Malzeme üretim teknolojisinde eş katkılı Eu:AlZnO ince filmlerin daldırma kaplama yöntemi ile üretimi, yapı, morfolojik ve optik özellikleri

Abstract

Bu tez çalışmasında, Europiyum (Eu) ve Alüminyum (Al) eş katkılı ZnO ince filmler (Eu:AlZnO), sol-jel daldırma kaplama yöntemiyle cam alt tabakalar üzerine kaplandı ve yapısal, morfolojik, optik ile fotolüminesans özellikleri incelendi. İnce filmler X-ışını kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM), UV-Görünür bölge spektrofotometresi (UV-Vis) ve fotolüminesans (PL) spektroskopisi kullanılarak karakterize edildi. XRD sonuçları, tüm filmlerin hegzagonal wurtzit ZnO yapısında ve baskın (002) yöneliminde kristalleştiğini gösterdi. Eu katkı oranının %5’e kadar artırılması kristal kaliteyi iyileştirirken, daha yüksek katkı oranlarında örgü gerilmeleri nedeniyle kristal yapıda bozulmalar gözlendi. SEM analizleri, %5 Eu katkılı filmin daha homojen ve kompakt bir yüzey morfolojisine sahip olduğunu ortaya koydu. Optik analizler, düşük Eu katkılı filmlerde yaklaşık %97 geçirgenlik gösterirken, yüksek katkı oranlarında geçirgenliğin azaldığı belirlendi. Optik bant aralığı, Eu katkısının artmasıyla 2.97 eV’den 2.82 eV’ye düşmüş, Urbach enerjisi sonuçları ise yapısal düzensizliğin katkı oranına bağlı olarak değiştiğini gösterdi. PL çalışmaları, filmlerin UV ve görünür bölgede emisyon sergilediğini, Eu katkılamasının kusur kaynaklı yeşil-sarı emisyonları baskılayarak emisyon karakterini mavi-mor bölgeye kaydırdığını ortaya koydu. Sonuçlar, sentezlenen Eu:AlZnO ince filmlerin yüksek optik geçirgenlik, iyileştirilmiş kristal yapı, ayarlanabilir bant aralığı ve geliştirilmiş fotolüminesans özellikleri sergilediğini göstermektedir; bu da söz konusu malzemelerin yeni nesil UV fotodetektörleri, ışık yayan diyotlar (LED’ler), fotovoltaik güneş pilleri ve akıllı pencere uygulamalarında kullanım açısından büyük bir potansiyele sahip olabileceğini düşündürmektedir. Ayrıca, bulgular %5 Eu katkı oranının yapısal, optik ve morfolojik özellikler açısından optimum performans sağladığını ve optoelektronik uygulamalar için en uygun bileşimi temsil ettiğini göstermektedir.

In this thesis study, co-doped Europium (Eu) and Aluminum (Al) ZnO thin films (Eu:AlZnO) were deposited on glass substrates using the sol-gel dip-coating method, and their structural, morphological, optical, and photoluminescence properties were investigated. The thin films were characterized using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), UV-Vis spectrophotometry, and photoluminescence (PL) spectroscopy. XRD results showed that all films crystallized in the hexagonal wurtzite ZnO structure and a dominant (002) orientation. While increasing the Eu doping concentration to 5% improved crystal quality, structural defects were observed at higher doping levels due to lattice stresses. SEM analyses revealed that the 5% Eu-doped film possessed a more homogeneous and compact surface morphology. Optical analyses revealed that while films with low Eu doping exhibited approximately 97% transmittance, transmittance decreased at higher doping levels. The optical bandgap decreased from 2.97 eV to 2.82 eV with increasing Eu doping, while Urbach energy results indicated that structural disorder varied depending on the doping level. PL studies revealed that the films exhibited emission in the UV and visible regions, and that the Eu dopant suppressed the green-yellow emission caused by defects, shifting the emission profile toward the blue-violet region. The results indicate that the synthesised Eu:AlZnO thin films possess high optical transmittance, improved crystal structure, tunable bandgap, and improved photoluminescence properties suggesting that these materials may hold high potential for use in next-generation UV photodetectors, light-emitting diodes (LEDs), photovoltaic solar cells, and smart window applications. Furthermore, the findings indicate that a 5% Eu doping level provides optimal performance in terms of structural, optical, and morphological properties and represents the most suitable composition for optoelectronic applications.