PROF. DR. RAŞİT TURAN

Localized surface plasmons in metal nanoparticles engineered by electron beam lithography Elektron demet litografisi ile işlenmiş metal nanoparçacıklarda lokalize yüzey plazmonları

Bu çalısmada ısığın görünür bölgedeki dalga boylarına görece daha küçük boyutlarda metal nanoparçacıkların optik davranısları deneysel ve nümerik olarak incelenmistir. Diğer metallere göre daha verimli optik özellikler gösteren altın (Au) ve gümüs (Ag) ağırlıklı olarak ele alınmıstır. Belirli çift kutup yaklasımı (DDA) esas alınarak gelistirilen yazılım yardımı ile farklı malzeme, sekil ve boyutlara sahip metal nanoparçacıkların söndürme verimlilikleri hesaplanmıstır. Kendi içerisinde tutarlı sekil ve ölçülere sahip parçacıkların üretilebilmesi için elektron demet litografisi (EBL) yöntemi kullanılmıstır. Farklı elektriksel iletkenliklere sahip alttasların üzerine, 50 nm boyutlarına kadar küçültülmüs farklı parçacıkların islenebilmesi için gerekli olan doz parametreleri tartısılmıstır. Demet akımının, doz ve parçacık boyutu arasındaki iliskiye etki ettiği gözlemlenmistir. Yalıtkan alttasların islenebilmesi için gerekli olan ince Au filminin kullanılısı ve bu sırada gerekli olan ek islemlerin getirdiği kirlenmenin giderilis yöntemi sonuca bağlanmıstır. 4 nm kalınlığındaki Au filmlerin yalıtkan alttaslar için gerekli olan iletkenliği sağladığı sonucuna varılmıstır. EBL yöntemi ile üretilen küçük boyutlardaki örneklerin yansıma ve geçirgenlik ölçümlerinin yapılmasını sağlayacak bir optik düzenek tasarlanarak kurulmus ve taramalı elektron mikroskopu (SEM) ile nanoparçacıkların biçimsel özellikleri gözlemlenerek lokalize plazmon rezonanslarına etki eden mekanizmalar incelenmistir. 50 ? 200 nm boyutları arasında üretilen metal nanoparçacıkların boyutları, sekilleri, aralarındaki mesafe ve içinde bulundukları ortamın optik sabitleri rezonans davranısında etkili olmustur. Elipsoidal parçacıklarda farklı boyutlardaki eksenlerin farklı dalga boylarında rezonansa neden oldukları polarize ısık kullanılarak gösterilmistir. Ayrıca, polarize olmayan ısık kullanıldığında, her iki eksenden elde edilen rezonans tepelerinin zayıfladığı gözlemlenmistir.

Fabrication and characterization of single crystalline silicon solar cells Tek kristal silikon güneş gözeleri üretimi ve karakterizasyonu

Fotovoltaik güneş gözeleri kullanılarak elektrik enerjisi üretimi, dünyamızın iklimini tehdit eden fosil bazlı yakıtlara karşı en gelecek vadeden ve geçerli alternatiftir. Fotovoltaik piller, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren yarı iletken cihazlardır. Bu çevre dostu elektronik süreç, uzun yıllar bakım ve bozulmaya maruz kalmadan kullanılabilir. Fotovoltaik teknolojiler son yıllarda farklı alanlarda çeşitlilik kazanmıştır. Birçok avantjı olan farklı teknolojiler geliştirilmiştir. Buna rağmen, %85 pazar payı ile, Si pul tabanlı güneş gözeleri en yaygın kullanılan fotovoltaik sistemlerdir. Bunun bir nedeni, Si teknolojisinin mikro elektronik sanayide uzun yıllardır bilinen bir teknoloji olmasıdır. Bu tez tek kristal güneş gözelerinin üretimi ve her bir üretim basamağının karakterizasyonu ile optimize edilmesi konularını kapsar. Yüzey şekillendirilmesi ile ışık hapsedilmesi, örnek temizliği, difüzyon, litografi, tavlama, yansıma engelleyici katman kaplama, kenar izolasyonu aşamaları, sistematik bir yaklaşımla incelenmiştir. Her örnek seti, akım voltaj ölçümleri, quantum verimliliği ve yansıma değerleri göz önünde bulundurularak karakterize edilmiştir. Bu çalışma süresince AM1.5G durumunda elde edilen en yüksek verim %10.37’dir. Bu değer, ticari olarak kullanılmakta olan göze değerlerinin altındadır. Bu düşük değerin en büyük nedeni ince metal kontaklardan kaynaklanan yüksek seri dirençtir. Seri direnç etkileri azaltıldığında verimliliğin arttığı gözlemlenmiştir. Son olarak metal nanoparçacıkların Si pul üzerinde plazmonik salınımlarının ışık hapsedilmesi üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Metal nano parçacıkların plazmonik saçılmaları, son yıllarda büyük ilgi çekmektedir. Altın nanoparçacıkların silisyum yüzeyi üzerinde kandiliğinden oluşumu başarıyla gözlemlenmiştir. Nano parçacıkların optik özellikleri incelenmiştir fakat göze verimi üzerindeki etkileri için daha fazla araştırma gerekmektedir.

Si ve Si(1-x)Ge(x) nanocrystals: Synthesis, structural characterization, and simultaneous observation of quantum confined and interface related photoluminescence Si ve Si(1-x)Ge(x) nanokristalleri: Sentezlenmesi, yapısal karakterizasyonu ve quantum hapsolma ve arayüzey kaynakli fotolüminesansinin ayni anda gözlenmesi

Bu çalışmada Si ve Si(1-x)Gex nanokristaller RF magnetron eş saçtırma yöntemiyle hazırlandı. Tavlama parametreleri ve Ge içeriğinin (x) SiO2/SiO2:Si: Ge/SiO2 katmanli yapısının oluşumuna, gelişimine ve yapısal ve optik özelliklerine etkileri incelenmiştir. Karakterizasyon için kesitsel yüksek çözünürlüklü elektron mikroskobu, X-ışını kırınım (XRD), Raman spektrometresi (RS), Fourier dönüşümü kızılötesi (FTIR), fotolüminesans (PL) ve sıcaklık bağımlı PL (TDPL) teknikleri kullanıldı. Ge içeriğinin (x), tavlama sıcaklığı ve zamanının nanokristallerin yapısal ve optik özelliklerini etkileyen önemli parametreler oldukları görüldü. Göreceli olarak düşük sıcaklıklarda ve kısa tavlama zamanlarında düzenli Si(1-x)Gex nanokristal oluşumu gözlemlendi. Fakat Ge-zengin Si(1-x)Gex nanokristaller yüksek sıcaklıklarda gerektiği kadar uzun süre tavlandıklarında birleşim düzenini kaybetmektedirler. Ayrışma işlemi Ge ve Si atomlarının birbirlerinden ayrılmasına ve Si-zengin çekirdeğin Ge-zengin kabukla sarmalandığı yapının oluşmasına neden olmaktadır. Si ve Si(1-x)Gex nanokristallerin optik özellikleriyle ilgili olarak, tavlama işleminin ve Ge içeriğinin (x) quantum hapsolma ve arayüzey kaynaklı ışınımsal emisyonun birlikte gözlemlenmesine ve bunların göreceli olarak PL spektrumuna katkı sağlamasına etkisi incelenmiştir. Diğer yandan, sıcaklık bağımlı PL ölçümleri (TDPL) olası PL mekanizmalarının detaylı olarak incelenmesi ve termal olarak aktif hale gelen taşıyıcıların ışınımsal olmayan merkezlere kaçışı ve/veya exciton’larin arayüze veya daha büyük nanokristallere tünellemesini incelemek için yapıldı.

Si nanocrystals in SiC matrix and infrared spectroscopy of nanocrystals in a dielectric matrix SiC matris içindeki Si nanokristaller ve dielektrik içindeki nanokristallerin kızıl ötesi spektroscopisi

Bu calışma, dielektrik malzemeler içinde oluşturulan nanokristallerin çeşitli özellikerine odaklanmıştır. Çalışmanın birinci bölümünde, Fourier Dönüşümlü Kızıl Ötesi Spektroskopisinin (FTIR) nanokristal analizinde kullanımına yönelik yeni bir yaklaşım geliştirilmiş ve sunulmuştur. Bu yeni yaklaşımda, SiO2 matris yapısında meydana gelen değişim incelenerek Si ve Ge nanokristallerin oluşumu hakkında bilgiye ulaşılmıştır. Matris yapısında meydana gelen değişikliklerin, nanokristal oluşumu ile doğrudan ilintili olduğu gösterilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde, SiC ve Si zengin SiC ince filmlerin üretimi çalışılmıştır. Bu amaca yönelik olarak, mıknatıslı eş-saçtırma ve plazmayla desteklenmiş kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile çeşitli filmler üretilmiştir. SiC ince filmler için, yapısal ve optik analizler gerçekleştirilmiştir. Si zengin SiC örnekler için ise, Si nanokristallerin oluşum şartları araştırılmıştır. SiC matrisin ve Si nanokristallerin değişik sıcaklıklardaki evrimini incelemek için örnekler üretim sonrası fırınlamaya tabi tutulmuştur. SiC matrisin stokiyometrik özellikleri FTIR yardımıyla incelenmiştir. Stoikiometrik SiC oluşumu için optimum şartlar belirlenmiştir. Si zengin SiC filmlerde, nanokristallerin kristalografik özellikleri ve boyutları X-Işını Kırınımı (XRD) tekniği ile belirlenmiştir. Atomik konsantrasyonlardaki değişim ve bağ oluşumları X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) ile incelenmiştir. Raman spectroskopisi ve geçişli elektron mikroskopisi yardımıyla Si nanokristallerin oluştuğu belirlenmiştir. Bu bilgiler ışığında çok katmanlı SiC ve Si zengin SiC yapı üretilmiş ve farklı analiz teknikleri kullanılarak yapısal ve optik özellikleri incelenmiştir. Bu çalışmada, ışık yayan aygıtlar ve güneş pili uygulamaları için amorf SiC matris içinde Si nanokristallerin başarı ile oluşturulabildiği gösterilmiştir.

Design and realization of a new concentrating photovoltaic solar energy module based on lossless horizontally staggered light guide Kayıpsız yatay adımlı ışık taşıyıcı temelli yeni bir yoğunlaştırıcılı fotovoltaik güneş enerjisi modülünün tasarımı ve gerçekleştirimi

Yoğunlaştırmalı Fotovoltaik (CPV) sistemler güneş enerjisini kullanarak düşük maliyetle ve temiz olarak elektrik üretimi için önemli bir adaydır. CPV en basit anlatımıyla görece az maliyetli optikler ile çok pahalı yarı iletken fotovoltaik hücrelerin büyük ölçüde yer değiştirmesi anlamına gelmektedir. Fikir basit olmasına rağmen CPV sistemleri modüllerin kesitlerinin kalın olması, PV hücrelerin pahalı olması ve aşırı ısınma gibi sistem tasarımlarının doğasından kaynaklanan bazı sorunlara sahiptir. Işık kılavuzlu sistemler bu sorunlarının çoğunu ortadan kaldırarak klasik CPV yapılarına önemli bir alternatif haline gelmişlerdir. Bu tez çalışmasında optik tasarımlar ve simülasyonlar ile ışık kılavuzu tabanlı yeni bir optik yoğunlaştırıcı sistemi geliştirilmiştir. Bu güneş yoğunlaştırıcısı ile ± 1 derece kabul açısına, 1000x geometrik yoğunlaştırmaya, %96,5 optik verimlilik değerlerine ulaşılabileceği gösterilmiştir. Simülasyonlar ile yatay adımlı ışık kılavuzlu güneş yoğunlaştırıcılarının etkinliği kanıtlanmıştır. Uygulamalı çalışmalar ile CPV modülü üretilerek ışık kılavuzlu CPV sistemlerine ilişkin bilgi birikimi geliştirilmeye çalışılmıştır. Yoğunlaştırıcı sistemi 45x geometrik yoğunlaştırma değeriyle orta yoğunlaştırma seviyesinde ve +-2 derece kabul açısına sahip olarak üretilmiştir. Prototip seviyesinde plastik enjeksiyon yöntemi ile %74 optik verimliliğe ulaşılmış ve daha iyi bir enjeksiyon kalıbı imalatı ile bu sonuç daha da iyileştirilebilecektir. Gerçek üretim parametreleri kullanılarak maliyet analizleri de gerçekleştirilmiş ve ışık kılavuzlu güneş yoğunlaştırıcı sistemleriyle şebeke elektriği maliyetine denk maliyetle elektrik üretilebileceği gösterilmiştir.

Effect of deposition parameters on silicon layers transition from amorphous phase to micro/nano-crystalline phase in different deposition techniques Farklı uretım metodları kullanılarak büyütülen silisyum tabakalarının amorf fazdan mikro/nano kristal fazına geçişi

Hidrojenlendirilmiş nano / mikro kristal silisyum (nc-/c-Si:H) ince film malzemeler, Silisyum tabanlı ince film güneş gözeleri teknolojisinin anahtar malzemesidir. Bu filmler ince film güneş gözeleri uygulamalarında kullanılması nedeniyle yüksek oranda ilgi çekmektedir. Özellikle birbiri ardına dizilmiş çoklu Silisyum tabanlı ince film güneş gözeleri uygulamaları için silisyumun amorf fazdan nano / mikro kristal faza geçişi incelenmesi gereken önemli bir süreçtir. Böyle bir faz diyagramı oluşturmak malzemelerin ve göze yapılarının geliştirilmesinde kullanılacak fazların belirlenmesini mümkün kılacaktır. Bu çalışma kapsamında plazma ortamında kimyasal buhar biriktirme, magnetron saçtırma ve elektron demeti buharlaştırma gibi farklı yöntemlerle üretilen amorf silisyum ince film malzemesinin kristalleşme dinamikleri incelenmiştir. Bu birbirlerinden farklı yöntemlerin uygun maliyetliliği, film homojenliği, birikinti hızı ve uygulanabilirliği gibi özellikleri göz önünde bulundurularak birbirlerine göre avantajları ve dezavantajları araştırılmıştır. Her bir teknik için birikinti gücü, basıncı, kaplama süresi, alt taş sıcaklığı ve kullanılan besleme gazinin seyreltilme miktarı gibi parametreler ayrıntılı bir biçimde incelenmiştir. Büyütülen filmlerin yapısal, biçimsel, ışıksal ve elektriksel özellikleri analiz edilmiştir. Silisyum ince filmler cam, kuartz ve silisyum dilimlerin üzerine büyütülmüş olup Raman Spektroskopisi (RS), X-Işını Kırınımı (GIXRD), X-Işını Foto elektron Spektroskopisi (XPS), Ellipsometer (SE), Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM), Yüksek Kontrastlı Transmisyon Elektron Mikroskopu (HRTEM) gibi analiz metotlarıyla kontrol edilmiştir. Bu çalışmada Raman Spektroskopi analizinden hesaplanan kristal hacim fraksiyonu yapısal geçişi göstermede ana parametre olarak kabul edilmiştir. Bu araştırmanın sonunda, farklı fiziksel ve kimyasal buhar biriktirme metotları için kristalleşme parametreleri hakkında ayrıntılı ve güvenilir bilgi edinilmiştir.

Comparison of crystal Si solar cells fabricated on P-type and N-type float zone silicon wafers P ve N-tipi float zon Si dilimler üzerinde üretilmiş güneş gözelerinin karşılaştırılması

Yüksek elektron difüzyon uzunluğu nedeni ile güneş gözeleri geleneksel olarak p-tipi alttaş üzerinde üretilir. Ancak, yüksek kaliteli float zon silisyum dilimler n-tipi alttaşlarda da yüksek verimli güneş gözelerinin üretilmesini sağlar. N-tipi alttaşların daha iyi özelliklere sahip olması nedeni ile fotovoltaik market, teknoloji araştırmalarını n-tipi alttaşlar kullanarak güneş gözesi üretmek üzerine yönlendirmiştir. Bu araştırmalar sonucunda fotovoltaik teknolojinin p-tipi alttaşlar yerine tamamen n-tipi alttaşlara döneceği bile öngörülmektedir. Güneş gözelerinden daha yüksek verim elde edebilmek için bu teknoloji değişimi yeni üretim teknikleri ve araştırma alanları ortaya çıkarmıştır. Bu çalışmada n-tipi alttaş kullanılarak farklı yollardan üretilen güneş gözelerinin kıyaslaması yapıldı ve üretim stepleri optimize edilmeye çalışıldı. Daha sonra ise n-tipi ve p-tipi güneş gözeleri float zon dilimler üzerinde üretilerek karşılaştırıldı. Bu yöntemle daha yüksek verimli güneş gözelerinin elde edilmesini sağlayan şartlar araştırıldı. Güneş gözelerinin üretim ve karakterizasyonu ODTÜ-GÜNAM tesislerinde gerçekleştirildi

Photoluminescence properties of Si nanocrystals embedded in SiO2 matrix SiO2 içerisine gömülmiş Si nanokristallerin fotoluminesans özellikleri

Bu tez, nano boyutta silikonların optik özelliklerini inceler. Yeni optiksel aygıtların gelişmesi, ışık çıkma mekanizmaların anlaşılmasını gerektirdigi için optiksel spektroskopi bu yapıların analizinde bir araç olarak daha çok önem kazanmıştır. Bu tezde SiO2 matris içine gömülen Si nanokristaller çalışılmıştır. Analiz tekniği olarak fotolüminesans ve zaman çözümlü fotoluminesans spektroskopisi UV-Vıs-NIR bölgelerini araştırmakta kullanılmıştır. Ölçümler 10-300 K sıcaklık aralığında yapılmıştır. Fotolüminesans, aygıtların performansını ve kalitesini etkileyen kusurlara duyarlıdır. Bu bağlamda, silicon nanokristallerin luminesansını sınırlayan kusurların rolü ve bu kusurların hidrojen pasivasyonu araştırılmıştır. Zaman çözümlü fotolüminesans spektroskopisi fotolüminesansın zaman değişimini sıcaklıklığın fonksiyonu olarak belirlemede kullanılmıştır. PL spektrumlarının sönüm süresinin sıcaklığa bağlılığı, üç eksiton seviyesi üzerine kurulu ifadeye mükemmel şekilde uymuştur. Bu üç seviye ile ilişkilendirilen taşıyıcı ömrü belirlenmiş ve literature ile karşılaştırılmıştır. Ek olarak, güçlü lazer aydınlatması altında serbest duran silikon nanoparçacıkların zaman bağımlı fotoluminesans varyasyonu çalısılmıştır. Geridönüşür olan gözlemlenen ağarma davranışı (zaman bağımlı emisyon yoğunluğu) nanocrystal ve çevresindeki oksit tabakası arasındaki arayüzde eksiton yakalanması olarak tartışılmıştır. Bu tezin sonuçları ışık çıkma mekanizmalarının anlaşılması ve onların optoelektronik aletler için potansiyel kullanımlarına yeni bir görüş sağlayacaktır.

Structural and electical properties of flash memory cells with HfO2 tunnel oxide with/without nanocrystals Nanokristal içeren/içermeyen HfO2 tünel oksitinden oluşan bellek elemanlarının yapısal ve elektriksel özellikleri

Bu çalışmada, tünel oksiti olarak yüksek yalıtkanlı malzeme olan HfO2 ile IV. grup elemanlarını içeren (Si, Ge) nanokristaller kullanarak flaş bellek hücreleri üretildi ve test edildi. Aygıt yapısı mıknatıslı saçtırma yöntemi ile üretildi ve tanı tekniklerinden X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ile Raman spektroskopisi kullanılarak analizleri yapıldı. Bu çalışmanın esas amaçlarından birisi yüksek elektriksel geçirgenlikli HfO2 tünel oksitinin kullanımıdır. Nihai amaç ise bellek elemanlarında HfO2 tünel oksiti ile birlikte Si ve Ge nanokristallerinin kullanımını araştırmaktır. Üretilen aygıtların ara yüzleri XPS spektroskopi tekniği ile incelendi. XPS ile birlikte derinlik profili analizi yapıldı. Nanokristal oluşumları Raman spektroskopi tekniği ile doğrulandı. Bu çalışmanın son bölümü ise Si ve Ge yardımcı kapı kullanılarak üretilen bellek elemanlarının karakterizasyonunu içermektedir. C-V (Kapasitans-Voltaj) ve G-V (iletkenlik-voltaj) ölçümleri ile C-V ölçümleri temel alınarak yük depolama özelliği incelenmiştir. Karşılaştırma yapabilmek için, Si ve Ge yapıları ya ince film içerisinde ya da nanokristal formda çalışıldı. Bu iki yapının C-V karakteristiklerinin karşılaştırması gösterdi ki, ince film içeren bellek elemanları yükleri hücre kapısı altında boyutsal sınırlamamaktadır. Diğer taraftan, nanokristal içeren aygıtlar izole olmuş nanokristallerin boyutsal sınırlama yapabilirliği olduğu için daha iyi bellek özelliği göstermektedirler. Düşük miktardaki oksijen varlığının Ge nanokristallerini oksitlemeye yeterli olduğu Raman ölçümlerinde de doğrulanmıştır ve oksitlenme sonucu bu örneklerde yük depolama özelliğinin azaldığı gözlemlenmiştir. Genel olarak, bu çalışma yüksek yalıtkanlığı olan HfO2 ile IV. grup nanokristallerinin yeni nesil MOS tabanlı bellek elemanlarında kullanılabileceğini göstermiştir. Bellek elemanlarının çalışması kullanılan malzemeye ve yöntem şartları ile belirlenen aygıt yapısına son derece bağlı olduğu görülmüştür.