Sol-Gel metoduyla hazırlanan metaloksit filmlerin yapısal ve elektriksel karakterizasyonu

Abstract

SOL-GEL METODUYLA HAZIRLANAN METAL-OKSİT FİLMLERİN YAPISAL VE ELEKTRİKSEL KARAKTERİZASYONU Metal-oksit malzemeler arasında geniş bir bant aralığına sahip olan titanyum dioksit (TiO2), yüksek dielektrik sabiti, büyük kırılma indisi, görünür bölgedeki yüksek geçirgenliği gibi optik ve elektriksel özelliklerinden dolayı son yıllarda üzerinde en çok çalışılan, n-tipi oksit yarı iletken malzemelerden biridir. Yapılan bu çalışmalar bilgi depolamadan, gaz sensörlerine, fotovoltaik elemanlardan su ve havanın temizlenmesinde kullanılan fotokatalizörlere, dalga kılavuzlarından güneş pillerine, kozmetikten boya maddelerine ve optoelektronik devre elemanlarının yapımına kadar oldukça geniş bir uygulama alanını kapsamaktadır. Yapılan bu çalışmada, sol-gel metoduyla hazırlanan katkısız ve katkılı TiO2 ince filmlerinin yapısal ve elektriksel (doğru akım ve alternatif akım) özellikleri 303–468 K sıcaklık aralığında incelenmiştir. Filmler İnter Dijital Transduser (IDT) üzerine, başlangıç maddesi olarak titanyum n-butoksit Ti(O(CH2)3 CH3 )4 kullanılarak sol-gel daldırma metoduyla kaplanmıştır. Filmlerin kristal yapı analizi X-Işını Kırınımı cihazı (XRD) kullanılarak incelenmiştir. Filmlerin doğru akım iletkenlik özellikleri, V voltaj aralığında 50 mV’luk artışlarla ve geniş bir sıcaklık aralığında (katkısız film için 298-652 K, katkılı filmler için 303-468 K), 3x10-3 mbar vakum ortamında, karanlıkta ölçülmüştür. Filmlerin alternatif akım iletkenliği de aynı koşullarda 40 Hz ile 100 kHz aralığında gerçekleştirilmiştir. Çalışmadan elde edilen sonuçlara göre, filmlerin doğru ve alternatif akım iletkenliklerinin katkılama oranlarına bağlı olarak değiştiği gözlenmiştir. Bütün filmlerin I-V karakteristiklerinde düşük sıcaklılarda histerezis etki gözlenmiştir. Daldırma metodu ile hazırlanan katkısız TiO2 ince filminin doğru akım iletim mekanizmasının değişken erimli hoplama modeline uyduğu görülmüştür. Katkılı TiO2 ince filmlerinin de doğru akım iletim mekanizması, bant modeline uymuştur. Filmlerin a.c. iletim mekanizması ise CBH modeli ile açıklanmıştır.

STRUCTURAL AND ELECTRICAL CHARACTERIZATION OF SOL-GEL DERIVED METAL-OXIDE FILMS Recently, Titanium dioxide TiO2, a wide band gap n-type semiconductor, has been of interest for its excellent properties such as electrochemical behavior, high refractive index, and excellent transmittance of visible light and good chemical stability properties. These properties make it useful in many fields as they are used in data storage, gas sensors, photovoltaic elements and photo catalyst to clean air and water, optical wave guides, solar cells, cosmetics, pigments and optoelectronic devices. In this work, the structural and electrical (direct current and alternating current) properties of sol-gel derived doped and undoped TiO2 films were investigated in a wide range of temperature (303 – 468 K). These films were deposited on IDT by the sol-gel dip coating method using titanium n-butoxide Ti(O(CH2)3 CH3 )4 as a starting material. XRD analysis was used for investigation the crystalline of the films. XRD results indicated that the films were anatase phase. Direct current conductivity properties of the films were measured between the voltages -1 V and 1 V over a wide temperature range (for undoped film 298-652 K, for doped films 303-468 K) under vacuum ambient (3x10-3 mbar) in dark. Alternating current conductivity measurements of the films were performed in the frequency range of 40 Hz-100 kHz. As a result of this work, it is observed that, direct current and alternating current conductivity values were changed depending on doping concentration. All films showed hystresis effect in direct current-voltage curves at low temperatures. It is observed that direct current charge transport mechanisms of undoped and doped TiO2 films, prepared by dipping method, obeys Variable Range Hopping Model and band model, respectively. Ac conduction mechanism of the films is consistent with the prediction of CBH model.