Au/Jelatin:Ag NP/p-Si/Al Hibrit Biyo-Nanokompozit Fotodiyotun Geliştirilmiş Foto tepkisi ve Antibakteriyel Performansı
Abstract
Bu çalışmada, çevre dostu ve çok fonksiyonlu bir fotodedektör yapısı olarak Au/Gelatin:Ag NP/p-Si/Al hibrit biyo-nanokompozit fotodiyot başarıyla üretilmiş ve yapısal, optik, elektriksel ve antibakteriyel özellikleri ayrıntılı olarak incelenmiştir. Ara tabaka olarak kullanılan Gelatin:Ag NP nanokompoziti, doğal jelatinin biyouyumluluğu ve film oluşturma kabiliyeti ile Ag nanopartiküllerin yüksek iletkenlik ve plazmonik özelliklerini bir araya getirmektedir. SEM analizleri Ag nanopartiküllerin jelatin matrisi içerisinde homojen dağıldığını ve ortalama parçacık boyutunun nano ölçekli aralıkta olduğunu göstermiştir. XRD sonuçları, amorf jelatin fazı içerisinde yüzey merkezli kübik yapıya sahip kristalin Ag nanopartiküllerin başarılı şekilde oluştuğunu doğrulamıştır. UV–Vis analizlerinde yaklaşık 410 nm civarında gözlenen yüzey plazmon rezonans bandı Ag nanopartiküllerin varlığını desteklerken, optik bant aralığı 3.21 eV olarak hesaplanmıştır. Fotodiyotun akım-gerilim karakteristikleri, yapının tüm ölçüm koşullarında belirgin doğrultucu davranış sergilediğini göstermiştir. Aydınlatma şiddeti arttıkça ters besleme bölgesindeki fotoakım önemli ölçüde artmış, bu durum cihazın etkin ışık algılama kapasitesini ortaya koymuştur. Termiyonik emisyon modeli ile idealite faktörü ve bariyer yüksekliği, Cheung fonksiyonları ile seri direnç değerleri hesaplanmıştır. İdealite faktörü 1.17’den 3.05’e yükselirken, bariyer yüksekliği 0.87 eV’den 0.62 eV’e düşmüştür. Ayrıca cihaz, yüksek fotoakım, artan duyarlılık ve 1013 Jones mertebesinde özgül dedektiflik değeri sergilemiştir. α=0.97, β=0.42 ve γ=0.36 değerleri, cihazın ışık şiddetine karşı kararlı ve güvenilir tepki verdiğini göstermektedir. Antibakteriyel testlerde, yapı hem Escherichia coli hem de Staphylococcus aureus bakterilerine karşı etkili inhibisyon göstermiştir. En yüksek antibakteriyel etkinlik 365 nm UV ışık altında elde edilmiş, görünür ışık altında da karanlık ortama kıyasla belirgin artış gözlenmiştir. Bu sonuçlar, Ag nanopartiküllerin iyon salınımı, reaktif oksijen türleri oluşumu ve plazmonik fotoaktivasyon mekanizmaları ile açıklanmıştır. Sonuç olarak, Au/Gelatin:Ag NP/p-Si/Al yapısı; yüksek fotodedektör performansı, düşük maliyetli üretim, biyouyumluluk ve ışık destekli antibakteriyel aktivite özelliklerini aynı anda sunan umut verici yeni nesil çok fonksiyonlu bir optoelektronik aygıttır.
Keywords
Fotodiyot, I-V, Fotoduyarlılık, Dedektiflik, Jelatin:Ag NP
Supporting Institution
Hakkari Üniversitesi
Project Number
Hakkari Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Bütçesi No: FM26BAP1
Ethical Statement
Bu çalışma insan katılımcılar, insan verileri veya hayvan deneyleri içermemektedir. Bu nedenle etik kurul onayı gerekmemiştir. Tüm deneysel işlemler, malzeme bilimi araştırmaları için geçerli kurumsal ve uluslararası bilimsel etik ilkelerine uygun olarak gerçekleştirilmiştir. Tüm yazarlar makalenin son halini incelemiş, onaylamış ve yayına gönderilmesini kabul etmiştir. Yazarlar bu çalışma ile ilgili herhangi bir etik ihlal bulunmadığını beyan eder.
Thanks
Bu çalışmanın diyot üretim aşaması, Hakkari Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından FM26BAP1 numaralı proje kapsamında desteklenmiştir. Yazarlar sağlanan finansal destek için teşekkür eder.
Enhanced Photoresponse and Antibacterial Performance of Au/Gelatin:Ag NP/p-Si/Al Hybrid Bio-Nanocomposite Photodiode
Abstract
In this study, an environmentally friendly and multifunctional Au/Gelatin:Ag NP/p-Si/Al hybrid bio-nanocomposite photodiode was successfully fabricated and its structural, optical, electrical, and antibacterial properties were comprehensively investigated. The Gelatin:Ag NP interfacial layer combines the biocompatibility and film-forming capability of natural gelatin with the high conductivity and plasmonic properties of silver nanoparticles. SEM analyses revealed that Ag nanoparticles were homogeneously distributed within the gelatin matrix with nanoscale particle dimensions. XRD results confirmed the successful formation of crystalline face-centered cubic Ag nanoparticles embedded in the amorphous gelatin framework. UV–Vis measurements exhibited a characteristic localized surface plasmon resonance band around 410 nm, while the optical band gap of the nanocomposite was determined as 3.21 eV. Current–voltage measurements demonstrated pronounced rectifying behavior under all measurement conditions, confirming the successful formation of a Schottky junction. With increasing illumination intensity, the reverse-bias photocurrent significantly increased, indicating efficient photodetection capability. The ideality factor and barrier height were extracted using thermionic emission theory, whereas the series resistance values were obtained from Cheung functions. The ideality factor increased from 1.17 to 3.05, while the barrier height decreased from 0.87 eV to 0.62 eV under increasing illumination. In addition, the device exhibited high photocurrent, enhanced responsivity, and specific detectivity values reaching the order of 1013 Jones. The obtained α=0.97, β=0.42, and γ=0.36 values confirmed stable and reliable power-dependent photoresponse behavior. Antibacterial tests showed that the fabricated device effectively inhibited both Escherichia coli and Staphylococcus aureus strains. The strongest antibacterial activity was achieved under 365 nm UV illumination, while visible-light exposure also provided enhanced activity compared with the dark condition. These results were attributed to Ag⁺ ion release, reactive oxygen species generation, and plasmon-assisted photoactivation processes. Overall, the Au/Gelatin:Ag NP/p-Si/Al structure offers a promising next-generation multifunctional optoelectronic platform combining high photodetector performance, low-cost fabrication, biocompatibility, and light-enhanced antibacterial functionality.
Keywords
Photodiode, I-V, Photosensitivity, Detectivity, Gelatin:Ag NP
Supporting Institution
Hakkari University
Project Number
Hakkari Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Bütçesi No: FM26BAP1
Ethical Statement
The authors declare that this manuscript is original, has not been published previously, and is not under consideration for publication elsewhere. All authors have read and approved the final version of the manuscript and agree with its submission. The study did not involve human participants, human data, animal experiments, or clinical procedures; therefore, formal ethical committee approval was not required. All experimental procedures were conducted in accordance with relevant institutional and international standards for materials research. The authors confirm that there are no known ethical issues associated with this work.
Thanks
The diode fabrication part of this study was financially supported by the Scientific Research Projects Coordination Unit of Hakkari University under Project No. FM26BAP1. The authors gratefully acknowledge this support.