Growth and characterization of ZnO nanostructures on porous silicon substrate

Metal oksit yarıiletkenler optiksel ve elektriksel özelliklerinden dolayı optoelektronik ve sensör uygulamaları için oldukça dikkat çekicidir. Çinko oksit (ZnO), direk bant aralıklı würtzite tipi ve II-VI grubu bir bileşik yarı iletken malzemedir. Oda sıcaklığında ZnO, yaklaşık 3.37 eV’luk bant aralık enerjisine ve 60 meV’luk eksiton bağlama enerjisine sahiptir. ZnO nanoyapıları üretmek için termal buharlaştırma, sol-gel, kimyasal buhar birikimi, kimyasal banyo, elektrokimyasal birikim(elektrodepozisyon) gibi fiziksel ve kimyasal birçok yöntem vardır. Bilindiği gibi yarıiletken bir madde olan silisyum (Si) elementi, maliyetinin düşük olması ve doğada oksijenden sonra en çok bulunan element olması nedeniyle uygulamalarda büyük ilgi görmektedir. Bir yarıiletkenin direkt (doğrudan) ya da indirekt (dolaylı) band aralığına sahip olması optik özelliklerini belirler ve optoelektronik uygulamalar için kullanılıp kullanılamayacağı hakkında bilgi verir. Si indirekt (dolaylı) band yapısına sahip olduğu ve ışıma olayı görülmediği için optoelektronik uygulamalarda tercih edilmez ancak uygun çözeltiler kullanılarak Si elektrokimyasal olarak aşındırılması (anodizasyon) sonucu elde edilen gözenekli silisyum (PSi) yapılarda ışıma olayının gözlenmesi bu yapıların diyot ve sensör davranışlarının mümkün olabileceğini göstermektedir. Ayrıca gözenekli silikon taşıyıcılar kuvvetli absorbabilitesi, yüksek direnci ve geniş yüzey alanı sebebiyle üzerlerinde ZnO nanoyapıların birikimi için oldukça uygundur. Bu tez çalışmasının ilk amacı, anodizasyon sonrası elde edilen gözenekli silikon taşıyıcılar üzerinde elektrodepozisyon yöntemi kullanılarak ZnO nanoyapılar elde etmektir. Çalışmanın diğer amacı çözelti sıcaklığı, akım yoğunluğu ve depozisyon süresi parametrelerinin ayrı ayrı değiştirilmesiyle üretilen ZnO/PSi nanoyapıların yapısal ve optiksel karakterizasyonlarının XRD, SEM, Fotolüminesans (PL) ve Raman spektroskopisi ile sistematik olarak incelenmesidir. Böylece nanoyapıların karakterizasyon sonuçları ve farklı depozisyon paramatreleri ile büyüme koşulları arasında geri bildirim kullanılarak ZnO nanoyapıların özelliklerinin farklı uygulamalar için kolayca değiştirilebilmesini sağlamaktadır. Bu çalışmanın sonucunda; çözelti sıcaklığının en önemli parametre olduğu ve çözelti sıcaklığı arttıkça ZnO nanoyapının, yüzeyde nanoplakadan (nanosheet) nanoçiçek (nanoflower) formuna geçtiği, kristal kalitesinin arttığı ve ZnO polikristal yapının ortaya çıktığı dolayısıyla yapısal ve optiksel özelliklerinin geliştiği görülmektedir. Akım yoğunluğu ve depozisyon süresinin de artmasıyla yüzey boyunca nanoçiçeksi ZnO yapıların oluştuğu gözlenmiştir fakat ZnO yapıların kümelenmesiyle PL’de baskılanma meydana gelmektedir. Daha düşük depozisyon süresi ve akım yoğunluklarında ise yapıda istenmeyen kırılmaların olduğu gözlenmiştir. Tüm parametreler dikkate alınıldığında özellikle 90-95°C çözelti sıcaklığı, 0,5 mA akım yoğunluğu ve 30-60 dakika depozisyon süresinde elde edilen ZnO/Psi nanoyapıların oldukça iyi yapısal ve optiksel özellikler sergilediği görülmüştür. Dolayısıyla üretilen bu yapıların nano-elektronik, nanooptik cihazların üretilmesinde kullanılması muhtemeldir.Metal oxide semiconductors are highly attractive for optoelectronic and sensor applications because of their optical and electrical properties. Zinc oxide (ZnO) is a II-VI group würtzite type compound semiconductor material with direct band gap. At room temperature, ZnO has a band gap energy of approximately 3.37 eV and exciton binding energy of 60 meV. There are various chemical and physical methods for produce ZnO nanostructures such as thermal evaporation, sol-gel, chemical vapor deposition, chemical bath, electrochemical deposition (electrodeposition). As it is known, silicon (Si) is a semiconductor and has great interest in applications due to its low cost and being the most common element after oxygen in nature. Whether a semiconductor has direct or indirect band gap determines its optical properties and provides information about whether it can be used for optoelectronic applications. Si is not preferred in optoelectronic applications because it has indirect band structure and no radiation event is seen. However, the observation of the radiation effect in porous silicon (PSi) structures obtained by electrochemical etching (anodization) of Si using suitable solutions shows that diode and sensor behaviors of these structures may be possible. Furthermore, porous silicon layers quite suitable for the deposition of ZnO nanostructures on them because of their strong absorbabilitiy, high resistance and large surface area. The first aim of this thesis is to obtain ZnO nanostructures using electrodeposition method on porous silicon carriers obtained after anodization. Another aim of the study is to investigate the structural and optical characterization of ZnO / PSi nanostructures produced by changing solution temperature, current density and deposition time parameters by XRD, SEM, Photoluminescence (PL) and Raman spectroscopy, systematically. Thus, the characterization results of nanostructures and feedback between different deposition parameters and growth conditions allow the properties of ZnO nanostructures to be easily modified for different applications. As a result of this study; It is seen that the solution temperature is the most important parameter and as the solution temperature increases, the ZnO nanostructure changes from nanosheet to nanoflower form, crystal quality increases and ZnO polycrystalline structure develops. It has been observed that nano-flowered ZnO structures are formed along the surface with increasing current density and deposition time, but the suppression of PL occurs with the agglomeration of ZnO structures. At the lower accumulation time and current densities, unwanted breaks were observed. When all the parameters were taken into consideration, it was observed that ZnO / Psi nanostructures obtained especially at 90-95 ° C solution temperature, 0.5 mA current density and 30-60 minutes deposition time had very good structural and optical properties. Thus, these structures are likely to be used in the manufacture of nano-electronic, nanooptical devices