1. Giriş ve Çalışmanın Amaçları Son yıllarda elektronik alanındaki gelişmeler, organik yarı iletken ince filmlerin kullanıldığı organik elektronik aygıtların üretimi, teknolojik uygulamaları ve geliştirilmesi üzerine yoğunlaşmıştır. Bu tür yapılar, Organik Işık Yayan Diyotlar (OLED), Organik Fotovoltaikler (OPV) ve Organik Alan Etkili Transistörler (OFET) gibi çeşitli uygulamalarda kendine yer bulmaktadır. Organik polimer/moleküller, inorganik yarı iletkenlere benzer özellikler gösterdikleri içi n elektronik aygıtlarda kullanılabilmekte ve en önemlisi düşük üretim maliyeti gibi önemli bir avantaj sunmaktadır. Bu tez çalışmasının temel amacı, organik yarı iletken polimerleri katkılandırma yoluyla daha verimli hale getirerek elektronik aygıtların performansına katkıda bulunmaktır. Bu amaca ulaşmak için: Organik yarı iletken polimerlerden farklı çözücüler içerisinde ince filmler oluşturulmuştur. Farklı polimerlerin farklı çözücüler kullanılarak yeni filmleri üretilmiştir. Solüsyonlara katkılandırma (doping) işlemi yapılmıştır, böylece farklı polimerlerin farklı çözücülerde ve farklı oranlarda katkı maddesiyle ince filmleri oluşturulmuştur. Oluşturulan numunelerin spektroskopik, morfolojik ve elektriksel özellikleri detaylı olarak incelenmiştir. Özellikle elektriksel iletkenlik analizleri kritik öneme sahiptir. Çalışmanın ilk aşamasında P3HT (Poly (3-hexylthiophene)), ikinci aşamasında P3HT/CSA kompozitleri ve üçüncü aşamasında MEH-PPV (Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene) polimerine artan oranlarda Camphor Sulfonic Acid (CSA) katkısı eklenerek özellikleri incelenmiştir. 2. Ana Temalar ve Önemli Bulgular 2.1. Organik Elektronik Aygıtlar ve Polimerlerin Önemi Organik yarı iletkenler ve katkılandırmaları, elektronik aygıtlarda verimliliği artırma konusunda önemli bir rol oynamaktadır. OLED (Organik Işık Yayan Diyot): En fazla ilgi çeken organik aygıtlardan biridir. Hafif, esnek ekranlar ve aydınlatma alanında kullanılırlar. İki elektrot arasına elektrolüminesans tabakanın eklenmesiyle oluşur ve potansiyel uygulandığında ışık yayarlar. OSC (Organik Güneş Hücresi): Güneş ışığını aktif polimer tabakası ile absorplayarak doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren cihazlardır. Elektron-hol çiftleri oluşturarak akım üretirler. OFET (Organik Alan Etkili Transistör): Kaynak, savak ve geçit elektrotlarından oluşan üç terminalli aygıtlardır. Polimerler, çok sayıda monomerin kovalent bağ ile bağlanmasıyla oluşan uzun zincirli yapılardır. Zincir biçimleri (doğrusal, dallanmış, çapraz bağlı) polimerin özelliklerini değiştirir. Polimerlerin elektrik iletkenliği, malzemelerin önemli bir karakteristiğidir. Shirakawa, MacDiarmid ve Heeger, poliasetilen filminin katkılandırma ile orijinal halinden 10⁹ kat daha iletken olduğunu gözlemlemiş ve bu keşif 2000 yılında Nobel ödülüne layık görülmüştür. 2.2. Fiziksel Analiz Yöntemleri Çalışmada numunelerin özelliklerini belirlemek için çeşitli fiziksel analiz yöntemleri kullanılmıştır: Morfolojik Analiz Yöntemleri:Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM): Malzemelerin yüzeylerini mikrometreden nanometreye kadar 3 boyutlu görüntüleyebilen bir yöntemdir. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM): Numunelerin yüzeyini detaylı olarak tarayarak topografi ve kompozisyon hakkında bilgi veren bir elektron mikroskobudur. Spektroskopik Analiz Yöntemleri:UV Absorpsiyon Spektroskopisi: Atom veya moleküllerin dışarıdan ışık enerjisi alarak uyarılmış enerji seviyelerine geçmesini (absorpsiyon) inceler. Organik polimerlerde HOMO seviyesi valans bandına, LUMO seviyesi ise iletkenlik bandına karşılık gelir ve bu iki orbital arasındaki enerji farkı yasak enerji bant aralığı olarak kabul edilir. Fotolüminesans Emisyon Spektroskopisi (PL): Uyarılmış seviyelerdeki elektronların enerjilerini farklı yollarla kaybederek kararlı duruma gelme süreçlerini inceler. Floresans geçişleri gerçekleştiren moleküller, polimerler, faz geçişleri, sensör tasarımları ve biyolojik ortamlardaki protein etkileşimleri gibi birçok alanda önemlidir. Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR): Moleküler bağ karakterizasyonu yaparak organik bileşiklerin yapısındaki fonksiyonel grupları, bağ durumlarını ve yapının aromatik ya da alifatik olup olmadığını belirler. Elektriksel Analiz Yöntemleri:DC İletkenlik: "İki nokta metodu" ile ince filmlerin direnci (R) ve iletkenliği (σ) hesaplanır. Yarı iletkenlerde iletkenlik sıcaklıkla doğru orantılıdır: σ = σ₀ * exp(-Ea/kT). Ea aktivasyon enerjisidir. Dielektrik Spektroskopi: Bir ortamın dielektrik özelliklerini frekansın bir fonksiyonu olarak ölçer. Dielektrik sabiti (ε') enerji depolama miktarını, kayıp faktörü (ε'') ısı şeklinde yayılan enerjiyi gösterir. Kompleks elektrik modülü (M*) ve empedans (Z*) analizleri de elektriksel özellikleri anlamak için kullanılır. 2.3. Deneysel Çalışma ve Bulgular Çalışmada P3HT ve MEH-PPV polimerleri, m-cresol ve p-xylene çözücüleri kullanılarak ince filmler halinde üretilmiş ve Camphor Sulfonic Acid (CSA) ile katkılandırılmıştır. 2.3.1. P3HT Polimeri Üzerine CSA Etkisi Optik Spektroskopik Analiz (UV Absorpsiyon):P3HT polimeri için m-cresol çözeltisi, p-xylene'e göre kızılötesi bölgede daha yüksek soğurma sağlamıştır. CSA katkısı, soğurmayı kızılötesi bölgede artırmıştır. Özellikle 650 nm ile 900 nm arasındaki soğurma yükselmesi, polaron etkisi ve m-cresol'ün ikinci katkılama görevi görmesiyle ilişkilendirilmiştir. Solüsyon sıcaklığı da absorpsiyonu etkilemiş; 70°C'de hazırlanan numunelerde 520 nm, 550 nm ve 600 nm'deki tüm pikler gözlemlenmiştir. Bu, "0-0, 0-1 ve 0-2 geçişleri" ve moleküller arası agregasyonlarla açıklanmıştır. Yüzey Morfoloji Analizi (SEM ve Optik Mikroskop):Tüm numunelerde amorf yapı gözlenmiştir. CSA miktarı arttıkça polimer matristeki CSA moleküllerinin kümelenme eğilimi artmıştır. Özellikle 100x büyütmede nanoçubuk sayısının ve uzunluğunun arttığı, 500x büyütmede ise kümelenmenin belirginleştiği görülmüştür. Bu morfolojik değişimler, UV absorpsiyon analizinin sonuçlarını desteklemiştir. DC İletkenlik Analizi:CSA katkısı, P3HT'nin DC iletkenliğini sıcaklıkla birlikte doğrusal olarak artırmıştır. Katkısız P3HT'nin eğimi 7.04x10⁻⁹ S/cm.K iken, 40mg CSA katkılı P3HT'nin eğimi 1.31x10⁻⁶ S/cm.K olarak hesaplanmıştır. Aktivasyon enerjisi (Ea) Arrhenius denklemi kullanılarak hesaplanmış ve CSA katkısı ile Ea değeri 0.605 eV'den 0.302 eV'ye düşmüştür. Bu düşüş, optoelektronik cihazların performansını artırmada CSA dopinginin önemli bir yol olduğunu göstermektedir. Dielektrik Spektroskopi:Tüm numuneler için dielektrik sabitinin (ε') gerçek kısmının frekansa bağlı davranışları benzerdir. Düşük frekanslarda (yaklaşık 20 Hz) ε' değerleri 1051 ile 8086 arasında değişirken, yüksek frekanslarda (yaklaşık 10 MHz) katkısız P3HT 9.3, CSA katkılı numuneler ise 13-15 aralığında değerler almıştır. Frekans artışıyla ε'deki azalma, Maxwell-Wagner arayüzey polarizasyonu ile uyumludur. Düşük frekanslardaki yüksek ε' değerleri, tanecik sınırlarındaki hopping mekanizmasıyla yük geçişlerine atfedilmiştir. 0.011M CSA katkılı S2 numunesi, düşük frekanslar için en yüksek yük depolama özelliğine (yaklaşık 10,000 civarında ε') sahip olmuştur. Gevşeme gücü (Δε') tüm katkılı numunelerde katkısız P3HT'den daha büyük çıkmış, bu da CSA katkısının dipol oryantasyonunu kolaylaştırarak polarizasyonu artırdığını göstermiştir. Dielektrik tanjant (tanδ) ve ε'' (kayıp faktörü) analizleri, artan CSA katkısının polarizasyonu ve dolayısıyla dielektrik kaybı artırdığını göstermiştir. Yüksek frekanslarda polarizasyonun etkisiz olduğu görülmüştür. Elektrik modülü (M' ve M'') analizleri, düşük frekanslarda M' değerlerinin küçük olmasını arayüzey polarizasyonuna bağlamıştır. M'' spektrumunda belirgin pikler gözlenmiş olup, 0.011 M CSA katkılı S2 numunesinin pik frekansı yüksek olduğu için gevşeme süresinin düşük ve yük taşıyıcılarının atlama olasılığının yüksek olduğu sonucuna varılmıştır. Cole-Cole eğrileri, malzeme içinde gevşeme süreçlerinin ve Debye modeline uymayan farklı gevşeme zamanlarının varlığını göstermiştir. Faz açısı analizi, düşük frekanslarda direnç etkisini, orta ve yüksek frekanslarda ise kapasitif etkiyi göstermiştir. Katkısız P3HT'nin faz açısı yüksek frekanslarda -90°'ye yaklaşarak süper-kapasitif etkiyi ima ederken, CSA katkısı bu özelliği azaltmıştır. Empedans analizi (Z'), CSA katkısının P3HT polimerindeki iletkenliği yaklaşık 100 kat artırdığını, özellikle 0.011 M CSA katkılı S2 numunesi için empedans değerinin Z'=5.6×10⁵ Ω'dan Z'=4.2×10³ Ω'a düştüğünü göstermiştir. AC iletkenlik değerleri, 0.011 M CSA katkılı S2 numunesinin en iyi iletkenliğe sahip olduğunu ortaya koymuştur. AC iletkenlikteki artış, hopping mekanizmasıyla ilişkilendirilmiştir. Belirli bir değerden sonra CSA miktarının artışı, polimer zincirlerindeki yığılmanın azalması nedeniyle iletkenlikte düşüşe neden olmuştur. 2.3.2. MEH-PPV Polimeri Üzerine CSA Etkisi Yüzey Morfolojik Analiz (AFM ve SEM):AFM görüntülerinde, CSA miktarı arttıkça yüzeyin daha pürüzlü hale geldiği (RMS pürüzlülük değerleri S-0 için 7.8 nm'den S-4 için 70.4 nm'ye yükselmiştir) ve kümelenmenin arttığı gözlemlenmiştir. SEM görüntülerinde de benzer şekilde, CSA katkısıyla yapıda kümeler oluştuğu ve artan CSA miktarı ile bu kümelerin boyutlarının büyüdüğü görülmüştür. Bu, CSA'nın bir proton kaynağı olarak elektriksel iletkenliğe katkı sağlayacağını göstermiştir. Optik Spektroskopik Analiz (PL ve UV Absorpsiyon, FTIR):PL Emisyon: CSA miktarı arttıkça PL emisyonda belirgin düşüş gözlenmiştir. CSA eklenmiş MEH-PPV numuneleri için maksimum yoğunlukların dalga boyları, CSA nedeniyle 595 nm'den 585 nm'ye ve 630 nm'den 625 nm'ye doğru "maviye kayma" göstermiştir. UV Absorpsiyon: Katkısız MEH-PPV 500 nm'de maksimum pik vermiştir. CSA'nın etkisiyle 500 nm'den 505 nm'ye küçük bir "kızıla kayma" ve 600 nm ile 800 nm arasında absorpsiyon artışı gözlenmiştir. FTIR: CSA miktarı arttıkça absorpsiyon pik değerlerinin arttığı ve 2157-2028 cm⁻¹ aralığında zayıf C≡C bağının CSA etkisiyle oluştuğu gözlemlenmiştir. Belirli piklerde (3057, 2922, 2866, 1201, 1035, 965, 853 ve 695 cm⁻¹) azalma görülmüştür. Yeni bir C=O piki 1741 cm⁻¹ konumunda oluşmuştur. DC İletkenlik Analizi:Oda sıcaklığında maksimum iletkenlik S-3 numunesi için ~2.17×10⁻⁵ S/cm olarak ölçülmüştür. DC iletkenlik sıcaklıkla lineer bir şekilde artmıştır. Bu sonuç, CSA miktarının iletkenlik bandındaki elektron popülasyonunu artırdığını göstermektedir. Aktivasyon enerjisi (Ea) MEH-PPV'de CSA katkısıyla değişmiştir. Katkısız MEH-PPV için Ea 0.65 eV iken, çoğunlukla katkılı MEH-PPV için 0.31 eV'ye düşmüştür. Ancak en yüksek katkılı S-4 numunesinde aktivasyon enerjisi 1.00 eV'ye çıkarak DC iletkenliği azaltmıştır. Bu, belirli bir doping seviyesine kadar iletkenlik ve absorpsiyonun arttığını, sonrasında ise sistemde bozulma ve polaron dağılımına neden olduğunu doğrulamaktadır. Dielektrik Spektroskopik Analiz:CSA katkısı, MEH-PPV matrisinde elektriksel polarizasyonda dikkate değer bir iyileşmeye neden olmuştur. S-0 ve S-4 örnekleri karşılaştırıldığında, 20 Hz'de yaklaşık 23 kat, 15 MHz'de ise yaklaşık 5.4 kat artış belirlenmiştir. CSA katkısı, frekans aralığının genişlemesini sağlamıştır; katkısız MEH-PPV'de güçlü frekans bağımlılığı dar bir düşük frekans bölgesinde (~100 Hz'e kadar) gözlenirken, en yüksek CSA katkılı S-4 kompozitinde frekans bağımlılığı yaklaşık 1 MHz'e kadar devam etmiştir. Dielektrik analizleri, numunelerde Debye dışı gevşeme ve Maxwell-Wagner polarizasyonunun varlığını göstermiştir. En yüksek CSA katkısı ile MEH-PPV'nin enerji depolama kapasitesinin arttığı, dielektrik kaybının ise azaldığı görülmüştür. Bu, CSA katkısının MEH-PPV'yi enerji depolama uygulamaları için umut vadeden bir malzeme haline getirdiğini göstermektedir. Elektrik modülü analizinde, CSA katkısı arttıkça elektrot polarizasyon etkisinin bastırıldığı ve elektronik iletimdeki artışa bağlanabilecek bir düşüş gözlemlenmiştir. Tanecik sınırı (grain boundary) direncinin, artan CSA miktarıyla azaldığı belirlenmiştir. Bu durum, tanecik sınırlarının yalıtkan olması ve taneciklerin iletkenliğinin onlara göre daha iyi olmasıyla açıklanabilir, bu da Maxwell-Wagner tipi arayüz polarizasyonu ile uyumludur. Cole-Cole eğrileri, katkısız numunelerde tamamlanmamış bir yarım çember oluşurken, CSA katkısıyla tamamlanmaya başladığını ve yüksek frekanslarda ikinci bir yarım çember oluşumunun tanecik dağılımını temsil ettiğini göstermiştir. 3. Sonuç ve Öneriler Bu çalışma, organik yarı iletken polimerlerin (P3HT ve MEH-PPV) Camphor Sulfonic Acid (CSA) ile katkılandırılmasının, bu malzemelerin optik, morfolojik ve elektriksel özellikleri üzerindeki etkilerini detaylı bir şekilde incelemiştir. Genel Bulgular: CSA katkısı, hem P3HT hem de MEH-PPV polimerlerinde ince film morfolojisini değiştirerek kümelenmeleri ve nanoçubuk oluşumlarını artırmıştır. Her iki polimerde de CSA katkısı, soğurma spektrumunda belirgin değişimlere ve iletkenlikte artışa neden olmuştur. Özellikle DC iletkenlik değerleri ve aktivasyon enerjisi CSA katkısıyla önemli ölçüde iyileşmiştir. Dielektrik analizler, CSA katkısının polarizasyonu artırdığını, enerji depolama kapasitesini yükselttiğini ve dielektrik kayıplarını azalttığını göstermiştir. Belirli bir doping seviyesine kadar iletkenlik ve absorpsiyonda artış gözlemlenirken, aşırı katkılamanın sistemde bozulmaya veya iletkenlikte düşüşe neden olabileceği belirtilmiştir. Önemli Çıkarımlar: P3HT: M-cresol çözücüsünde CSA ile doping, P3HT filmlerin optik ve elektriksel özelliklerini düzenlemek için önemli bir yoldur. Özellikle 0.011M CSA katkısının en yüksek iletkenlikle sonuçlandığı ve P3HT'nin süper-kapasitif doğasını yüksek frekanslarda koruduğu belirtilmiştir. MEH-PPV: CSA katkısı, MEH-PPV'nin enerji depolama kapasitesini artırırken dielektrik kaybını azaltmıştır. Bu da MEH-PPV matrisini enerji depolama uygulamaları için "umut verici" kılmaktadır. Gelecek Çalışma Önerileri: P3HT'de sınırlı bir yüksek frekans aralığında tespit edilen süper-kapasitif davranışın, diğer asit türleri ve/veya nanopartikül katkı maddeleri denenerek daha geniş bir frekans aralığına genişletilmesi için daha fazla çalışma yapılabilir. Her iki polimer için de katkı oranlarının optimize edilmesi ve uzun vadeli kararlılık testlerinin yapılması önemlidir. Farklı sentez ve kaplama yöntemlerinin optik ve elektriksel özellikler üzerindeki etkileri detaylı olarak incelenebilir. Bu çalışma, organik yarı iletkenlerin elektronik aygıtlar ve enerji depolama uygulamalarındaki potansiyelini artırmak adına önemli bir temel oluşturmaktadır. ... Devamını Oku