Characterization and Optoelectronic Effects of Iridium Doped ZnO Thin Films for Heterojunction Applications

Year 2024, , 96 - 104, 23.08.2024

Seval Aksoy Pehlivanoglu , Özgür Polat

https://doi.org/10.19113/sdufenbed.1345637

Abstract

In this investigation, the sol-gel spin coating technique was utilized to fabricate ZnO and ZnO films doped with Iridium (Ir) onto p-Si substrates. The objective was to analyze their optical and morphological characteristics and assess their potential for heterojunction applications. Morphological inspection and optical evaluation were carried out by Atomic Force Microscopy (AFM) and Ultraviolet-visible (UV-VIS) studies, respectively. With the incorporation of Ir, the optical band gap of ZnO films reduced from 3.21 eV to 3.08 eV. Analysis of AFM images revealed that Ir substitution led to a reduction in the roughness of the surface of the fabricated films. The optoelectrical features of the heterojunction structures were examined under varying illumination levels and in dark conditions. Upon evaluating the optoelectrical characteristics of the produced diodes, it was observed that the ideality factor (n) and the barrier height declined, while series resistance (Rs) increased with the introduction of Ir. These findings emphasize that the inclusion of Ir into the ZnO structure has a discernible impact on optical parameters.

Keywords

ZnO, Ir doping, sol gel spin coating, AFM, photodiodes

Heteroeklem Uygulamaları için İridyum Katkılı ZnO İnce Filmlerin Karakterizasyonu ve Optoelektronik Etkileri

Abstract

Bu çalışmada, İridyum (Ir) katkılı ZnO ve ZnO filmleri, sol-jel spin kaplama tekniği kullanılarak p-Si alttaşlar üzerine kaplanmıştır. Amaç, optik ve morfolojik özelliklerini analiz etmek ve heteroeklem uygulamaları için potansiyellerini değerlendirmekti. Morfolojik inceleme ve optik değerlendirme sırasıyla Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ve Ultraviyole-görünür (UV-VIS) çalışmaları ile gerçekleştirilmiştir. Ir'nin katkılanmasıyla, ZnO filmlerin optik bant aralığı 3,21 eV'den 3,08 eV'ye düşürüldü. AFM görüntülerinin analizi, Ir ikamesinin üretilen filmlerin yüzey pürüzlülüğünde bir azalmaya yol açtığını ortaya çıkardı. Heteroeklem yapılarının optoelektriksel özellikleri, değişen aydınlatma şiddetleri altında ve karanlık koşullarda incelenmiştir. Üretilen diyotların optoelektrik özellikleri değerlendirildiğinde idealite faktörü (n) ve bariyer yüksekliğinin düştüğü, Ir'nin devreye girmesiyle seri direncin (Rs) arttığı gözlenmiştir. Bu bulgular, Ir'nin ZnO yapısına dahil edilmesinin optik parametreler üzerinde fark edilebilir bir etkiye sahip olduğunu vurgulamaktadır.

Keywords

ZnO, Ir katkılama, sol-jel döndürmeli kaplama, AFM, fotodiyotlar

References

• Zhang, T., Li, M., Chen, J., Wang, Y., Miao, L., Lu, Y., He, Y., 2022. Materials Science & Engineering R 147 100661.
• Sharma, P., Hasan, M. R., Mehto, N. K., Deepak, Bishoyi, A., Narang, J., 2022. Sensors International 3, 100182.
• Atay, F., Gultepe, O., 2022. Applied Physics A 128:99.
• Agrohiya, S., Dahiya, S., Goyal, P. K., Rawal, I., Ohlan, A., Punia, R., and Maan, A. S., 2022. ECS Sensors Plus, 1 043601.
• Mahajan, L.M., 2023. Materials Today: Proceedings 73 464–467.
• Khan, A. R., Ramzan, M., Imran, M., Zubair, M., Shahab, S., Ahmed, S. J., Ferreira, F. and Iqbal, M. F., 2023. Coatings, 13(1), 34.
• Zubkins, M., Kalendarev, R., Gabrusenoks, J., Plaude, A., Zitolo, A., Anspoks, A., Pudzs, K., Vilnis, K., Azens, A., J. Purans, 2017. Thin Solid Films 636 694–701.
• Babajani, N., Jamshidi, S., 2019. Journal of Alloys and Compounds 782 533-544.
• Dhanalakshmi, M., Saravanakumar, K., Lakshmi Prabavathi, S., Muthuraj, V., 2020. Inorganic Chemistry Communications 111 107601.
• Dhyani, A. M., Nautiyal, A., Kumar, N., Rathi, S., Kumar, D., 2023. Materials Today: Proceedings 73 195–199.
• Joshi B. C., and Chaudhri, A. K., 2022. ACS Omega, 7, 21877−21881.
• Caglar, Y., Ilican, S., Caglar, M., Yakuphanoglu, F., 2010. J Sol-Gel Sci Technol 53:372–377.
• Yadav, A. B., Rawat, G., Sannakashappanavar, B. S., 2022. Materials Today Communications 31 103751.
• Sengun, P., Tumerkan Kesim, M., Caglar, M., Savaci, U., Turan, S., Sahin, İ., Suvaci, E., 2020. Powder Technology 374 214–222.
• Yakuphanoglu, F., Ilican, S., Caglar, M., Caglar, Y., 2010. Superlattices and Microstructures 47 732743.
• Elsheikh, N. Y., Battisha, I. K., Arais, A. A., Shams, M.S. 2022. Egypt. J. Chem. Vol. 65, No. SI:13B pp. 949 – 957.
• Ţalu, S., Boudour, S., Bouchama, I., Astinchap, B., Ghanbaripour, H., Saeed Akhtar, M., Zahra, S., 2022. Microsc Res Tech. 85:1213–1223.
• Zekry, A., 2019. Electronic Devices with Physical Insight, Ain Shams University, LAP LAMBERT Academic Publishing, May 16.
• Polat, O., Caglar, M., Coskun, F.M., Coskun, M., Caglar, Y., Turut, A., 2020. Vacuum 173, 109124.
• Polat, O., Coskun, F.M., Yildirim, Y. et al. 2023. Appl. Phys. A 129, 198.
• Kubelka, P., Munk, F., 1931. A contribution to the optics of pigments. Z. Technol. Phys. 12, 593–599.
• Chi, P.W., Wei, D.H., Wu, S.H., Chen, Y.Y., Yao, Y.D., 2015. RSC Adv., 5 pp. 96705-96713.
• Chao, C.H., Chi, P.W., Wei, D.H., 2016. J. Phys. Chem. C, 120, pp. 8210-8219.
• Sze, S.M., 1981. Physics of Semiconductor Devices. 3rd. WILEY. 578s.
• Norde, H., 1979. J. Appl. Phys. 50 5052.
• Li, Y., Li, Y., Zhang, J., Tong, T., Ye, W., 2018. J. Phys. D. Appl. Phys. 51, 095104.
• Polat, O., Coskun, M., Efeoglu, H., Caglar, M., Coskun, F.M., Caglar, Y., Turut, A., 2021. J. Phys. Condens. Matter 33, 035704.
• Ilican, S., Caglar, M., Aksoy, S., Caglar, Y., 2016. J. Nanomater. 2016, 6729032.
• Karatas¸, S., Yildirim, N., Türüt, A., 2013. Superlattice. Microst. 64 483–494.
• Aksoy Pehlivanoglu, S., 2021. Physica B: Condensed Matter Volume 603, 15 February, 412482.
• Giri, P., Chakrabarti, P., 2016. Superlattice. Microst. 93 248–260.
• Ko, C.J., Lin, Y.K., Chen, F.C., Chu, C.W., 2007. Appl. Phys. Lett. 90, 063509.
• Xu, X., Shukla, S., Liu, Y., Yue, B., Bullock, J., Su, L., Li, Y., Javey, A., Fang, X., Ager, J.W., 2018. Phys. Status Solidi Rapid Res. Lett. 12 1700381.
• Postica, V., Hoppe, M., Grottrup, J., Hayes, P., Robisch, V., Smazna, D., Adelung, R., Viana, B., Aschehoug, P., Pauporte, T., Lupan, O., 2017. Solid State Sci. 71 75–86.
• Bube, R.H., 1960. Photoconductivity of Solids, Wiley, New York.
• Khusayfan, N.M., 2016. J. Alloys Compd. 666 501–506.
• Mekki, A., Dere, A., Mensah-Darkwa, K., Al-Ghamdi, A., Gupta, R.K., Harrabi, K., Farooq, W. A., El-Tantawy, F., Yakuphanoglu, F., 2016. Synth. Met. 217 43–56.
• Kazim, S., Ali, V., Zulfequar, M., Mazharul Haq, M., Husain, M., 2007. Phys. B Condens. Matter 393 310–315.
• Amiruddin, R., Santhosh Kumar, M.C., 2017. Nanosci. Nanotechnol. Lett. 9 489–495.
• Tan, L., Curtis, M.D., Francis, A.H., 2003. Chem. Mater. 15 2272–2279