Optical and Morphological Properties of Ca Doped $TiO_2$ Thin Films Prepared by Spin Coating Method

Döndürerek Kaplama Yöntemi ile Hazırlanan Ca katkılı $TiO_2$ İnce Filmlerin Optik ve Morfolojik Özellikleri

Abstract

In this study, $TiO_2$ based thin films were prepared by adding 1%, 3%, 5% and 10% Ca and samples were produced by sol gel spin coating method. While the samples were being produced, coating was carried out using a rotation speed of 1000 rpm and a rotation time of 30 seconds. The coating process was repeated 3 times. Transmittance, absorption and reflection graphs of films were drawn by UV-VIS spectroscopy and optical band gap was calculated. The sample with the lowest forbidden energy range was found to have undoped $TiO_2$ (3.59 eV). The forbidden energy range of the samples was calculated as 3.68, 3.76, 3.74 and 3.77 for Ca contribution at 1, 3, 5 and 10%, respectively. The permeability graphs of the samples were examined and it was determined that the permeability values were between 70% and 90%. When the absorption graph was examined, it was seen that the average absorption in the visible region was in the range of approximately 0.75% to 4.5% due to the high transparency of the samples. Two-dimensional and three-dimensional images of films produced using Atomic Force Microscope (AFM) were analyzed. When the AFM analyzes were examined, it was seen that there were nano-sized grains. Surface properties, reflection, permeability and absorption curves of thin films produced by sol-gel method were examined and at the end of these investigations, it was determined that the surface morphology and optical properties of thin films changed depending on the Ca additive ratio.

Özet

Bu çalışmada, $TiO_2$ esaslı ince filmler %1, %3, %5 ve %10 Ca eklenerek hazırlanmış ve numuneler sol jel döndürerek kaplama yöntemiyle üretilmiştir. Numuneler üretilirken, 1000 rpm’lik bir dönme hızı ve 30 saniyelik bir dönme süresi kullanılarak kaplama işlemi gerçekleştirilmiştir. Kaplama işlemi 3 kez tekrarlanmıştır. Üretilen filmlerin UV-VIS spektroskopisi ile geçirgenlik, soğurma ve yansıma grafikleri çizilmiş ve optik bant aralığı hesaplanmıştır. En düşük yasak enerji aralığına sahip numunenin katkısız$TiO_2$ (3.59 eV) olduğu görülmüştür. Numunelerin yasak enerji aralığı %1, 3, 5 ve 10 oranlarında Ca katkısı için sırasıyla 3.68, 3.76, 3.74 ve 3.77 olarak hesaplanmıştır. Numunelere ait geçirgenlik grafikleri incelenmiş ve geçirgenlik değerlerinin %70 ile %90 arasında olduğu tespit edilmiştir. Soğurma grafiği incelendiğinde ise numunelerin yüksek şeffaflığa sahip olmasından dolayı görünür bölgedeki ortalama soğurmanın yaklaşık %0,75 ile %4,5 aralığında olduğu görülmüştür. Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) kullanılarak üretilen filmlerin iki boyutlu ve üç boyutlu görüntüleri analiz edilmiştir. AFM analizleri incelendiğinde nano boyutta tanelerin olduğu görülmüştür. Sol-jel yöntemiyle üretilen ince filmlerin yüzey özellikleri, yansıma, geçirgenlik ve soğurma eğrileri incelenmiş ve yapılan bu incelemeler sonunda, ince filmlerin Ca katkı oranına bağlı olarak yüzey morfolojisinin ve optik özelliklerinin değiştiği tespit edilmiştir.