Enerji uygulamaları için antimon temelli ince film kaplamaların üretimi ve incelenmesi

Bu tez çalışması kapsamında, Sb2S3 yapısı içerisine iki aşamalı bir yöntemle Cu veya Bi elementleri eklenerek bu metallerin malzemenin fiziksel özellikleri üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi ve özellikle optik bant aralığı ve elektriksel özdirenç değerleri açısından arzu edilen iyileştirmelerin sağlanması hedeflenmiştir. İlk aşamada öncül kaplamalar ısıl buharlaştırma yöntemi ile elde edilmiş, ikinci aşamada ise bu öncül kaplamalar bir fırında sülfür atmosferinde ısıl işlemlere tabi tutularak etkin bir metal difüzyonu ile filmler elde edilmiştir. Cu içeren Sb2S3 filmleri için öncül kaplamalar Cu/Sb2S3 formunda hazırlanmış ve bu öncül kaplamalar için ısıl işlemlerde kullanılan başlangıç ısıl işlem sıcaklığı anahtar parametre olarak belirlenmiştir. Biri oda sıcaklığında fırına yerleştirilerek kademeli olarak 325 ◦C sıcaklığa kadar ısıtılan ve bu sıcaklıkta ısıl işlem gören (RSC) ve bir diğeri ise doğrudan 325 ◦C sıcaklığa önceden ısıtılmış bir fırın içerisine yerleştirilerek ısıl işlem gören (DSC) olmak üzere iki numune grubu oluşturulmuştur. Ayrıca Bi/Sb2S3 formunda bi-layer (BSB) ve Bi/Sb2S3 (5 tabaka) formunda multi-layer (MSB) olarak iki farklı geometride hazırlanan öncül kaplamalar farklı sıcaklıklarda (180, 200, 220, 240 ve 260 ◦C) sülfür atmosferinde ısıl işleme maruz bırakılarak Bi içeren Sb2S3 filmleri elde edilmiştir. EDX analizleri Cu elementini içeren tüm örneklerin kükürt (S) zengini karakter sergilediğini, başlangıç ısıl işlem sıcaklığının sülfür/metal oranını önemli ölçüde etkilediğini ve yapıdaki S miktarının başlangıç ısıl işlem sıcaklığı ile değiştirilebileceğini göstermiştir. Bi elementini içeren örneklerde, öncül kaplamalar çok katmanlı geometri ile hazırlandığında, ısıl işlemler sırasında etkili bir metal difüzyonunun ve Sb metalinin yapıdaki aktivitesinin düşük sıcaklıklarda bile sağlanabildiği görülmüştür. Ek olarak, BSB filmleri için artan sıcaklıkla S/Sb oranının neredeyse sabit kalması ve Sb/Bi oranının artması yapıda sıcaklığa bağlı bir Bi kaybı olduğunu göstermiştir. XRD analizleri Sb2S3 filminin büyüme mekanizmasının yapıya Cu elementinin eklenmesiyle değiştirilebileceğini göstermektedir. Bu analizlerin bir diğer önemli çıktısı (hk1) düzlemleri boyunca büyümenin Sb2S3 filmlerinde Cu ilavesiyle tetiklenebilmesidir. Bunların yanı sıra yüksek miktarda Cu içeren numunelerde Cu2S ve Cu3SbS4 şeklinde ikili ve üçlü fazların oluştuğu da dikkat çekmektedir. BSB numune grubu için XRD desenleri tüm filmler için baskın olan bir pik göstermiştir. Bu pik, Bi2S3 ve Sb2S3 bileşiklerinin benzer kristalografik özellikleriyle ilişkili olan (Sb1.427Bi0.573)S3 (PDF: 01-075-4020) üçlü fazı olarak belirlenmiştir. Bununla birlikte, BSB grubu filmlerde baskın olarak görülen üçlü faz ve Bi2S3 fazının, filmler çok katmanlı geometride hazırlandığında ve 220 ◦C ve üzeri sıcaklıklarda ısıl işleme tabi tutulduğunda ortadan kalktığı belirlenmiştir. Raman analizleri Sb2S3 yapısının hem DSC hem de RSC numune grubunda korunduğunu, özellikle yüksek miktarda Cu içeren numunelerde meydana gelen ikincil fazların Sb2 S3 'ün karakteristik Raman pikleri olan 286 ve 310 cm-1 'deki piklerde bir kaymaya neden olduğunu göstermiştir. BSB geometrisine sahip filmler için düşük sıcaklıklarda Sb2S3 fazının karakteristik Raman pikleri gözlenmezken, sıcaklık arttıkça bu pikler Raman spektrumunda baskın olmaya başlamıştır. Öte yandan, MSB geometrisine sahip filmler için düşük sıcaklıklarda bile Sb2S3 fazına ait pikler gözlenmiştir. Bununla birlikte, bu pikler Sb2S3 fazının karakteristik pikleri değildir ve literatürde genellikle düşük yoğunluklu pikler olarak rapor edilmektedir. Artan sıcaklıkla birlikte, bu piklerin etkilerini kaybettiği ve karakteristik Sb2S3 piklerinin baskın olarak ortaya çıktığı belirlenmiştir. Bu durumun yüksek ısıl işlem sıcaklıklarındaki Bi kaybı sonucunda yapının Sb baskını hale gelmesinden kaynaklandığı değerlendirilmektedir. Hem RSC hem de DSC numune gruplarında filmlerin soğurma spektrumlarında iki farklı soğurma kenarı gözlenmiştir. 1. bölgedeki soğurma kenarı Sb2S3 fazından kaynaklanırken, 2. bölgedeki soğurma kenarının ise Cu ile ilişkili ikincil fazlardan kaynaklandığı ve özellikle yüksek miktarda Cu içeren numunelerde baskın olduğu değerlendirilmiştir. Cu elementi ilavesi optik bant aralığı değerlerinin güneş pili uygulamaları için istenen bir değer olan 1.53 eV'ye kadar düşmesine neden olmuştur. MSB numune grubu için optik bant aralığı hesaplamaları değerlendirildiğinde, özellikle 180 ◦C, 200 ◦C ve 220 ◦C'de ısıl işleme tabi tutulan numuneler için Sb2S3 filmlerinin optik bant aralığı değerlerinin azaltılabileceği sonucuna varılmıştır. AFM ve SEM analizleri sonucunda, RSC örneklem grubuna ait filmler için Cu elementi ilavesinin yüzey yapılanmasını tamamen değiştirdiği ve yüzeyde taneli yapıların oluştuğu görülmüştür. Bi içeren Sb2S3 filmlerinin ise öncül kaplamalar iki katmanlı geometri yerine çok katmanlı geometri ile elde edildiğinde tanecikli bir yüzey yapısından ziyade iğne tipi bir yapı sergilediği dikkat çekmektedir. Değerlendirmeler, 180 ◦C'ye kadar düşük sıcaklıklarda bile öncül kaplama geometrisini değiştirerek yüzey yapılanmasında dramatik değişiklikler yaratılabileceğini göstermektedir. Bununla birlikte, MSB numune grubuna ait filmler, iki katmanlı geometri ile üretilen filmlere göre çok düşük pürüzlülük değerleri göstermiştir. Öncül kaplamalarda sırasıyla 40 ve 50 nm Cu içeren DSC_40 ve DSC_50 numuneleri için elektriksel özdirenç değerlerinde belirgin bir azalma gözlenmiştir. Bu durumun filmlerin baskın büyüme yönelimindeki değişikliklerle ilgili olabileceği gibi, yapısında bulunan Cu metali ve Cu ile ilgili elektriksel olarak aktif fazlara bağlı olabileceği de düşünülmektedir. Bi içeren Sb2S3 temelli filmler için ise düşük sıcaklıklarda Bi ilavesi ve öncül kaplama geometrisinde çok katmanlı yapı kullanılması ile önceki çalışmalara göre oldukça düşük elektriksel özdirenç değerleri elde edilmesi önemli bir çıktı olarak elde edilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında yapılan araştırmalar ile özellikle enerji uygulamaları için umut verici bir malzeme olan Sb2S3 filmlerinin, teorik olarak vadettikleri performansları deneysel olarak da sergileyebilmesinde dar boğaz oluşturan, yüksek optik bant aralığı ve yüksek elektriksel özdirenç değerlerinin Sb2S3 yapısı içerisine Cu veya Bi elementleri eklenerek düşürülmesi hedeflenmiştir. Yapılan değerlendirmeler sonucunda, metal ilavesi yanında filmlerin elde edilmesinde değerlendirmeye alınan başlangıç ısıl işlem sıcaklığı ve öncül kaplama geometrisi gibi farklı parametrelerin gelecekteki çalışmalar için yol gösterici olabileceği düşünülmektedir.