Transcript power point - Osmangazi Üniversitesi

RF Püskürtme Tekniği İle Üretilen ZnO İnce Filmlerin Bazı Fiziksel
Özellikleri
N.Emre ÇETİN, Murat ÖZMUMCU
Naci EKEM, Şadan KORKMAZ, Suat PAT, Mustafa Zafer BALBAĞ
Eskisehir Osmangazi Üniversitesi, Fizik Bölümü, Eskişehir,Türkiye
[email protected] , [email protected]
ÖZET
Dünya enerji üretiminin 2003-2030 yılları arasındaki zaman dilimi içerisinde %70’den fazla artması beklenmektedir. Tüketilen enerjinin, küresel ısınmaya neden olan karbondioksit gazı emisyonunu da
büyük hızda arttırması beklenmektedir. Bu gerçek dünya enerji üretimini tükenen ve kirleten fosil yakıtlardan temiz, yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmeye sevk etmiştir. Temiz ve yenilenebilir
enerji kaynağının en önemlisi güneş enerjisini elektrik enerjisine çeviren güneş pilleridir.
Son yıllarda güneş pili gözeleri için ince filmler hakkında çalışmalar artmıştır. Bu çalışmalarda CdO ve ZnO gibi saydam iletken oksit malzemelerin fotovoltaik güneş pili uygulamalarında önemli
bir yere sahip oldukları gözlemlenmiştir. Bu malzemeler, uygun elektro optik özelliklerinden dolayı gelecekteki güneş pili uygulamaları için umut verici malzemelerdir.
Bu çalışmada; RF püskürtme sistemini ve çalışma prensibini, bu teknikle üretilen ZnO ince filmlerin bazı fiziksel özelliklerini inceleyeceğiz.
Anahtar Kelimeler: RF Sputter; ZnO; İnce film; güneş gözesi
1. RF SPUTTER (PÜSKÜRTME) SİSTEMİ VE ÇALIŞMA PRENSİBİ
Radyo frekansı (RF) püskürtme sistemi vakum odası, vakum pompası, RF güç kaynağı, eşleştirme
ünitesi olmak üzere 4 ana kısımdan oluşur. Vakum pompası; vakum odasını düşük basınç
değerlerine çekmek amacıyla kullanılmaktadır. Basıncı düşürmemizin sebepleri; vakum odasını
havadaki diğer gazlardan temizlemek ve iyonize olmuş parçacıkların ortalama serbest yolunu
arttırarak yüksek enerjili çarpışmalar elde etmektir. Böylelikle plazmasını oluşturmak istediğimiz
materyalin saflığını ve kalitesini arttırabiliriz. Radyo frekansı güç kaynağı ile elektromanyetik
dalgalar oluşturulur. Elektromanyetik dalga; elektrotların her yarım devirde katodun anot, anodun
katot görevi yapmasıyla oluşur. Bu dalgalar eşleştirme ünitesi sayesinde vakum odası içinde
titreşim frekansı oluşturarak hedef materyalin iyonize olmasını sağlar. Frekansın yüksek olması
plazma deşarjını sürekli hale getirir. RF püskürtme sisteminde meydana gelen olayı kısaca şöyle
açıklayabiliriz.Belirli frekans değerinde (13,56 MHz) Ar gazları titreştirilir. Titreşen Ar gazları
enerji kazanarak hedef materyali iyonize hale getirir ve lamel üzerinde ince film katmanı oluşturur.
RF püskürtme sistemiyle film oluşumunun şematik gösterimi Şekil 1’ de gösterilmiştir.
2. ZnO İNCE FİLMLERİNİN BAZI FİZİKSEL
ÖZELLİKLERİ
2.1. Optiksel Özellikler
Materyalin kompleks kırılma indisinden yararlanarak oluşturduğumuz ZnO ince filminin bazı optiksel
özellikleri incelenmiştir. Optiksel özelliklerden yararlanarak ZnO ince filminin geçirgenliği ve kalınlığı
incelenmiştir. Ayrıca filmin enerji aralığı tespiti için de optik metot kullanılmıştır. Absorbsiyon
2
(

h

)
 h filmin enerji
spektrumundan yararlanarak çizilen
değişim grafiğinden
aralığı tespit edilmiştir.
2
h) değeri
 0 filmin enerji aralığını
Bu grafiğin lineer kısmının hv eksenini
‘da kestiği noktanın (enerji
verir. Ayrıca farklı O konsantrasyonlarındaki ZnO ince filmlerinin yasak enerji aralıkları incelenmiştir.
Şekil 1. RF püskürtme sistemiyle film
oluşumunun gösterimi
Şekil 3. RF püskürtme sisteminin
şematik gösterimi
(b)
(a)
(c)
Şekil 4. RF püskürtme sisteminin bazı
parçaları
Şekil 2. İnce filmin oluşumu
esnasındaki bir görüntüsü
(a) Vakum Odacığı, (b) elektrot, (c) RF Güç
Kaynağı
2.2 Elektriksel Özellikler
Filmin I-V karakteristikleri Şekil 8’ de verilmiştir. Filmin akım değerleri oda sıcaklığında 02000 V aralığında bir voltaj uygulanarak ölçülmüştür. Üretilen ZnO ince filmin O
konsantrasyonu %30 ‘ dur. Filmin I-V karakteristiği ve film üzerine yapılan kontak
parametresi kullanılarak, film için özdirenç ve iletkenlik değeri hesaplanmıştır. Hesaplanan
bu değerler Tablo 3’ de gösterilmiştir.
14
12
I (nA)
10
8
6
4
2
Şekil 6. Filmin
grafiği
Şekil 5. ZnO filminin temel
absorbans spektrumu
(hdeğişim
)  h
2
0
Şekil 7. ZnO Filmin
geçirgenlik spektrumu
0
500
1000
1500
2000
2500
V (volt)
Şekil 8. ZnO filminin I-V karakteristiği
Materyal
Kalınlık(nm)
T(%)
Materyal
ZnO
110,52
69,2
ZnO
Özdirenç (.cm) İletkenlik
8,75 E+5
(.cm) 1
1,14 E -6
Tablo 3. ZnO filminin iletkenlik ve özdirenç değeri
Tablo1. ZnO filminin kalınlık ve 700 nm dalga
boyunda geçirgenlik değeri
3. Sonuç ve Tartışma
Materyal
O Konsantrasyonu(%)
Enerji Aralığı(eV)
ZnO
50
3,95
ZnO
30
3.85
Tablo 2. Farklı O konsantrasyonlarındaki enerji aralığı
Kaynaklar
[1] S.Y. Lee, E.S. Shim, H.S. Kang, S.S. Pang, J.S. Kang, Thin Solid Films 473, 2005 , 31
[2] E. Fortunato, T.P. Barquinha, A. Pimentel, A. Goncalves, A. Marques, L.
Pereira, R. Martins, Thin Solid Films , 487 , 2005 , 205
[3] Rointan F.Bunshah, Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings, ,Los
Angeles, California
RF püskürtme tekniği ile oluşturulan ZnO filmler cam taban üzerine düzgün homojen olarak
tutundukları görülmüştür. ZnO filmlerin optik bant geçişleri Oksijen konsantrasyonuna bağlı
olarak azda olsa değiştikleri gözlenmiştir. Bundan sonra yapılacak çalışmada RF püskürtme
yöntemiyle üretilen ZnO filmlerin yapısal özellikleri incelendikten sonra fiziksel özellikleriyle
karşılaştırılacaktır.
[4] Raegan Lynn Johnson, 2005, Characterization of piezoelectric ZnO thin films and fabrication of
piezoelectric micro-cantilevers, Iowa State University, Ames, Iowa, Master of Science
[5]Oktik Ş., Güneş-Elektrik Dönüşümleri Fotovoltaik Güneş Gözeleri ve Güç Sistemleri, 2001, Ankara
[6] D. Hariskos, S. Spiering, M. Powalla, Thin Solid Films, 480, 2005, 99
[7] Li BS, Liu YC, Shen DZ, Zhang JY, Lu YM, Fan XW. Effects of RF power on properties of ZnO thin
films grown on Si (001) substrate by plasma enhanced chemical vapor deposition. J Cryst Growth,
2003;249:179–85
[8] Water W, Chu S-Y. Physical and structural properties of ZnO
sputtered films. Mater Lett 2002;55:67–72
[9] Nunes P, Costa D, Fortunato E, Martins R. Performances presented
by zinc oxide thin films deposited by r.f. magnetron sputtering.
Vacuum 2002;64(3–4):293–7