Mg Katkılı ZnO Filmlerinin Üretimi ve Karakterizasyonu

Son yıllarda, ZnO filmler zehirsiz olması, düşük maliyetli ve doğada bol bulunması gibi avantajlı özellikleri nedeniyle tercih edilen saydam iletken oksitler arasında yer almaktadırlar. Bu çalışmada, katkısız ve Mg katkılı ZnO filmleri mikroskop cam tabanlar üzerine, ekonomik ve kolay uygulanabilir bir yöntem olan ultrasonik kimyasal püskürtme tekniği ile 400±5oC taban sıcaklığında üretilmiştir. X-ışını kırınım desenlerinden, tüm filmlerin kristal yapısının hekzagonal yapıda olduğu belirlenmiştir. Filmlerin optik geçirgenlik spektrumu, görünür bölgede % 65 ile % 80 aralığında değişen geçirgenlik değerlerine sahip olduğunu göstermektedir. Optik metot kullanılarak elde edilen bant aralığı değerlerinin Mg katkısı ile birlikte arttığı görülmüştür. Filmlerin yüzey morfolojileri atomik kuvvet mikroskobu ile analiz edilmiş ve yüzey pürüzlülük değerleri belirlenmiştir. Yapılan bu çalışma ile farklı oranlarda Mg katkısının ZnO filmlerinin yapısal, optik ve yüzeysel özellikleri üzerine etkisi araştırılmış ve Mg katkılı ZnO filmlerinin optoelektronik uygulamalar için uygun malzemeler oldukları belirlenmiştir.

Synthesis and Characterization of Mg Doped ZnO Thin Films

Recently, ZnO films are among the preferred transparent conductive oxides because of their advantageous properties such as absence of toxicity, low cost and abundance in nature. In this study, undoped and Mg doped ZnO films have been deposited onto microscope glass substrates at 400±5 ºC by using Ultrasonic Spray Pyrolysis which is simple and economic technique. XRD diffraction patterns have been confirmed that all films have hexagonal wurtzite type structure. Optical transmittance of the films has been shown that have an average transmittance between 65-80% in the visible region. Optical band gap values of films that are obtained using optical method have been increased with Mg doping. The surface topographies of the films in three dimensions and surface roughness have been examined by Atomic Force Microscope. The effect of different Mg concentration doping on the structural, optical, surface properties of ZnO films has been investigated with this study. It has determined that Mg doped ZnO films are suitable for optoelectronic applications.

PDF

___

[1] Chena, H., Ding, J., Guo, W., Shi, F., Li, Y. 2012. Violet–blue–green emission and shift in Mg-doped ZnO films with different ratios of oxygen to argon gas flow, Applied Surface Science, Cilt 258, s. 9913– 9917.DOI:10.1016/j.apsusc.2012. 06.050
[2] Sengupta, J., Ahmed, A., Labar, R. 2013. Structural and optical properties of postannealed Mg doped ZnO thin films deposited by the sol–gel method, Materials Letters, Cilt 109, s. 265–268. DOI: 10.1016/j.matlet.2013.07.104
[3] Makino, T., Segawa, Y., Kawasaki, M., Ohtomo, A., Shiroki, R., Tamura, K, etal., 2001. Band gap engineering based on MgxZn1_xO and CdyZn1-_yO ternary alloy films, Applied Physics Letters; Cilt 78(1237), s.1–3. DOI: 10.1063/1.1350632
[4] Vijayalakshmin, K., Renitta, A., Karthick, K. 2014. Growth of high quality ZnO:Mg films on ITO coated glass substrates for enhanced H2 sensing, Ceramics International, Cilt 40, s. 6171– 6177.DOI:10.1016/j.ceramint.201 3.11.070
[5] Huang, K., Tang, Z., Zhang, L., Yu, J., Lv, J., Liu, X., Liud, F., 2012. Preparation and characterization of Mg-doped ZnO thin films by sol– gel method, Applied Surface Science, Cilt 258, s. 3710– 3713.DOI:10.1016/j.apsusc.2011. 12.011
[6] Shi, Q., Zhang, J., Zhang, D., Wang, C., Yang, B., Zhang, B., Wang, W., 2012. Red luminescent and structural properties of Mg-doped ZnO phosphors prepared by sol– gel method, Materials Science and Engineering B, Cilt 177, s. 689– 693.DOI:10.1016/j.mseb.2012.03. 045
[7] Vettumperumal,R., Kalyanaraman, S., Thangavel, R., 2014. Photoconductive UV detectors based heterostructures of Cd and Mgdoped ZnO sol gel thin films, Materials Chemistry and Physics Cilt 145, s. 237-242. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2014.02. 008
[8] Shin, S. W., Agawane, G.L., et al. , 2013. Development of transparent conductive Mg and Ga co-doped ZnO thin films: Effect of Mg concentration, Surface & Coatings Technology Cilt 231, s. 364–369. DOI:10.1016/j.surfcoat.2012.03.0 08
[9] Vijayalakshmin, K., Renitta, A., Karthick, K., 2014. Growth of high quality ZnO:Mg films on ITO coated glass substrates for enhanced H2 sensing, Ceramics International Cilt 40, s. 6171– 6177.DOI:10.1016/j.ceramint.201 3.11.070
[10] Thonglem, S., Intatha, U., Eitssayeam, S., 2015. Effect ofmagnesium and fluorine dopants on properties of ZnO thin films, Ceramics International, Cilt 41, s.331–S336. DOI: 10.1016/j.ceramint.2015.03.215
[11] Abe, T., Nakagaw, A., Nakagawa, M.,et al., 2014. Optical characterization by variable angle spectroscopic ellipsometry of nitrogen-doped MgxZn1 − xO thin films prepared by theplasmaassisted reactive evaporation method, Thin Solid Films Cilt 571, s. 615–619. DOI: 10.1016/j.tsf.2014.02.091
[12] Li, Z., Cho, E., Kwon, S. J. 2014. Mgdoped ZnO thin films deposited by the atomic layer chemicalvapor deposition for the buffer layer of CIGS solar cell, Applied Surface Science, Cilt 314, s. 97–103. DOI: 10.1016/j.apsusc.2014.06.136
[13] Reddy, A., Prathap, P., Subbaiah, Y.P.V., Ramakrishna K.T., Yi, J., 2008. Growth and physical behaviour of Zn1−xMgxO films, Thin Solid Films Cilt 516, s. 7084–7087. DOI: 10.1016/j.tsf.2007.12.098
[14] Benramdane, N., Murad, W.A., Misho, R.H., Ziane, M., Kebbab, Z., A 1997. Chemical method for the preparation of thin films of CdO and ZnO, Materials Chemistry and Physics, Cilt 48, s. 119-123. DOI: 10.1016/S0254-0584(97)80104- 6
[15] Hammond, C., 1997. The basics of crystallography and diffraction, School of Materials, University of Leeds, 249s.
[16] Williamson, G.K., Smallman, R.E., 1956. Dislocation densities in some annealed and cold-worked metals from measurements on the X-ray debye scherrer spectrum, Philosophical Magazine Cilt 1, s. 3446.DOI:10.1080/14786435608 238074
[17] Zhao, Z., Morel, D.L. and Ferekides, C.S., 2002. Electrical and optical properties of thin-doped CdO films deposited by atmospheric metalorganic chemical vapour deposition, Thin Solid Films, Cilt 413, s.203-211. DOI: 10.1016/S0040- 6090(02)00344-9