Gözenekli silikon kalıpların elde edilmesi, elektrodepozisyon yöntemi ile gözenekli silikon kalıplar üzerinde metalik Co ve Ag nanoyapıların büyütülmesi, yapısal ve optiksel karakterizasyonu
Küçük Resim Yok
Tarih
2017
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
Ege Üniversitesi
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/closedAccess
Özet
Bu tez çalışmasında ilk olarak, özdirenci 1-10?cm olan, fosfor katkılı ve çift taraflı parlatılmış n-tipi Si(100) taşıyıcılar üzerinde gözenekli silikon (PSi) kalıplar elde edilmiştir. PSi örnekler, sabit 30 dk'lık anodizasyon süresinde, 20-100mA/cm2 arasında değişen akım yoğunluklarında, %10, %20 ve %30 HF konsantrasyonlu HF-etanol çözeltisinde anodizasyon yöntemi ile elde edilmiştir. Akım yoğunluğu ve HF konsantrasyonunun PSi örneklerin yapısal ve optiksel özellikleri üzerine etkisi, SEM, X-SEM, gravimetrik metot, Raman ve fotolüminesans spektroskopisi ile araştırılmıştır. HF konsantrasyonunun gözeneklerin şekli ile makro/mezo gözeneklerin oluştuğu akım yoğunluğu bölgesini belirlediği, akım yoğunluğunun ise gözenek çapları, gözeneklilik miktarları, tabaka kalınlıkları ve kalıcı stres durumlarını önemli ölçüde etkilediği bulunmuştur. Raman analizleri, 20-60 mA/cm2 akım yoğunluğu bölgesinde, PSi örneklerin TO fonon modu konumunun, kristal Si'a göre, daha kısa dalgasayılarına kaydığını ve kayma miktarının artan akımla arttığını göstermiştir. Ayrıca pikin şeklinde de daha geniş, asimetrik bir görünümün oluştuğu ve Si nanokristalitlerin çaplarının önemli ölçüde azaldığı bulunmuştur. Fotolüminesans analizleri ise, aynı akım yoğunluğu bölgesinde, PL pik şiddetlerinde önemli bir artış ve pik konumlarında da önemli bir mavi kaymanın meydana geldiğini göstermiştir. Bu değişimler, PSi yapıda gelişen kalıcı stres ve optik fononların sınırlanması olayına dayalı QCE (kuantum sınırlama etkisi) modeli yardımıyla açıklanmıştır. Buna karşın 80 ve 100 mA/cm2 yüksek akım yoğunluklarında ise nanokristalitlerin boyutlarının artması nedeniyle QCE etkisinin oluşmadığı, dolayısıyla Raman kaymalarının ve PL şiddetlerinin azaldığı bulunmuştur. %20 HF konsantrasyonlu ve 60 mA/cm2 akım yoğunluklu örneğin, en büyük Raman kaymasına ve en şiddetli PL pikine veya ışıma şiddetine sahip olması nedeniyle, Co, Ag ve Co/Ag nanoyapıların üretiminde PSi alttaş/veya PSi kalıp olarak kullanılmasına karar verilmiştir. Bu tez çalışmasında ikinci önemli amacımız, PSi örneğin/kalıbın PL özelliklerini arttırmak için, elektrodepozisyon yöntemi ile PSi kalıplar içerisinde/üzerinde sırasıyla kobalt, gümüş ve kobalt/gümüş metalik yapıların büyütülmesidir. PSi/Co örneklerin üretimi 0.1-0.5 mA/cm2 arasında değişen akım yoğunluklarında ve 5-60 dk depozisyon süresi aralığında elektrodepozisyon yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. SEM analizlerinden, artan depozisyon süresi ile Co nanoparçacıklarının şeklinin küresel yapıdan (t?15dk), nano-pul yapıya (t?15dk) doğru değiştiği ve artan akım yoğunluğu ile bu yapıların çaplarının arttığı bulunmuştur. Raman analizleri, PSi/Co örneklerde 640665 cm-1 konumlarında Si-Co-O bağlarından kaynaklanan yeni bir pikin meydana geldiğini göstermiştir. Ayrıca 5-10 dk'lık depozisyon sürelerinde PSi/Co örneklerin TO fonon modu konumunun daha uzun dalgasayılarına kaydığı, pik şeklinin daha asimetrik bir hal aldığı, tanecik çaplarının 6 nm'nin altına azaldığı ve bunun sonucunda PL şiddetinin de PSi örneğinkine göre yaklaşık 4 kat arttığı bulunmuştur. Bu değişimler QCE modeli ve yüzey durumları yoluyla oluşan rekombinasyon mekanizmaları açısından referans PSi örnek ile kıyaslanarak açıklanmıştır. 20-60 dk aralığında ise, Si nanokristalitlerin çaplarının PSi'inkine göre 4-5 kat arttığı, Raman pik şeklinin tekrar simetrikleştiği ve PL şiddetlerinin azaldığı ve sönümlendiği görülmüştür. Bu değişimler, kuantum sınırlanma etkisinin oluşmadığını ortaya koymuştur. Sonuç olarak, en yüksek PL şiddetine sahip 0.2 ve 0.3 mA/cm2'deki 10 dk'lık örneklerin, LED uygulamalarına ve literatüre önemli bir katkı sağlaması beklenmektedir. Elektrodepozisyon yöntemi ile PSi kalıplar üzerinde gümüş birikimi üç farklı AgNO3 konsantrasyonunda (1, 5 ve 10 mM), 0.1-0.8 mA/cm2 arasında değişen akım yoğunluklarında ve dört farklı depozisyon süresinde (2, 3, 10 ve 15 dk) gerçekleştirilmiştir. SEM analizlerine göre, Ag birikimi, 1 mM AgNO3 değerinde, Ag nanoparçacık kümeleri ile az sayıda kısa nanoçubuk/ dallanmış Ag nanoyapılar, 5 mM AgNO3 için ise, Ag nanoparçacık kümeleri ile birlikte daha uzun ve kalın nanotel/dallanmış Ag nanoyapılar şeklindedir. 10 mM AgNO3 değerinde ise, tüm akım yoğunluğu ve depozisyon süreleri için, Ag nanoyapılar sadece küresel mikroparçacıklar şeklinde oluşmuştur. Raman analizleri PSi/Ag örneklerde, 190 ve 230 cm-1 konumunda metalik Ag bağlarından, 470 cm-1 civarında Ag-O gerilme bağından, 1350 ve 1580 cm-1 konumları civarında ise Ag-O (Ag2O) bağlarından kaynaklanan beş yeni pikin oluştuğunu göstermiştir. Artan AgNO3 konsantrasyonu ve depozisyon süresi ile 1350 ve 1580 cm-1 konumları civarında bulunan Ag-O piklerinin şiddetlerinin önemli ölçüde arttığı görülmüştür. Fotolüminesans analizleri de, 1 ve 5 mM AgNO3 değerleri için kısa depozisyon sürelerinde (t?3 dk) ve düşük akım yoğunluklarındaki (?0.3 mA/cm2) PSi/Ag örneklerin hem referans PSi hem de diğer tüm PSi/Ag örneklere kıyasla 2-2.5 kat daha şiddetli bir PL etkinliğe sahip olduklarını göstermiştir. 10 mM konsantrasyonlu örneklerde ise, tüm akım yoğunluğu ve depozisyon sürelerinde, PL özelliğinin tamamen sönümlendiği bulunmuştur. Bu çalışma, yüksek ışıma özelliğine sahip PSi/Ag örneklerin LED, şiddetli Raman piklerine sahip örneklerin ise sensor uygulamaları için uygun olabileceğini ortaya koymuştur. Bu tez çalışmasının son bölümünde ise, PSi/Co/Ag örnekler üretilmiştir. PSi/Co/Ag örneklerin üretiminde, 0.1 M CoSO4 ve 0.4 M H3BO3 değerleri sabit tutulmuş, buna karşılık AgNO3 konsantrasyonu 1, 5 ve 10mM, akım yoğunlukları 0.2 ve 0.3 mA/cm2 ve depozisyon süreleri 2, 5, 8 ve 10 dk olarak seçilmiştir. SEM analizleri, 1 ve 5mM AgNO3 değerlerinde, PSi/Co/Ag örneklerin yüzeyinde ilk olarak Co nanoparçacık kümelerinin meydana geldiğini, daha sonra da bu kümeler üzerinde Ag nanoparçacıklarının, 10 mM AgNO3 için ise sadece Ag mikrotaneciklerin ve/veya kalın bir Ag filmin oluştuğunu göstermiştir. Raman analizleri, PSi, PSi/Co ve PSi/Ag örneklerin Raman spektrumlarında gözlenen piklere ek olarak, 875 cm-1 konumundaki yeni pikin CoAg3 fazından kaynaklandığını göstermiş, XRD analizleri de bunu doğrulamıştır. Ayrıca Raman analizlerinden, artan AgNO3 konsantrasyonu ve depozisyon süresi ile 1351 ve 1590cm-1'de konumlanmış Ag/Ag-O ait piklerin şiddetlerinde 5-6 katlık bir artış meydana geldiği bulunmuştur. Bu önemli artış, üç farklı Co-Ag yapının (nanoparçacıklar, dallanmış nanoyapılar ve mikroparçacıklar) bir sonucudur ve elektromanyetik (EM) güçlendirme mekanizması ile açıklanmıştır. Fotolüminesans analizleri, 1 mM AgNO3 değerinde, kısa depozisyon sürelerinde, örneklerin PL şiddetlerinin PSi'a göre hafifçe daha şiddetli, fakat PSi/Ag ve PSi/Co örneklerinkine kıyasla oldukça zayıf olduğunu, 5 ve 10 mM AgNO3 değerlerinde ise, artan depozisyon süresi ile PL şiddetlerinin tamamen sönümlendiğini göstermiştir. PSi/Co/Ag örnekler, ışıma özelliklerinin çok zayıf olmasına rağmen, Raman pik şiddetlerinin PSi/Ag ve PSi/Co örneklere göre çok daha şiddetli olması nedeniyle SERS aktif malzeme olarak sensor uygulamalarına katkı sağlayabilir.;Gözenekli silikon, anodizasyon, elektrokimyasal depozisyon, nanoparçacıklar, dallanmış nanoyapılar, Raman ve fotolüminesans spektroskopisi.;Porous silicon, anodization, electrochemical deposition, nanoparticle, dendrite nanostructure, photoluminescence, Raman and photoluminescence spectroscopy.
Açıklama
Araştırma projesi -- Ege Üniversitesi, 2017
