Üretilen filmlerin AFM analizleri

5 katlı 500 °C ve 600 °C sıcaklıklarında ayrı ayrı tavlanmış tüm katkısız ZnO ve

% 0,75 , % 1 ve % 1,25 Al katkılı ZnO f lmler n n topograf görüntüler , oda sıcaklığında ve hava ortamında ölçüm alan ve Osmangaz Ün vers tes ’nde bulunan “Park Systems XE-100E” model atom k kuvvet m kroskobu (AFM) le alınmıştır. Şekil 5.31’de bu tez çalışmasında kullanılan AFM cihazının fotoğrafı gösterilmektedir. Fotoğrafın sağ üst köşesinde de cihazın büyütülmüş hali bulunmaktadır.

Şekil 5.31. Bu tez çalışmasında kullanılan AFM cihazının fotoğrafı.

Ölçüm non-kontak çalışma modunda, 1 Hz tarama hızında yapılmıştır ve ölçümde

Döndürerek kaplama yöntemiyle üretilen filmlerin, atomik kuvvet mikroskobu ile belirlenen yüzey görüntülerine bakıldığında (Şekil 5.32-5.39), filmlerin hepsinde siyah, beyaz, kahverengi ve sarı renklerin tonlarından oluşan görüntüler görmekteyiz. Bu renk tonları, görsel olarak pürüzlük değerlerini ayırt etmemizi sağlar. Beyaz renkler, tanelerin film yüzeyinin aynı yerinde yığılıp toplanması nedeniyle oluşan, yüksekliğin fazla olduğu ve pürüzlülüğün yüksek ölçülmesine sebep olan, görüntülerdir. Siyah renkler ise yüksekliğin en düşük olduğu, pürüzlülüğün düşük ölçülmesine sebep olan tane boşluklarını simgeler.

Diğer renkler ise en yüksek ve en düşük pürüzlülük değerleri arasında kalan, kahverengi ve sarının tonlarına göre değişen pürüzlülük değerlerini ifade eder. Renklerin aynı veya benzer tonlarda olması üretilen filmlerin düzgün bir yüzeyi olduğunu göstermektedir.

Bu çalışmada, üretilen tüm filmlerin yüzey özelliklerinin daha ayrıntılı ve net bir şekilde incelenebilmesi için, filmlerin iki boyutlu ve üç boyutlu AFM görüntüleri birlikte gösterilmiştir. Bu görüntülerden de görüldüğü üzere, filmlerin hepsinde benzer veya farklı olan şekillerde ve büyüme tiplerinde oluşan bölgelerin varlığı görülmektedir. 500 °C’de ve 600 °C’de tavlanmış katkısız ZnO filmlerinin AFM görüntülerini incelediğimizde, ada tipi büyümenin olduğunu, 500 °C’de tavlanmış % 0,75 ve % 1 Al katkılı ZnO filmlerinin AFM görüntülerinde, ada tipi ve kanal tipi büyüme olarak adlandırılan karışık büyümelerin olduğu görülmektedir. Ancak bu büyüme tipinin % 0,75 Al katkılı filmde % 1 Al katkılı filme göre daha baskın olduğu görülmektedir. 500 °C’de tavlanmış % 1,25 Al katkılı ZnO filminde ve 600 °C’de tavlanmış olan % 0,75, % 1 ve % 1,25 Al katkılı ZnO filmlerin AFM görüntülerinde ise, kanal tipi büyümenin baskın olduğu tespit edilmiştir.

Şekil 5.32’de 500 °C’de tavlanmış katkısız ZnO filminin (a) 2 boyutlu AFM görüntüsü (b) üç boyutlu AFM görüntüsü gösterilmiştir.

Şekil 5.32. 500 °C’de tavlanmış katkısız ZnO filminin (a) 2 boyutlu AFM görüntüsü (b) üç boyutlu AFM görüntüsü.

Şekil 5.33’de 500 °C’de tavlanmış % 0,75 Al katkılı ZnO filminin (a) 2 boyutlu AFM görüntüsü (b) üç boyutlu AFM görüntüsü gösterilmiştir.

Şekil 5.33. 500 °C’de tavlanmış % 0,75 Al katkılı ZnO filminin (a) 2 boyutlu AFM görüntüsü (b) üç boyutlu AFM görüntüsü.

Şekil 5.34’de 500 °C’de tavlanmış % 1 Al katkılı ZnO filminin (a) 2 boyutlu AFM görüntüsü (b) üç boyutlu AFM görüntüsü gösterilmiştir.

Şekil 5.34. 500 °C’de tavlanmış % 1 Al katkılı ZnO filminin (a) 2 boyutlu AFM görüntüsü (b) üç boyutlu AFM görüntüsü.

Şekil 5.35’de 500 °C’de tavlanmış % 1,25 Al katkılı ZnO filminin (a) 2 boyutlu AFM görüntüsü (b) üç boyutlu AFM görüntüsü gösterilmiştir.

Şekil 5.35. 500 °C’de tavlanmış % 1,25 Al katkılı ZnO filminin (a) 2 boyutlu AFM görüntüsü (b) üç boyutlu AFM görüntüsü.

Şekil 5.36’da 600 °C’de tavlanmış katkısız ZnO filminin (a) 2 boyutlu AFM görüntüsü (b) üç boyutlu AFM görüntüsü gösterilmiştir.

Şekil 5.36. 600 °C’de tavlanmış katkısız ZnO filminin (a) 2 boyutlu AFM görüntüsü (b) üç boyutlu AFM görüntüsü.

Şekil 5.37’de 600 °C’de tavlanmış % 0,75 Al katkılı ZnO filminin (a) 2 boyutlu AFM görüntüsü (b) üç boyutlu AFM görüntüsü gösterilmiştir.

Şekil 5.37. 600 °C’de tavlanmış % 0,75 Al katkılı ZnO filminin (a) 2 boyutlu AFM görüntüsü (b) üç boyutlu AFM görüntüsü.

Şekil 5.38’de 600 °C’de tavlanmış % 1 Al katkılı ZnO filminin (a) 2 boyutlu AFM görüntüsü (b) üç boyutlu AFM görüntüsü gösterilmiştir.

Şekil 5.38. 600 °C’de tavlanmış % 1 Al katkılı ZnO filminin (a) 2 boyutlu AFM görüntüsü (b) üç boyutlu AFM görüntüsü.

Şekil 5.39’da 600 °C’de tavlanmış % 1,25 Al katkılı ZnO filminin (a) 2 boyutlu AFM görüntüsü (b) üç boyutlu AFM görüntüsü gösterilmiştir.

Şekil 5.39. 600 °C’de tavlanmış % 1,25 Al katkılı ZnO filminin (a) 2 boyutlu AFM görüntüsü (b) üç boyutlu AFM görüntüsü.

Katkısız ZnO filmlerde özellikle 600 °C’de tavlanmış katkısız ZnO filminde, tanelerin yığılması ile oluşan ada tipi oluşumların olduğu alanların hacmi, Al katkısı ile birlikte azalmış ve katkılama ile birlikte daha küçük hacimli tane birikimlerinin olduğu kanal tipi büyümeler meydana gelmiştir. Bunun sebebinin, Al⁺³ iyonlarının yarıçapının Zn⁺² iyonlarının yarıçapına göre daha küçük olması sebebiyle olduğunu düşünmekteyiz (rAl3+=0,054 nm ve rZn2+=0,074 nm) (El Manouni vd., 2006).

Çizelge 5.10’da döndürerek kaplama yöntemi ile elde edilen, 500 °C ve 600 °C’lerde tavlanan katkısız ve % 0,75, % 1 ve % 1,25 Al katkılı ZnO filmlerin atomik kuvvet mikroskobu (AFM) cihazından alınan Ra ve Rq yüzey pürüzlülük değerleri gösterilmektedir.

Çizelge 5.10. 500 °C ve 600 °C’lerde tavlanan filmlerin AFM cihazından alınan Ra ve Rq yüzey pürüzlülük değerleri.

Şekil 5.40 ve Şekil 5.41’de 500 °C ve 600 °C’lerde tavlanmış katkısız ve % 0,75,

% 1 ve % 1,25 Al katkılı ZnO filmlerinin Al katkı yüzdelerine (%) karşılık Ra ve Rq pürüzlülük değerleri grafikleri gösterilmektedir.

Şekil 5.40. 500 °C’de tavlanmış filmlerin Al katkı yüzdelerine (%) karşılık Ra ve Rq pürüzlülük değerleri grafiği.

Şekil 5.41. 600 °C’de tavlanmış filmlerin Al katkı yüzdelerine (%) karşılık Ra ve Rq pürüzlülük değerleri grafiği.

AFM görüntülerini, Çizelge 5.10’daki verileri ve Şekil 5.40 ve Şekil 5.41’deki grafikleri incelediğimizde, katkısız ZnO filmlerinde tavlama sıcaklığının yükselmesi ile pürüzlülük değerlerinde bir artış meydana geldiği tespit edilmiştir. Bunun sebebini, katkısız

ZnO filmlerinde tavlama sıcaklığının 500 °C’den 600 °C tavlama sıcaklığına çıkması ile birlikte, küçük tanelerin kümeleşip birleşerek daha büyük tanelere dönüşmesinden dolayı kaynaklanabileceğini düşünmekteyiz. Sengupta vd. (2011) bu kümelenmiş tanelerin büyüklüğünün sıcaklıkla artmasının sebebini, “yüksek sıcaklıklarda atomlar kristal kafes (kristal örgü) içinde uygun bölgeyi işgal edebilmek için yeterli difüzyon aktivasyon enerjisine sahiptir ve sonuç olarak daha düşük yüzey enerjisine sahip taneler bu sebeple daha büyük hale gelmiştir” şeklinde yorumlamışlardır. Bu sebeple, 600 °C’de tavlanmış katkısız ZnO filminin pürüzlülüğünün 500 °C’de tavlanan katkısız ZnO filminin pürüzlülüğüne göre, tavlama sıcaklığının artmasıyla birlikte artmış olabileceğini düşünmekteyiz. Bu sonuç XRD sonuçlarıyla tutarlıdır. Yani katkısız ZnO filmlerine bakıldığında 600 °C’de tavlanan filmin Debye Scherrer formülü ile hesaplanan tane boyutu değeri oldukça yüksek çıkmıştır.

Tavlama sıcaklığı açısından üretilen tüm filmlerin pürüzlülük değerlerine bakıldığında, 600 °C’de tavlanmış Al katkılı filmlerin daha düşük pürüzlülük değerlerine sahip olduğu görülmektedir. Dolayısıyla tavlama sıcaklığının yükselmesi Al katkılı filmlerin homojenliğini arttırmış ve filmlerin daha düzgün olmasını sağlamış olabilir.

500 °C’de tavlanan filmlerin pürüzlülük değerlerine bakıldığında % 1 Al katkılı ZnO filmi dışındaki tüm 500 °C’de tavlanmış filmlerin pürüzlülük değerlerinin 500 °C’de tavlanmış katkısız ZnO filmine göre daha düşük olduğu görülmektedir. Dolayısıyla katkılama filmlerin pürüzlülüğünü olumlu bir şekilde etkilemiştir. Katkılı filmlerdeki düşük pürüzlülüğün sebebini, Al’nin iyonik yarıçapının Zn’nin iyonik yarıçapından küçük olmasına bağlamaktayız. % 1 Al katkılı ZnO filminin pürüzlülük değerinin ise, bu sıcaklıkta tavlanmış diğer filmlere göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Bu filmin Şekil 5.34’deki AFM görüntüsü incelendiğinde, filmin üst bölgesinde yer alan beyaz renkli tanelerin yığılmış olduğu yüksek bir tepenin varlığı dikkat çekicidir. Bu beyaz bölgenin varlığının sebebinin taban olarak kullanılan cam tabanın pürüzlü olması, çözelti hazırlama şartları, kaplama veya tavlama esnasında meydana gelen deneysel şartlardan ötürü tanelerin bu bölgelere daha fazla birikmesi sebebiyle olduğunu düşünmekteyiz. Bu filmin pürüzlülük değerinin de bu beyaz bölgenin varlığından ötürü artmış olabileceğini düşünmekteyiz.

Ayrıca bu filmde, bu sıcaklıkta tavlanmış filmlere kıyasla, siyah olarak sembolize edilmiş tane boşluklarının varlığı en fazladır. Dolayısıyla atomlar filmin bu bölgesini büyüme merkezi olarak seçmemiştir. 600 °C’de tavlanmış filmlerin pürüzlülük değerleri incelendiğinde ise, Al katkılı ZnO filmlerin hepsinin katkısız ZnO filmine göre oldukça

düşük pürüzlülük değerlerine sahip olduğu görülmektedir. Bu durumun yine Al elementinin iyonik yarıçapının Zn elementinin iyonik yarıçapına göre daha küçük olmasından dolayı kaynaklanmış olabileceğini düşünmekteyiz. Dolayısıyla ZnO’ya Al katkılanması filmlerin yüzeylerinin daha düzgün hale gelmesini sağlayarak filmlerin daha pürüzsüz olmasını sağlamıştır. Sonuç olarak, katkılamanın bu filmlerde de pürüzlülük açısından olumlu etkisi olmuştur.

5.4.2. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve elektron dağılımlı x-ışını spektroskopisi