş katkılı CuO ince filmlerin kristalografik, yüzeysel ve optikdavranışları araştırılmıştır. İnce filmler, dönel kaplama tekniği kullanılarak cam altlıklar üzerine üretilmiştir. Sm, Sn katkıları ve Sm/Sn eş katkısı, CuO ince filmlerin soğurma özelliklerini değiştirerek, bu malzemeleri güneş pili uygulamaları için daha uygun hale getirmiştir. Bu ince filmlerin optik özellikleri; kırılma indisi, statik dielektrik sabiti ve yüksek frekanslı dielektrik sabiti gibi çeşitli önemli parametreler hesaplanarak karakterize edilmiştir. Söz konusu değerler, literatürde yaygın olarak kullanılan Moss, Herve & Vandamme ve Ravindra bağıntıları kullanılarak hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar, tüm yöntemler arasında iyi bir uyum göstermiş ve böylece verilerin tutarlılığı ve güvenilirliği doğrulanmıştır. İncelenen farklı bileşimler arasında, katkısız CuO ince film, görünür ışık bölgesinde en yüksek soğurma katsayısını göstermiştir. Bu bulgu oldukça önemlidir; zira yüksek soğurma katsayısı, daha iyi ışık soğurulması anlamına gelir ve bu da güneş pili verimliliğinin artırılması açısından kritik bir faktördür. Ayrıca, katkısız CuO ince film, daha düşük bant aralıklarında daha yüksek yüzey derinliği sergilemiştir; bu da malzemenin belirli uygulamalarda iyi bir performans göstereceğine işaret etmektedir. Bununla birlikte, katkısız CuO ince film, büyük bant aralığı bölgesinde en yüksek optik iletkenliği göstermiştir; bu özellik güneş pilleri ve fotodedektörler açısından oldukça avantajlıdır. Katkısız CuO ince filmin geliştirilmiş optik özellikleri, onu güneş pillerinde ve fotodedektörlerde aktif soğurucu katman olarak kullanılmak üzere ideal bir aday haline getirmektedir. Artan soğurma ve iletkenlik özellikleri, güneş enerjisinin daha verimli dönüştürülmesine katkı sağlayabilir ve bu sayede gelecekteki yenilenebilir enerji ihtiyacının karşılanmasında önemli bir rol oynayabilir. Sonuç olarak, bu çalışma Sm katkısı, Sn katkısı ve Sm/Sn eş katkısının CuO ince filmlerin optik özelliklerini iyileştirmede etkili bir strateji olduğunu ve bu sayede CuO'nun güneş pili uygulamaları için daha etkili bir malzeme haline gelebileceğini ortaya koymaktadır. Samaryum ve kalay katkısının farklı oranlarda CuO ince filmlerin yüzey morfolojisi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Dönel kaplama yöntemi ile hazırlanan katkısız CuO, %1 Sm katkılı CuO, %1 Sn katkılı CuO, %1 Sn+%1 Sm CuO ve %1 Sm+%2 Sn katkılı CuOince filmlerin SEM analizleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen görüntülerde, katkısız CuO, %1 Sm katkılı CuO, %1 Sn katkılı ve %1 Sm+%2 Sn katkılı CuOnumaralı filmlerin pürüzsüz ve düzgün yüzey yapısına sahip olduğu ve alt tabakaya iyi yapıştığı belirlenmiştir. Özellikle %1 Sn katkılı CuO-3 filminde yoğun paketlenmiş bir topoloji ve artmış nanoparçacık kaplama oranı gözlemlenmiştir. Bu morfolojik değişimlerin, filmlerin özdirenç, taşıyıcı yoğunluğu ve hareketliliği gibi elektriksel özelliklerini etkilediği saptanmıştır. Ayrıca, CuO ve %1 Sm+%2 Sn CuO ince filmlerinde hafif topaklanma ve poligonal ile yarı-küresel nanoyapıların bir arada bulunduğu tespit edilmiştir.