Sb-Se bazlı yarıiletken alaşım ince filmlerin termal buharlaştırma yöntemi ile üretilmesi ve fiziksel özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, katkısız Sb₂Se₃ ile farklı oranlarda Bi ve Sn katkılanmış Sb₂Se₃ bazlı yarıiletken alaşımlar sentezlenmiş ve termal buharlaştırma yöntemi kullanılarak ince filmler üretilmiştir. Antimon selenür (Sb₂Se₃), uygun bant aralığı, yüksek ışık soğurma katsayısı, düşük maliyeti ve toksik olmayan yapısı nedeniyle fotovoltaik ve optoelektronik uygulamalar için önemli bir yarıiletken malzeme olarak değerlendirilmektedir. Bu çalışmanın amacı, Bi ve Sn katkılarının Sb₂Se₃ ince filmlerin yapısal, morfolojik ve optik özellikleri üzerindeki etkilerini incelemektir. Alaşımlar, yüksek saflıktaki Sb, Se, Bi ve Sn elementleri kullanılarak eritme yöntemiyle hazırlanmıştır. Elde edilen alaşım tozları termal buharlaştırma sistemi kullanılarak cam altlıklar üzerine kaplanmış ve daha sonra 350 °C'de 4 saat süreyle tavlama işlemine tabi tutulmuştur. Üretilen ince filmlerin yapısal özellikleri X-ışını kırınımı (XRD), kimyasal bağ yapıları Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), yüzey morfolojileri ve elementel dağılımları taramalı elektron mikroskobu (SEM-EDS), optik özellikleri ise UV–Vis spektroskopisi kullanılarak karakterize edilmiştir. XRD sonuçları, tavlama öncesinde filmlerin büyük ölçüde amorf karakter gösterdiğini, tavlama sonrasında ise Sb₂Se₃ fazına ait kristal yapının belirginleştiğini ortaya koymuştur. SEM incelemeleri katkı oranının artmasıyla tane boyutlarında ve yüzey pürüzlülüğünde değişimler meydana geldiğini göstermiştir. EDS haritalama analizleri, katkı elementlerinin film yüzeyinde genel olarak homojen dağıldığını doğrulamıştır. UV–Vis analizleri sonucunda saf Sb₂Se₃ ince filmin yasak enerji aralığı 1,54 eV olarak belirlenmiştir. Bi ve Sn katkılamasıyla bant aralığının yaklaşık 1,37–1,76 eV aralığında değiştiği tespit edilmiştir. Ayrıca katkılı filmlerde ışık soğurma kapasitesinin arttığı ve optik özelliklerin önemli ölçüde iyileştiği belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, Bi ve Sn katkılarının Sb₂Se₃ ince filmlerin optoelektronik özelliklerini etkin bir şekilde modifiye ettiğini göstermektedir. Özellikle bant aralığının ayarlanabilmesi ve görünür bölgedeki yüksek ışık soğurma kapasitesi, bu malzemelerin ince film güneş pilleri ve diğer optoelektronik aygıtlar için umut verici adaylar olduğunu ortaya koymaktadır.

In this study, Sb₂Se₃-based semiconductor alloys doped with various ratios of Bi and Sn, as well as undoped Sb₂Se₃, were synthesized, and thin films were fabricated using the thermal evaporation method. Antimony selenide (Sb₂Se₃) is considered an important semiconductor material for photovoltaic and optoelectronic applications due to its suitable bandgap, high light absorption coefficient, low cost, and non-toxic nature. The aim of this study is to investigate the effects of Bi and Sn dopants on the structural, morphological, and optical properties of Sb₂Se₃ thin films. The alloys were prepared using the solid-state reaction method with high-purity Sb, Se, Bi, and Sn elements. The resulting alloy powders were deposited onto glass substrates using a thermal evaporation system and subsequently annealed at 350 °C for 4 hours. The structural properties of the produced thin films were characterized using X-ray diffraction (XRD), their chemical bond structures via Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and their surface morphologies and elemental distributions via scanning electron microscopy (SEM-EDS). Their optical properties were characterized using UV–Vis spectroscopy. XRD results revealed that the films exhibited a largely amorphous character prior to annealing, while the crystalline structure of the Sb₂Se₃ phase became evident after annealing. SEM analyses showed that increases in the doping ratio led to changes in grain size and surface roughness. EDS mapping analyses confirmed that the dopant elements were generally homogeneously distributed on the film surface. UV–Vis analyses determined the bandgap of the pure Sb₂Se₃ thin film to be 1.54 eV. It was found that the bandgap varied in the range of approximately 1.37–1.76 eV with Bi and Sn doping. Additionally, it was determined that the light absorption capacity increased in the doped films and that the optical properties improved significantly. The results obtained demonstrate that Bi and Sn dopants effectively modify the optoelectronic properties of Sb₂Se₃ thin films. In particular, the ability to tune the bandgap and the high light absorption capacity in the visible region highlight these materials as promising candidates for thin-film solar cells and other optoelectronic devices.