Çoklu ölçekte kendiliğinden oluşan üç boyutlu eşyösüz rastgele silisyum kuvantum nokta ağı.

The most important problem limiting the impact of nanotechnology is probably the difficulty in effectively linking nanoscale materials and processes to the macroscopic world. Topology and material properties are intricately coupled and conditions that pertain to atomic, microscopic and macroscopic scales are often seemingly mutually exclusive. This thesis introduces a state-of-the-art nanostructure that hierarchically builds itself from the atomic to the microscopic scales, which can connect to the macroscopic world without detracting from its nanoscale properties. The three dimensional anisotropic random network of silicon quantum dots is largely isotropic in the atomic scale but it grows to become anisotropic in the microscopic scale. We show that quantum confinement is preserved and the current flows through the network without relying on inefficient tunnelling currents. Former pertains to the atomic scale and latter manifesting at the microscale; these two scale-dependent features were thought to be mutually exclusive prior to this thesis. The structure is self-assembled from a silicon-rich silicon oxide thin film. Microscale self-assembly is kinetically driven under nonequilibrium conditions established by magnetron sputter deposition and relies on control of surface diffusion through a surface temperature gradient. Atomic scale self-assembly is chemically driven under local nonequilibrium conditions provided by fast stochastic deposition and relies on control of phase separation by stabilizing nominally unstable suboxides. We show that our fabrication methodology is inherently modular, material-independent, and is not affected substantially by the initial conditions, as self-assembly under nonequilibrium conditions and nonlinear dynamics sweeps aside a large number of factors that influence the details of thin-film growth, but provides simple a couple of “rules” with clearly identifiable corresponding experimental conditions to determine the final morphology.Ph.D. - Doctoral Progra

Gözenekli si ve ge nanoyapılarının ileri teknoloji güneş gözelerine uygulanması

TÜBİTAK MFAG01.04.2014Uluslararası ikili işbirliği projesi olan bu çalışmada amaca uygun olarak gözenekli silisyum ve germanyum nanoyapılar silisyum oksit matris içerisinde büyütülmüş ve optoleektronik aygıt üretiminde kullanılmıştır. Söz konusu yapıları elde edebilmek için silisyum ve germanyum-zengin silisyum oksit ince filmler fiziksel yolla buhar depolama yöntemlerinden yararlanarak üretilmiş ve kristal oluşumunu sağlamak için de yüksek sıcaklık fırını, hızlı termal tavlama ve lazer tavlama yöntemleri gibi farklı teknikler kullanılarak tavlanmıştır. Bu sayede farklı boyutlarda nanokristaller oluşturulmuş ve elde edilen yapıların optik band aralığının değişken olması sağlanmıştır. Böylece bu proje ile güneş spektrumundan daha fazla ve daha verimli yararlanmak amaçlı optik band aralığı ayarlanabilir malzemeler üretmiş bulunmaktayız. Öte yandan ürtetilen filmler, aygıt üretiminde gerekli olan elektrik akım geçişini sağlamk açısından da istenen şartları sağlamıştır. Böylece proejnin en önemli hedefi olan kuantum etkileri koruyarak, iletken tabakaların elde edilmesi hedefine ulaşılmıştır. Daha sonra bu yapılar, heteroeklem türü p-n eklemlei üretilmiş ve bu eklemlerin elektro- optik özellikleri belirlenmiştir. Si nanoyapılı örnekler güneş gözesi özellikleri sergilerken, Ge nanoyapılı örnekler de daha çok fotoalgılama yeteneği öne çıkmıştır. Bu çalışma ile ilk defa üretilen ve umut verici sonuçlar veren bu tür aygıtların daha da geliştirilmesi için yeni çalışmaların yürütülmesi gerekmektedir. Proje önerisi 24 ay gibi nispeten kısa bir sürede çok sayıda iş yapmayı hedefleyen bir proje olarak sunulmuştur. Uluslararası bir organizasonu da içeren zorlu bir programı olanproje hedeflerine büyük ölçüde ulaşmıştır. Çok sayıda deney ve çalışma yürütülmüştür. Bu çalışmaların bir özeti bu sonuç raporunda sunulmuştur.In this international bilateral cooperation project, silicon and germanium nanostructures embedded in silicon oxide matrix have been produced, optimized and used in some optoelectronic devices. In order to obtained these new material types, Si and Ge materials were co-sputtered together with SiO2 on a substrate, and annealed using conventional and rapid thermal annealing systems as well as laser annealing systems. In this way, nanostructures embedded in a dielectric matrix have been obtained. Such nanostructures are expected to yield materials with tunable band gap which depends on this size of the nanoparticles. A device having different band gap is expected to provide a more efficient light harvesting from the solar radiation. On the other hand, when these nanostructure are somehow interconnected, electrical transport becomes more feasible, which is contrary to the case where isolated nanocrystals are used. We have reached this goal through a series of experiments during this project. We have shown that both electrical transport and quantum confinement can be obtained in the same material system. After having optimized the material system, we have applied them to heterojunction type p-n diodes for demenstration. Devices with Si nanostructure have exhibited solar cell properties with weak efficiency, while those with Ge nanostructures have shown photodiode features only. These type of device have been produced for he first time in this project. They have shown some promising features. However, they need to be studied and optimized for an actual appliction. This porject was submitted as an ambitious study to be performed in a relatively short time. In addition to its scientific and tecjhnical program, it also included international oragnization tasks, which sometimes slows down the prject execution In spite of laa these difficulties, and the heavy content, we have achived most of goals through extensive experiments and studies. Below, we present a summary of our project acitivities and the results obtained from these studies