KaydedilenlerDerginizi ekleyin

Dergiler / Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi / 2026 / Cilt: 42 Sayı: 3

Ta Katkı Oranının ZnO/Gözenekli Silisyum Heteroyapıların Optik Bant Aralığı Üzerindeki Etkisi

Effect of Ta Doping Concentration on the Optical Band Gap of ZnO/Porous Silicon Heterostructures

Safiye Karaçam(ERZURUM TEKNİK ÜNİVERSİTESİ)0009-0005-1236-2169
Meltem Gör Bölen(ERZURUM TEKNİK ÜNİVERSİTESİ)0000-0002-5340-6026
Sayfa
—
Yayın Tarihi
2026-09-29
🏛️Bu makalenin bibliyografik verileri ve tam metin bağlantısı DergiPark üzerinden sağlanmıştır.
DergiPark Kaydı ↗
✨

Yapay Zeka Hızlı Bakış & Çıkarımlar

AI Insight
⚡ TL;DR(1 Cümlede Hızlı Çıkarım)

Kontrollü anodizasyon parametreleriyle birlikte Ta katkısı, bu sistemlerde bant aralığı mühendisliği için etkili bir stratejidir.

📌 3 Maddede Bu Makale

🎯
Amaç & Hipotez:UV fotodedektörler, ultraviyole bölgede güçlü soğurma ve iyi tanımlanmış bant kenarı geçişlerine sahip malzemeler gerektirir.
📊
Temel Bulgular & Veri:Bu çalışmada Ta katkı oranının ZnO/GS heteroyapılarının optik bant aralığı (Eg) üzerindeki etkisi araştırılmıştır.
💡
Sonuç & Katkı:Kontrollü anodizasyon parametreleriyle birlikte Ta katkısı, bu sistemlerde bant aralığı mühendisliği için etkili bir stratejidir.
🔬Tür:Araştırma Makalesi
📍Kapsam:Genişletilmiş Akademik Örneklem
⚙️Değişkenler:Ta katkılı ZnO · Gözenekli silisyum · UV fotodetektör

Özet

UV fotodedektörler, ultraviyole bölgede güçlü soğurma ve iyi tanımlanmış bant kenarı geçişlerine sahip malzemeler gerektirir. ZnO/gözenekli silisyum (GS) heteroyapıları, GS'nin ışık tutma özelliğini ZnO'nun UV seçiciliği ile birleştirir. Bu çalışmada Ta katkı oranının ZnO/GS heteroyapılarının optik bant aralığı (Eg) üzerindeki etkisi araştırılmıştır. GS tabakaları, p-tipi Si alt katmanlar üzerinde 5 ve 10 mA/cm² akım yoğunluklarında, 1 ve 2 dk anodizasyon sürelerinde elektrokimyasal yöntemle üretilmiştir. Katkısız ve Ta katkılı (%1, %2, %3) ZnO ince filmleri GS alt katmanlara döndürmeli kaplama yöntemi ile biriktirilmiştir. Yapısal, morfolojik ve elementel karakterizasyon XRD, SEM ve EDS ile; optik karakterizasyon UV-Vis spektroskopisi ile yapılmış; Eg değerleri Tauc grafiklerinden hesaplanmıştır. Tüm heteroyapılarda ZnO, tercihli (002) yönelimiyle altıgen vurtzit yapıda kristalleşmiştir. EDS, Ta'nın ZnO matrisine başarıyla yerleştiğini doğrulamıştır. Optik bant aralığı 3.24–4.12 eV aralığında değişmiştir. En yüksek Eg değeri (4.12 eV), 10 mA/cm² ve 2 dk koşullarında hazırlanmış GS üzerine biriktirilen %3 Ta katkılı ZnO için elde edilmiştir. Yüksek katkı oranlarında gözlenen bant aralığı kayması Burstein–Moss bant-doldurma etkisiyle tutarlıdır. ZnO/GS tabanlı UV duyarlı heteroyapıların bant aralığı, yalnızca katkı oranıyla değil, GS alt katmanın gözenek morfolojisiyle de etkin biçimde ayarlanabilmektedir. Kontrollü anodizasyon parametreleriyle birlikte Ta katkısı, bu sistemlerde bant aralığı mühendisliği için etkili bir stratejidir.

Abstract

UV photodetectors require materials with strong absorption in the ultraviolet region and well-defined band-edge transitions. ZnO/porous-silicon (PS) heterostructures combine the light-trapping properties of PS with the UV selectivity of ZnO. This study investigates the effect of the Ta doping ratio on the optical band gap (Eg) of ZnO/PS heterostructures. PS layers were fabricated on p-type Si wafers by electrochemical anodization at current densities of 5 and 10 mA/cm² for durations of 1 and 2 min. Undoped and Ta-doped (1%, 2%, 3%) ZnO thin films were deposited onto the PS substrates via spin coating. Structural, morphological, and elemental properties were characterized by XRD, SEM, and EDS. Optical properties were evaluated by UV-Vis spectroscopy, and Eg values were obtained from Tauc plots. ZnO crystallized in the hexagonal wurtzite structure with preferred (002) orientation in all heterostructures. EDS confirmed successful Ta incorporation into the ZnO matrix. The optical band gap varied in the range 3.24–4.12 eV. The highest Eg value (4.12 eV) was obtained for 3% Ta-doped ZnO deposited on porous silicon (PS) prepared under anodization conditions of 10 mA/cm² for 2 min. The Burstein–Moss band-filling effect is consistent with the observed band-gap shift at higher doping ratios. The band gap of ZnO/PS-based UV-sensitive heterostructures can be tuned not only through the doping ratio but also through the pore morphology of the PS substrate. Ta doping combined with controlled anodization parameters is an effective strategy for band-gap engineering in these systems.

🔖

Bu Makaleye Atıf Yap

Karaçam, S., Bölen, M. G. (2026). Ta Katkı Oranının ZnO/Gözenekli Silisyum Heteroyapıların Optik Bant Aralığı Üzerindeki Etkisi. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi, Cilt: 42 Sayı: 3. https://doi.org/10.65520/erciyesfen.1944433

📄 Tam Metin PDF Okuyucu

📄

PDF görüntüleyici hazırlanıyor...

Kaynakça (30)

  1. Monroy, E., Omnès, F., & Calle, F. (2003). Wide-bandgap semiconductor ultraviolet photodetectors. Semiconductor Science and Technology, 18(4), R33–R51. https://doi.org/10.1088/0268-1242/18/4/201
  2. Özgür, Ü., Alivov, Ya. I., Liu, C., Teke, A., Reshchikov, M. A., Doğan, S., Avrutin, V., Cho, S.-J., & Morkoç, H. (2005). A comprehensive review of ZnO materials and devices. Journal of Applied Physics, 98(4), 041301. https://doi.org/10.1063/1.1992666
  3. Green, M. A. (1995). Silicon Solar Cells: Advanced Principles and Practice. Centre for Photovoltaic Devices and Systems, University of New South Wales, Sydney, Australia.
  4. Sailor, M. J. (2012). Porous Silicon in Practice: Preparation, Characterization and Applications. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany.
  5. Ellmer, K. (2012). Past achievements and future challenges in the development of optically transparent electrodes. Nature Photonics, 6(12), 809–817. https://doi.org/10.1038/nphoton.2012.282
  6. Minami, T. (2005). Transparent conducting oxide semiconductors for transparent electrodes. Semiconductor Science and Technology, 20(4), S35–S44. https://doi.org/10.1088/0268-1242/20/4/004
  7. Wu, Y., Li, C., Li, M., Li, H., Xu, S., Wu, X., & Yang, B. (2016). Microstructural and optical properties of Ta-doped ZnO films prepared by radio frequency magnetron sputtering. Ceramics International, 42(9), 10847-10853. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.03.214
  8. Pat, S., Mohammadigharehbagh, R., Akkurt, N., & Korkmaz, Ş. (2021). Studies on the surface and optical properties of Ta-doped ZnO thin films deposited by thermionic vacuum arc. Optical and Quantum Electronics, 53(11), 661. https://doi.org/10.1007/s11082-021-03248-5
  9. Herrera, V., Díaz-Becerril, T., Reyes-Cervantes, E., García-Salgado, G., Galeazzi, R., Morales, C., Rosendo, E., Coyopol, A., Romano, R., & Nieto-Caballero, F. G. (2018). Highly Visible Photoluminescence from Ta-Doped Structures of ZnO Films Grown by HFCVD. Crystals, 8(10), 395. https://doi.org/10.3390/cryst8100395
  10. Cheng, Y., Cao, L., He, G., Yao, G., Song, X., & Sun, Z. (2014). Preparation, microstructure and photoelectrical properties of tantalum-doped zinc oxide transparent conducting films. Journal of Alloys and Compounds, 608, 85–89. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.03.031
  11. Naderi, N., Ahmad, H., & Ismail, M. F. (2024). Improved optoelectrical performance of nanostructured ZnO/porous silicon photovoltaic devices. Ceramics International, 50(9), 14849-14855. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.01.400
  12. Murzalinov, D., Kemelbekova, A., Seredavina, T., Spivak, Y., Serikkanov, A., Shongalova, A., Zhantuarov, S., Moshnikov, V., & Mukhamedshina, D. (2023). Self-Organization Effects of Thin ZnO Layers on the Surface of Porous Silicon by Formation of Energetically Stable Nanostructures. Materials, 16(2), 838. https://doi.org/10.3390/ma16020838
  13. Karaçam, S., & Gör Bölen, M. (2025). Porous Silicon-Based UV Photodetectors: Enhancing Performance with Ta-Doped ZnO. Silicon, 17(8), 1993–2004. https://doi.org/10.1007/s12633-025-03325-4
  14. Turgut, G., & Sönmez, E. (2014). A Study of Pb-Doping Effect on Structural, Optical, and Morphological Properties of ZnO Thin Films Deposited by Sol–Gel Spin Coating. Metallurgical and Materials Transactions A, 45(8), 3675–3685. https://doi.org/10.1007/s11661-014-2281-6
  15. Karaçam, S., & Gör Bölen, M. (2024). Evaluation of Aging Effects of Zinc Oxide on the Optical Properties of Porous Silicon–Zinc Oxide Heterojunction Photodetector Device. Black Sea Journal of Engineering and Science, 7(3), 566–574. https://doi.org/10.34248/bsengineering.1439777
  16. Ren, T., Baker, H. R., & Poduska, K. M. (2007). Optical absorption edge shifts in electrodeposited ZnO thin films. Thin Solid Films, 515(20–21), 7976–7983. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2007.03.185
  17. Zanatta, A. R. (2019). Revisiting the optical bandgap of semiconductors and the proposal of a unified methodology to its determination. Scientific Reports, 9(1), 11225. https://doi.org/10.1038/s41598-019-47670-y
  18. Look, D. C. (2001). Recent advances in ZnO materials and devices. Materials Science and Engineering: B, 80(1–3), 383–387. https://doi.org/10.1016/S0921-5107(00)00604-8
  19. Soci, C., Zhang, A., Xiang, B., Dayeh, S. A., Aplin, D. P. R., Park, J., Bao, X. Y., Lo, Y. H., & Wang, D. (2007). ZnO Nanowire UV Photodetectors with High Internal Gain. Nano Letters, 7(4), 1003–1009. https://doi.org/10.1021/nl070111x
  20. Burstein, E. (1954). Anomalous Optical Absorption Limit in InSb. Physical Review, 93(3), 632–633. https://doi.org/10.1103/PhysRev.93.632
  21. Moss, T. S. (1954). The Interpretation of the Properties of Indium Antimonide. Proceedings of the Physical Society. Section B, 67(10), 775–782. https://doi.org/10.1088/0370-1301/67/10/306
  22. Arias-Serrano, B. I., Xie, W., Aguirre, M. H., Tobaldi, D. M., Sarabando, A. R., Rasekh, S., Mikhalev, S. M., Frade, J. R., Weidenkaff, A., & Kovalevsky, A. V. (2019). Exploring Tantalum as a Potential Dopant to Promote the Thermoelectric Performance of Zinc Oxide. Materials, 12(13), 2057. https://doi.org/10.3390/ma12132057
  23. Koo, H.-S., Peng, J.-C., Chen, M., Chin, H.-I., Chen, J.-Y., & Wu, M.-K. (2015). Optoelectronic Characterization of Ta-Doped ZnO Thin Films by Pulsed Laser Deposition. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 15(11), 9222–9227. https://doi.org/10.1166/jnn.2015.11428
  24. Keramatnejad, K., Khorramshahi, F., Khatami, S., & Asl-Soleimani, E. (2015). Optimizing UV detection properties of n-ZnO nanowire/p-Si heterojunction photodetectors by using a porous substrate. Optical and Quantum Electronics, 47(7), 1739-1749. https://doi.org/10.1007/s11082-014-0032-y
  25. Saw, K. G., Aznan, N. M., Yam, F. K., Ng, S. S., & Pung, S. Y. (2015). New insights on the burstein-moss shift and band gap narrowing in indium-doped zinc oxide thin films. PloS one, 10(10), e0141180. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0141180
  26. Madhavanunni Rekha, S., Vadakke Neelamana, H., & Bhat, S. V. (2023). Recent advances in solution-processed zinc oxide thin films for ultraviolet photodetectors. ACS Applied Electronic Materials, 5(8), 4051-4066. https://doi.org/10.1021/acsaelm.3c00563
  27. Yi, K., Jiang, H., Cai, Y., Wang, G., Liu, F., & Wang, D. (2025). Effect of tantalum doping on the microstructure and photoelectrical properties of transparent conductive zinc oxide films. JUSTC, 55(4), 0406-1. https://doi.org/10.52396/JUSTC-2024-0006
  28. Mahmood, K., Park, S. B., & Sung, H. J. (2013). Fabrication of tantalum and nitrogen codoped ZnO (Ta, N-ZnO) thin films using the electrospay: twin applications as an excellent transparent electrode and a field emitter. ACS Applied Materials & Interfaces, 5(9), 3722-3730. https://doi.org/10.1021/am4003342
  29. Gao, Z., Myung, Y., Huang, X., Kanjolia, R., Park, J., Mishra, R., & Banerjee, P. (2016). Doping mechanism in transparent, conducting tantalum doped ZnO films deposited using atomic layer deposition. Advanced Materials Interfaces, 3(21), 1600496. https://doi.org/10.1002/admi.201600496
  30. Kuntyi, O., Zozulya, G., & Shepida, M. (2022). Porous silicon formation by electrochemical etching. Advances in Materials Science and Engineering, 2022(1), 1482877. https://doi.org/10.1155/2022/1482877