TiO2 nanoçubukların hidrotermal yöntemiyle sentezi ve opto-elektronik aygıt uygulamaları

Günümüzde küresel ölçekte karşılaşılan en büyük problemlerden biri ucuz, temiz, güvenilir ve kolay elde edilebilen enerji kaynağı eksikliğidir. Özellikle artan nüfus, şehirleşme ve endüstrileşme pek çok yıldır fosil yakıtlarla karşılanan enerji gereksiniminin daha da artmasına neden olmaktadır. Fosil yakıtların kullanımı, zararlı maddelerin salınmasından, endüstriyel atıkların havaya ve suya karışmasına, kirlilikten kaynaklı hastalıkların artmasından, küresel ısınmaya ve anormal hava değişimlerinin meydana gelmesine kadar birçok önemli problemi beraberinde getirmektedir. Tüm bu nedenler, çevreyle uyumlu, temiz, güvenilir ve sürdürülebilir kimyasal teknolojilerin ve malzemelerin geliştirilmesini ve yaygınlaştırılmasını çok önemli hale getirmektedir. Son yıllarda, sahip olduğu geniş yasak enerji bant aralığı, yüksek kimyasal kararlılık, kristal faz yapısı, yüzey ve morfolojik özellikleri, düşük maliyetli ve çevreye zararsız oluşu nedeniyle titanyum-dioksit (TiO2) en iyi foto-katalitik ve fotovoltaik performans gösteren malzemelerin başında yer alır. Sahip olduğu üstün optiksel, elektriksel ve foto-elektrokimyasal özelliklerinden dolayı TiO2, boya duyarlı güneş pilleri, süperhidrofobik/süperhidrofilik yüzeyler, data depolama cihazları, lityum piller, medikal uygulamalar, gaz sensörleri, foto-katalizler ve süperkapasitörler gibi çok çeşitli alanlarda uygulama potansiyeline sahiptir. Son zamanlarda TiO2'in, özellikle düşük fiyata yüksek performanslı opto-elektronik aygıtların inşasında tek boyutlu yapı olarak kullanımı oldukça ön plana çıkmaktadır. Tek boyutlu yapıya dayalı opto-elektronik aygıtların güç dönüşüm verimliliği geleneksel ince filme dayalı olanlara oranla önemli ölçüde fazladır. Bunun nedeni; tek boyutlu yapının yüzey-hacim oranının fazla olması, elektrotlara yük taşınımını geliştirmesi, ışık absorblama ve yük toplama yeteneğinin fazla olması olarak gösterilebilir. Tüm bu nedenlerden dolayı, tek boyutlu yapı olan TiO2 nanoçubukların opto-elektronik uygulamalarda kullanımına olan ilgi giderek artmaktadır. TiO2 nanoçubukların sentezlenmesinde çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Ancak bu yöntemlerin arasından hidrotermal yöntemi, diğer yöntemlere oranla daha basit, uygun maliyetli ve kontrol edilebilir olmasından dolayı ön plana çıkmaktadır. Sonuç olarak, çeşitli opto-elektronik aygıt uygulamalarında kullanılmak üzere, hidrotermal yöntemi ile büyütülen TiO2 nanoçubukların, sentezleme mekanizmasını anlamak ve morfolojik özellikleri üzerinde kontrol sağlayabilmek bu uygulamalarda verimi artırmak için büyük bir önem arz etmektedir. Bu çalışmada başlıca, hidrotermal yöntemi kullanılarak farklı büyütme parametreleri altında TiO2 nanoçubukların sentezlenmesine odaklanılmıştır. Uygun geometri ve fiziksel boyutlarda TiO2 nanoçubukların sentezlenmesi yüksek verimlilikte güneş pilleri ve fotodedektör gibi opto-elektronik aygıtların üretilmesinde son derece büyük bir önem taşımaktadır. Bu nedenle, reaksiyon başlatıcı malzeme konsantrasyonu, asit konsantrasyonu, büyütme sıcaklığı ve büyütme zamanı gibi büyütme parametrelerinin, büyütülen TiO2 nanoçubukların fiziksel ve optiksel özellikleri üzerine etkileri sistematik bir şekilde detaylıca incelenmiştir. Taramalı elektron mikroskobu görüntüleri aracılığıyla, sentezlenen TiO2 nanoçubukların uzunluk, çap, yoğunluk ve alttaş üzerindeki dağılımları gibi morfolojik özelliklerinin, büyütme parametreleri değiştirilerek ayarlanabildiği açıkça gösterilmiştir. X-ışını kırınım analizi aracılığıyla, gözlemlenen yansıma pikleri ile veri tabanında bulunan ICDD kartları karşılaştırılmış, bunun sonucunda üretilen TiO2 nanoçubukların rutil kristal faza sahip olduğu gösterilmiştir. Sentezlenen TiO2 nanoçubukların optiksel karakteristiğini araştırmak için 300-1000 nm dalga boyu aralığında geçirgenlik ve yansıtma ölçümleri yapılmıştır. Tüm sonuçlar ele alındığında, sentezlenen TiO2 nanoçubuklar için optimum parametreler belirlenmiş ve bu değerlerle üretilen TiO2 nanoçubukların yüksek performanslı opto-elektronik aygıtların ucuz maliyetle üretilebilmesi için önemli ölçüde potansiyele sahip olduğu gösterilmiştir. Nanoçubukların yanı sıra hidrotermal yöntemi aracılığıyla farklı tipteki oldukça önemli nanoyapıların üretilmesi de mümkündür. Bu amaçla, bu çalışmada, hidrotermal tekniği kullanılarak iki ayrı sentezleme işlemi sonucunda TiO2 nanotüplerin üretilebildiği gösterilmiştir. Nanotüp üretmek için ilk aşama olarak nanoçubuklar sentezlenmiştir. Ardından ikinci aşama olarak üretilen nanoçubuklar reaksiyon başlatıcı malzeme eklenmeden hazırlanan büyütme solüsyonunda uzun süre fırınlanmış ve bu sayede nanoçubukların asitle oyulması sağlanmıştır. Ayrıca, nanoçubuk büyütme parametreleri arasından sıcaklık parametresi değiştirilerek içi oyuk mikroküre oluşturulabildiği gözlemlenmiştir. Üretilen nanotüp ve içi oyuk mikroküreler SEM aracılığıyla görüntülenmiş ve oluşum mekanizmaları detaylıca tartışılmıştır. Sentezleme işlemlerinin ardından, optimize edilen TiO2 nanoçubuklar kullanılarak, performanslarını test etmek amacıyla farklı opto-elektronik aygıt yapıları oluşturulmuştur. Bilindiği gibi TiO2 nanoçubuklar, hızlı yanıtlama ve yüksek duyarlılık gibi özellikleri sağlamasından dolayı yüksek performanslı UV foto-dedektörlerin üretimi için özellikle uygundur. Ayrıca TiO2 malzemesi, sahip olduğu üstün optiksel ve elektriksel özelliklerinin yanı sıra tek boyutlu nanoyapının sağladığı yüksek elektron-deşik ayrımı yapabilme yeteneği, büyük yüzey/hacim oranı ve O2 absorblaması aracılığıyla deşikleri tuzaklayabilme gibi özelliklerinden dolayı UV absorblama karakteristiği için oldukça dikkat çekici bir malzeme haline gelmektedir. Optimize edilmiş TiO2 nanoçubukların bir uygulaması olarak, TiO2 nanoçubukların üzerine termal buharlaştırma ile gümüş (Ag) metalik üst kontak atılarak Şotki-tip UV fotodedektör üretilmiştir. Ag/TiO2 nanoçubuklara dayalı şotki tip fotodedektörün akım yoğunluğu-gerilim (J-V) karakteristiği aydınlık ve karanlık koşullar altında değerlendirilmiştir. Karanlık koşullar altında, aygıtın doğrultma davranışı farklı voltaj polariteleri için ölçülmüş ve ölçüm sonuçlarına göre TiO2 ve Ag arasında Şotki bariyerin oluştuğu tespit edilmiştir. Ayrıca, oluşturulan Şotki tip UV fotodedektör için spektral cevaplama ve zamansal cevaplama karakteristiği detaylıca incelenmiştir. Sonuçta, üretilen fotodedektörün performansının çoğu ticari fotodedektörün performansından yüksek olduğu görülmüştür. Ayrıca TiO2 nanoçubuklar, güneş hücreleri uygulamalarında hızlı elektron iletebilme yeteneği, yüksek ışık absorblama yeteneği, yüksek yüzey/hacim oranı, yüksek kararlılık ve düşük maliyet gibi özelliklerinden dolayı büyük avantajlar sağlamaktadır. Bu nedenle, diğer bir uygulama olarak sentezlenen TiO2 nanoçubuklar, çekirdek-kabuk yapılı FTO/TiO2 nanoçubuklar/p-CdTe heteroeklemli güneş pilinin bir prototipini üretmek için kullanılmıştır. Optimize edilen TiO2 nanoçubuklar, CdTe katmanı ile nanoçubukların etrafını homojen olarak saracak şekilde kaplanmıştır. Kaplamanın ardından oluşturulan yapı, CdCl2 kimyasal işleminden geçirilmiş ve alt kontak kaplanarak güneş hücresi yapısı inşa edilmiştir. Üretilen güneş hücresinin, 350-1000 nm dalga boyu aralığında morötesi-görünür-yakın kızılötesi ışık absorblama spektrumu incelenmiştir. Absorblama spektrumunda görülün ani değişim noktalarının TiO2 ve CdTe'nin yasak enerji bant aralığı ile ilişkili olduğu görülmüş, bu nedenle çekirdek-kabuk yapısındaki her iki malzemenin de absorblamaya katkısı olduğu önerilmiştir. Ayrıca, üretilen güneş hücresinin fotovoltaik performansını göstermek için karanlık ve standart aydınlatma koşulları (AM 1.5) altında J-V karakteristiği incelenmiştir. Yapılan incelemeler sonucunda, karanlık koşullar altında TiO2 nanoçubuklar ile CdTe arasında p-n eklem oluştuğu tespit edilmiştir. Standart aydınlatma koşulları altında elde edilen J-V karakteristiğinden, üretilen güneş hücresinin güç dönüşüm verimliliğinin %0.42 olduğu tespit edilmiştir. Bu değerin, CdCl2 kimyasal işlemi yapılmadan üretilen güneş hücresinin verim değerinden 3.5 kez daha büyük olduğu görülmüştür. Tüm değerlendirmeler sonucunda TiO2 nanoçubukların, UV fotodedektör ve 3. nesil inorganik güneş pilleri gibi optoelektronik aygıtların düşük maliyetle üretilmesinde ve yüksek performans göstermesinde büyük bir potansiyele sahip olduğu gösterilmiştir.