Metal (Cu, Au)-gözenekli silisyum eklemlerin elektriksel özellikleri

Abstract

Tek kristal n-tipi silisyum üzerinde, elektrokimyasal anodizasyon yöntemi ile gözenekli silisyum (GS) tabakaları elde edildi. Büyüme şartlan (anodizasyon zamanı, akım yoğunluğu) değiştirilerek, özdirenci 4,5xl06 Qcm, kalınlığı 3-20 um, gözenekliliği % 35-85 aralığında olan GS tabakalar elde edildi. Si altlıklardan ayrılmış GS ince filmlerin optik soğurma spektrumu alınarak yasak enerji aralığı belirlendi (% 70 gözeneklilikte, Eg=l,92 eV). Elektron bombardımanı buharlaştırma yöntemi ile Cu-GS-Si ve Au-GS-Si eklemleri elde edildi. Cu-GS-Si ve GS-Si eklemlerin SEM analizleri yapıldı. Gözeneklerin koni biçiminde olduğu ve ortalama çaplarının 5-8 um olduğu belirlendi. Eklemlerin ayrı ayrı (Cu(Au)-GS, Cu(Au)-Si ve GS-Si) farklı ortamlardaki (oda şartları, karanlık ve aydınlık, nem, H3BO3, Na2B4C>7.5H20, NaBHU çözeltilerine daldırılarak) akım-gerilim karakteristikleri incelendi. Cu-GS ve Au-GS eklemlerinin normal oda şartlarında (300K, 45% RH) potansiyel engel yükseklikleri sırasıyla ®b= 0,24 eV ve Ob=0,18 eV olarak hesaplandı. Nem ortamının Cu(Au)-GS eklemlerin akım-gerilim karakteristiklerine, açık devre gerilimine ve kapasitansma etkisi görüldü. Eklemdeki metal film kalınlığının (Cu, Au) ve GS tabakasının gözenekliliğinin nem ortamındaki uyarılan voltaja etkisi incelendi. Nem ortamında Cu(Au)- GS eklemlerinde açık devre geriliminin oluşması, hidrojenin (protonların) dışarıdan Cu(Au)- GS sınır bölgesine difüzyonu ve burada elektrik yüklerin ayrılması (potansiyel farkının meydana gelmesi) ile yorumlandı. Hidrojen difüzyonu ile Voc (açık devre gerilimi)'nin oluşma mekanizması, GS ve Au-GS filmlerin kızıl ötesi soğurma spektrumları (FTIR) ile desteklendi. Cu(Au)-GS eklemlerindeki açık devre geriliminin hava ve nem ortamında zamanla değişimi ölçümlerinden hidrojenin ve oksijenin sıcaklığa bağlı difüzyon katsayıları hesaplandı. Hidrojen difüzyon katsayısının GS filmlerde 50-80°C aralığında nem ortamında (70% RH) D=l,3xlO"2exp(-0,25/kT) olarak artışı gözlendi. Ayrıca bu çalışmada oksijen difüzyon katsayısının Cu filminde 60-200°C aralığında (80% RH) D=5,2xlO"7exp(-0,44/kT) olarak değiştiği elde edildi. Cu(Au)-GS eklemlerin yüksek duyarlılığa sahip (10 mV/% RH) nem sensörü gibi kullanımı önerildi. Bu nem sensörlerinin tepki zamanı 2-3 saniye olarak bulundu. Sensörlerin kararlılığı çalışma zamanına bağlı incelendi. Benzer bir düşünce ile Cu(Au)-GS eklemleri hidrojen içeren farklı sıvılara (su, şekerli su, tuzlu su, etanol, metanol, H3BO3, KOH, Na2B407.5H20, NaBEU) daldırıldı, voltaj ve kısa devre akımı ürettiği gözlendi. Au-GS pillerin en yüksek voltaj ve akım değerleri, Na2B407.5H20 (VOC=550 mV, Isc= 7 mA/cm2) ve NaBH4 (Voc=500 mV, Isc= 24 mA/cm2) çözeltilerine daldırıldığında gözlendi. Birkaç eklemin seri veya paralel bağlanması voltajın veya akımın artışına neden olur. Böylece Au(Cu)-GS eklemleri elektrik üretimi için hidrojen pili olarak çalışabilir.