Enhanced photodetectıon ın II-VI and ternary chalcogenıde thın fılms vıa plasmonıc nanostructures and mıcrostraın engıneerıng

Yüksek performanslı fotodedektörlere yönelik arayış, ışık emilimi, taşıyıcı taşınımı ve kusur kaynaklı kayıplar gibi sınırlamaların aşılmasını sağlayacak yenilikçi stratejileri gerektirmektedir. Bu tez, II-VI (CdS) ve üçlü kalkojenit (𝐶𝑢2𝑆𝑛𝑆3ve 𝐶𝑢2𝑍𝑛𝑆𝑛𝑆4) yarı iletken ince filmlerde fotodedektör performansını artırmak amacıyla plazmonik nano-yapılandırma ve mikro-gerinim mühendisliğinin sinerjik entegrasyonuna yönelik kapsamlı bir araştırmayı sunmaktadır. Bileşim oranı ve film morfolojisi üzerinde hassas kontrol sağlamak amacıyla darbeli lazer biriktirme (PLD) yöntemi kullanılarak, gömülü altın nanoparçacıkların (AuNP'ler) ışık-madde etkileşimleri ve iç kafes gerinimini eşzamanlı olarak nasıl düzenlediği ortaya konmuştur. Bu yapıların ultraviyole, görünür ve güneş spektral bölgelerinde iyileştirilmiş optoelektronik performans sağladığı gösterilmiştir. CdS tabanlı fotodedektörler, 365 nm aydınlatma altında 13.86 A/W'ye ulaşan yüksek bir duyarlılıkla ve 1.1×10¹² Jones seviyesine yaklaşan tespit edilebilirlik değeriyle dikkat çekmiştir. Bu iyileşme, plazmonik yakın alan etkileşimleri ile mikro-gerinimdeki belirgin azalmaya (~2.04×10⁻³) atfedilmektedir. Yaklaşık 100 nm'lik optimize film kalınlığı, plazmonik alan penetrasyonu ile malzemenin optik soğurma derinliği arasında uyum sağlamaktadır. Yapısal analizler, X-ışını kırınımı piklerinin daha keskin hale gelmesi ve yarı yükseklikte tam genişlik (FWHM) değerlerinin azalması gibi göstergelerle kristal kalitesinde iyileşme ve kusur yoğunluğunda azalma olduğunu ortaya koymuştur. Au/𝐶𝑢2𝑆𝑛𝑆3heteroyapılarında ise anormal bir negatif fotokonduktivite (NPC) mekanizması gözlenmiş ve detaylı bir şekilde karakterize edilmiştir. 70 meV üzerindeki yüksek Urbach enerjisi değerleri, yoğun tuzak durumu varlığına işaret ederken; Joule ısınması yoluyla yapılan deneyler, termal olarak indüklenen kusur yeniden düzenlenmesi sayesinde NPC etkisinin kısmen hafifletilebildiğini göstermiştir. Bu bulgu, plazmonik iyileştirmenin etkinliğinin, yarı iletken matris içerisindeki kusurların etkili bir şekilde bastırılmasına temelden bağlı olduğunu ortaya koymaktadır. Cu2ZnSnS4sisteminde ise mikro-gerinim aracılığıyla performans artışına dair güçlü kanıtlar elde edilmiştir. Stratejik olarak entegre edilen AuNP "sandviç" yapılar, kafes gerinimini 3.38×10⁻³'ten 1.94×10⁻³'e düşürmüş ve bu da standart 1 Güneş aydınlatması altında >150 ms'den 95.4 ms'ye inen daha hızlı foto-tepki kinetiğiyle doğrudan ilişkilendirilmiştir. Spektroskopik analizler, plazmon kaynaklı optik yükseltme sayesinde yakın kızılötesi bölgeye uzanan absorpsiyonun doğrulandığını göstermiştir. Tüm malzeme sistemlerinde yapılan yüksek çözünürlüklü X-ışını kırınımı, konfokal Raman spektroskopisi ve alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu gibi kapsamlı yapısal ve optoelektronik karakterizasyonlar, birleşik bir teorik çerçevenin geliştirilmesini mümkün kılmıştır. Bu model, gerinim eşikleri (<2×10⁻³), plazmonik etkileşim verimliliği, tuzak durumu yoğunluğunun düzenlenmesi ve tane sınırı mühendisliği gibi optimize fotodedektör davranışlarını belirleyen kritik tasarım parametrelerini tanımlamaktadır. Bu bulgular yalnızca geniş ve dar bant aralıklı yarı iletkenler için yeni performans kriterleri oluşturmakla kalmayıp, aynı zamanda fonksiyonel optoelektronik yapılara plazmonik nanoyapılar entegre etmek için ölçeklenebilir ve üretime uygun yöntemler de sunmaktadır. Bu çalışma, geliştirilmiş duyarlılık, spektral ayarlanabilirlik ve zamansal tepki özelliklerine sahip fotodedektörler için temel bir platform sunmakta; çevresel izleme, giyilebilir sensörler, yüksek hızlı optik iletişim ve güneş enerjisi toplama gibi uygulamalarda geniş kapsamlı etkilere sahiptir.