TC

DİCLE UumlNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTUumlSUuml

AlZNO İNCE FİLMLERİN OPTİK VE ELEKTRİKSEL

OumlZELLİKLERİNE GAMA IŞINLARININ ETKİLERİ

Ahmet TOMBAK

YUumlKSEK LİSANS TEZİ

FİZİK ANABİLİM DALI

DİYARBAKIR

Haziran 2012

I

TEŞEKKUumlR

Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri Enstituumlsuumlrsquone yuumlksek lisans tezi olarak sunduğum bu

ccedilalışma Sayın Prof Dr Tahsin KILICcedilOĞLU rehberliğinde gerccedilekleştirilmiştir Ccedilalışmam

boyunca hep yanımda hissettiğim yardımlarını ve desteğini hiccedilbir şekilde esirgemeyen hocam

Prof Dr Tahsin KILICcedilOĞLUrsquona teşekkuumlrlerimi sunarım

Laboratuar ccedilalışmalarım sırasında her tuumlrluuml yardımı benden esirgemeyen fikirlerinden

istifade ettiğim ve benimle birlikte ccedilalışmam boyunca verdiği destek ve katkılarından dolayı

Sayın Yrd Doccedil Dr Yusuf Selim OCAK hocama teşekkuumlr ederim

Ccedilalışmalarım esnasında her tuumlrluuml destek ve teşviklerini goumlrduumlğuumlm ve ccediloğu zaman

kendilerini ihmal ettiğim eşime ve oğluma bu suumlre zarfında hep yanımda oldukları iccedilin sonsuz

teşekkuumlr ederim

Bu ccedilalışma aynı zamanda Dicle Uumlniversitesi Bilimsel Projeler Koordinatoumlrluumlğuuml

tarafından ldquoKatkılı ZnOYarıiletken Yapıların Elektriksel ve Optik Oumlzelliklerinin İncelenmesirdquo

isimli ve 12ndashFFndash16 nolu proje ile desteklenmiştir Teşekkuumlrlerimi sunarım

II

İCcedilİNDEKİLER

Sayfa

TEŞEKKUumlRhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I

İCcedilİNDEKİLERhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip II

OumlZEThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IV

ABSTRACThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip V

CcedilİZELGE LİSTESİhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip VI

ŞEKİL LİSTESİhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip VII

KISALTMA VE SİMGELERhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip VIII

1 GİRİŞhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALARhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7

3 MATERYAL ve METOThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemlerihelliphelliphelliphelliphellip 19

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

313 Doumlnel (Spin) Kaplamahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

314 Daldırma (Dip) kaplamahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplamahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

32 Yapısal Oumlzelliklerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

321 X ışınlarıhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

322 Bragg yasasıhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26

33 Optik oumlzelliklerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişlerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27

3311 Doğrudan bant geccedilişihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29

3312 Dolaylı bant geccedilişihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29

332 Geccedilirgenlikhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30

34 Elektriksel Oumlzelliklerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32

341 Hall Etkisihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32

35 Deneysel İşlemlerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

III

351 Altlıkların Temizlenmesihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulmasıhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

353 Yapısal oumlzelliklerin belirlenmesi helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37

354 Yuumlk taşıyıcıların yoğunluğu ve yuumlzey direncinin oumllccediluumllmesihelliphelliphelliphelliphelliphellip 37

355 Optik parametrelerin belirlenmesihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37

356 Gama ışını etkisinin goumlzlenmesihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37

4 BULGULAR VE TARTIŞMAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39

41 Girişhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmlerihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39

43 Optik Oumllccediluumlmlerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıklarıhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41

44 Elektriksel Oumllccediluumlmlerihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

5 SONUCcedil VE OumlNERİLERhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49

6 KAYNAKLARhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51

OumlZGECcedilMİŞhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

IV

OumlZET

AlZNO İNCE FİLMLERİN OPTİK VE ELEKTRİKSEL OumlZELLİKLERİNE GAMA

IŞINLARININ ETKİLERİ

YUumlKSEK LİSANS TEZİ

Ahmet TOMBAK

DİCLE UumlNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTUumlSUuml

FİZİK ANABİLİM DALI

2012

Yarıiletken ZnO ince filmler elektriksel iletkenliği ve optik geccedilirgenliği yuumlksek

malzeme olmalarından dolayı teknolojik accedilıdan pek ccedilok yerde kullanılırlar Bu sebepten

malzemenin uumlretimi ve teknik accedilıdan kullanılabilirliğinin oumllccediluumlmuuml oumlnem kazanmaktadır

Bu ccedilalışmada ccedileşitli altlıklar uumlzerine ZnO ince filminin oluşturulması ve değişik

oranlarda Al katkılanmış ZnO ince filmlerin gama ışımasına maruz bırakılmasından sonra bazı

parametrelerindeki değişim araştırıldı Elde edilen yapının elektrik ve optik oumlzellikleri incelendi

İnce filmlerin elektriksel iletkenlikleri Hall etkisi oumllccediluumlm sistemiyle oda sıcaklığında oumllccediluumllduuml

Bazı optik parametreler UV-Vis spektrometrik youmlntemle tayin edildi Optik parametrelerle ilgili

deneysel bulgular teorik hesaplamalarla karşılaştırıldı Alınan bu oumllccediluumlmler AlZnO yapıların

gama ışımasına maruz bırakılmasının ardından tekrar yapıldı ve değişimler goumlzlendi İnce

filmlerin yapı analizi X ışınları kırınımı ile tayin edildi

Anahtar Kelimeler ZnO katkılama elektriksel iletkenlik gama radyasyonu

V

ABSTRACT

THE INVESTIGATION OF GAMMA RAY EXPOSURE TO ELECTRICAL AND OPTICAL

PROPERTIES OF AL DOPED ZNO STRUCTURES

MSc THESIS

Ahmet TOMBAK

DEPARTMENT OF PHYSICS INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES

UNIVERSITY OF DICLE

2012

As semiconductor ZnO thin films have high electrical conductivity and optical

permeability materials used in most position respect of technological Because of this considers

producting of the material and measuring of using respect of technological

In this study forming ZnO thin films on various substrates and changes some

parameters after gamma ray exposure of ranging Al doped ZnO thin films were investigated

Optic and electrical properties of as-grown films were measured Electrical conductivity was

measured by Hall Effect measurement system at room temperature Some optic parameters were

determined by UV-Vis spectrometric method Theoretical calculations on optical parameters

were compared with the ones that were obtained by experimental values These measurements

were made after gamma ray exposure of the thin films and some changes were observed

Structural analysis of the the thin films was made with respect to X ray diffraction data

Key Words ZnO doping conductivity gamma radiation

VI

CcedilİZELGE LİSTESİ

Ccedilizelge No Sayfa

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar 2

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları 41

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri 48

VII

ŞEKİL LİSTESİ

Şekil No Sayfa

Şekil 11 ZnO kristal yapıları 2

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme sisteminin şematize edilmiş hali 21

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 22

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması 26

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma 28

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi 28

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu 33

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı 36

Şekil 38 ZnO ve Al puumlskuumlrtme işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi 36

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi 37

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni 39

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni 40

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni 40

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği 42

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği 42

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği 42

Şekil 47 İnce filmlerin ( )2 ndashenerji grafikleri 43

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 43

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 44

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 44

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 45

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 45

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 46

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 46

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 47

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 47

VIII

KISALTMA VE SİMGELER

A Soğurma

α Soğurma katsayısı

s Yarıiletkenin dielektrik sabiti

AFM Atomik kuvvet mikroskobu

ALD Atomik katman biriktirme

AZO Aluumlminyum katkılı ccedilinko oksit

CVD Kimyasal buhar biriktirme

e Elektronun yuumlkuuml

Eg Yarıiletkenin yasak enerji aralığı

Eph Fonon enerjisi

EL Elektroluumlminesans

eV Elektron volt

FMR Ferromagnetik rezonans

FWHM Tam genişlik yarısı modulasyonu

ITO İndiyum kalay oksit

kGy Kilo grey

LED Işık yayan diyot

LFTS Duumlz yuumlzluuml hedef saccediltırma

MBE Molekuumller ışın epitaksi

me Elektronun etkin kuumltlesi

mh Holuumln (deşik) etkin kuumltlesi

IX

OLED Organik ışık yayan diyot

OMVPE Organometalik buhar fazı epitaksi

PET Polyethylene terephthalate

PL Fotoluumlminesans

PLD Atmalı lazer biriktirme

PVD Fiziksel buharlaştırma biriktirme

R Yansıma katsayısı

RF Radyo frekansı

RH Hall katsayısı

RHEED Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

RTF Oda sıcaklığında ferromanyetizm

SEM Taramalı elektron mikroskobu

T Geccedilirgenlik katsayısı

TCO Şeffaf iletken oksit

TE Termiyonik emisyon

USP Ultrasonik sprey piroliz

UV Mor oumltesi

VH Hall potansiyeli

XPS X ışını fotoelektron spektroskopisi

XRD X ışını kırınımı

ZnO Ccedilinko oksit

AHMET TOMBAK

1

1 GİRİŞ

ZnO hakkındaki bilimsel ccedilalışmalar on yıllar oumlncesine dayanmaktadır Bu

konuya ilginin canlanması yuumlksek kaliteli altlıkların kolay elde edilmesi p tipi iletimin

rapor edilmesi piezoelektrik davranış ve ccedileşitli geccediliş elementlerinin katkılanmasıyla

ferromanyetik oumlzelliklerin keşfedilmesi oldu ZnO oumlrguuml parametrelerinin incelenmesi

1935rsquolere dayanır (Bunn 1935) titreşim oumlzellikleri Raman saccedilılmasıyla 1966rsquoda

incelendi (Damen ve ark 1966) detaylı optik oumlzellik incelemesi 1954 yılında (Mollwo

1954) ve kimyasal buhar taşıma youmlntemiyle buumlyuumltme 1970rsquode başarıldı (Galli ve Coker

1970) ZnOZnTe p-n eklemi 1975rsquode yapıldı ve AlAu omik kontaklar 1978rsquode rapor

edildi (Tsurkan ve ark 1978)

Yuumlksek iyoniklikleri ve geniş bant aralıklarının direkt bant aralığı olması

soğurma ve luumlminesans iccedilin yuumlksek optik geccedilirgenlik olasılığına sahip olmaları

nedeniyle periyodik tablonun IIB ve VIA grubu elementlerinin birleşimi ile oluşan IIndash

VI bileşiklerine olan ilgi buumlyuumlktuumlr Bu bileşiklere CdS CdZnS ZnS ve ZnO gibi

bileşikler oumlrnek olarak verilebilir IIndashVI bileşiklerinin yasak enerji aralığı 18ndash4 eV

civarındadır Bu bileşikler kızıloumltesi dedektoumlrler guumlneş pilleri lazerler ve ccedileşitli

diyotların uumlretiminde oldukccedila yaygın bir şekilde kullanılmaktadır (Fahrenbruch 1977)

Direk ve geniş bant aralıklı materyal olan ZnO ccedileşitli elektronik ve

optoelektronik uygulamalar iccedilin ccedilok ccedilekici bir materyaldir (Reynolds ve Collins 1969)

Son yıllarda geniş bant aralığına sahip yarıiletken malzemelerin teknoloji ve

elektronik biliminde kullanım alanları genişlemiştir Bu malzemelerin teknolojide geniş

ccedilapta kullanılması nedeniyle birbirinden uumlstuumln yanlarının ve daha ucuz elde edilebilme

yollarının araştırılması hız kazanmıştır ZnO ZnS ZnSe GaAs GaN gibi yarıiletkenler

yuumlksek sıcaklık ve yuumlksek ışıma guumlcuuml gerektiren elektronik biliminde LED ve lazer

diyotları gibi kısa dalga boylu (UV ve şiddetli mavindashyeşil) ışık yayan optik aletlerde

kullanılmakta ve daha iyi sonuccedilların elde edilebilmesi iccedilin araştırılmaktadır

Elektromanyetik spektrumun goumlruumlnuumlr boumllgesinde geccedilirgen olan geniş bant

aralığına sahip yarıiletkenler elektronik ve optoelektronik aygıtların uumlretiminde oumlnemli

rol oynamaktadır Geccedilirgen iletken ve yarıiletken oksitlerin en oumlnemli avantajları

kimyasal olarak kararlı olmaları ve farklı altlıklar uumlzerine kolayca depolanabilmeleridir

1GİRİŞ

2

(Minami 2005)

ZnO IIndashVI grup iyonikliği kovalent ve iyonik yarı iletkenler arasında sınırda

olan yarı iletken bir bileşiktir ZnOnun kristal yapıları uumlccedil faz iccedilin vurtzit ccedilinko suumllfuumlr

(blend) ve kaya tuzudur Şekil 1de ZnO molekuumlluumlnuumln farklı kristal yapıları

goumlruumllmektedir Hava ortamında termodinamik olarak kararlı faz vurtzit simetrisidir

Ccedilinko suumllfuumlr yapı ZnO sadece kuumlbik altlık uumlzerine buumlyuumltuumlluumlrse kararlı hale

getirilebilirler

Şekil 11 ZnO kristal yapıları (a) kuumlbik kaya tuzu (b) kuumlbik ccedilinko suumllfuumlr (c) altıgen vuumlrtzit

ZnOnun kristal yapıları teorik hesaplamalarla ve deneysel olarak araştırılıp

rapor edilmiştir Ccedilizelge 11de bazı teorik ve deneysel ccedilalışmaların sonuccedilları

goumlruumllmektedir

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar

Deneysel sonuccedillar Teorik hesaplamalar

Bates ve ark

(1962)

Gerward ve ark (1995)

Desgreniers (1998)

Ahuja ve ark (1998)

Liu ve ark (1986)

Zaoui ve Sekkal

(2002)

Vuumlrtzit

hacim (Aring3)

2382 2378 2379 2360 2383 2383

Kaya tuzu

hacim(Aring3)

1960 1960 1948 1951 1904 1904

Burulma

basıncı

(GPa)

950 900 870 932 932 1045

AHMET TOMBAK

3

ZnO filmlerin ccedileşitli tekniklerle buumlyuumltuumllmesi ve akustik ve optik cihazlarda

kullanılması gibi uygulamalar ilgi ccedileken araştırma konularından bir tanesidir

Uygulamalar uumlzerinde yapılan araştırmalar daha ccedilok ZnOnun muumlkemmel piezoelektrik

oumlzellikleri ve cam safir ve elmas altlıklar uumlzerinde guumlccedilluuml (0001) tercihli youmlnelimle

buumlyuumlme eğiliminde yoğunlaşmaktadır ZnO ince film buumlyuumltmede eski ccedilalışmalarda

magnetron saccediltırma kimyasal buhar biriktirme yaygındı Fakat bu buumlyuumltmelerde filmler

ccediloklu kristal yapıdaydılar Sonraki ccedilalışmalarda yuumlksek kalitede tek kristal filmler radyo

frekansı magnetron saccediltırma ile hazırlandı ve biriktirme işleminin kontrolluuml olarak

gerccedilekleştiği diğer buumlyuumltme teknikleri kullanıldı Bunlar arasında molekuumller demet

epitaksi atmalı lazer biriktirme organometalik buhar fazı epitaksi sayılabilir

Heteroeklem ZnO tabakaları CaF2 (Ma Du ve ark 2005) Si (Dhananjay

Nagaraju ve ark 2007) GaAs (Nag ve Bhattacharya 2010) ve GaN (Asil Gur ve ark

2009) gibi altlıklar uumlzerine de buumlyuumltuumllduuml

Geniş alan ve yuumlksek kalitede ZnO kristallerinin buumlyuumltuumllmesi sadece temel

araştırmalar iccedilin değil aynı zamanda cihaz uygulamaları iccedilin de oumlnemlidir Geniş alan

ve yuumlksek kalitede ZnO tek kristalleri tek kristal katmanın potansiyel avantajlarından

dolayı UV ve mavi UV ışık yayan cihazlar iccedilin faydalıdır

RF magnetron saccediltırma duumlşuumlk veya yuumlksek sıcaklıklarda ccedilalışılabildiğinden ve

filmlerin makul seviyedeki kalitesinden dolayı tercih edilmektedir

Safir altlıklar benzer kafes oumlrguuml yapıları ve ulaşılabilirliğinden dolayı oldukccedila

popuumllerken diğer altlıklar da değişik cihaz uygulamalarında kullanılmaktadır

MBEnin temel avantajı buumlyuumltme parametrelerinin tam kontroluuml ve buumlyuumltme

ortamında filmi inceleme yeterliliğidir Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

(RHEED) geri beslemesiyle ZnO epi katmanları gerccedilek zamanlı olarak izlenebilir

PLD metodunda yuumlksek guumlccedilluuml lazer atmaları malzemeyi hedeften ayırırken alt

tuumlrlerin yuumlzeyde etkileşmesi sonucu biriken malzemenin stokiyometrisinin korunması

iccedilin buharlaştırmakta kullanılır

Diğer buumlyuumltme youmlntemleri arasında kimyasal buhar biriktirme (CVD)

teknolojisi bilhassa ilgi ccedilekmektedir Ccediluumlnkuuml yuumlksek kalitede filmler buumlyuumltmenin yanı

sıra geniş oumllccedilekte uumlretime uygundur Bu teknik değişik GaN tabanlı optoelektronik

1GİRİŞ

4

cihazların uumlretiminde kullanılan epitaksiyel filmlerin uumlretiminde yaygın olarak

kullanılmaktadır ve bu eğilim ZnOnun gelecek uygulamalarında beklenmektedir Bu

teknikle buumlyuumltuumllen ZnO filmler yuumlksek kristallik elektrik ve ışıma oumlzelliği

goumlstermektedirler

ZnOnun kırıcılık indisi gibi optik oumlzellikleri ve işlemleri yıllar oumlnce

araştırılmaya başlandı ZnOya ilginin tekrar uyanmasının nedenleri direkt geniş bant

aralığı (300 Kde Eg=33 eV) yuumlksek eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) ve etkin

ışımalı yeniden birleşmedir Eksiton bağlanma enerjisi goumlreceli olarak geniştir (ZnO

iccedilin 60 meV GaN iccedilin 25 meV) Geniş eksiton bağlanma enerjisi oda sıcaklığında hatta

daha yuumlksek sıcaklıklarda yoğun yakın bant kenarı eksitonik emisyon yolunu

accedilmaktadır Ccediluumlnkuuml bu değer oda sıcaklığı termal enerji değerinin (kBT=25 meV) 24

katıdır (Vanmaekelbergh ve van Vugt 2011)

ZnOda optik geccedilişler optik absorbsiyon iletim yansıma spektroskopik

elipsometri fotoluumlminisans kalorimetrik elipsometri vb gibi youmlntemlerle belirlenir

İletim oumllccediluumlmlerinden Muth ve ark (1999) epitaksiyel PLD ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO

filmlerin absorbsiyon katsayısını bant aralığını ve eksiton bağlanma enerjilerini

hesapladılar

Yarıiletken ZnO kristalinin eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) teknolojide

geniş kullanım alanına sahip diğer yarıiletken malzemelerden (20 meV ZnSe ve 25 meV

olan GaN) ccedilok daha buumlyuumlktuumlr Bunun yanı sıra ZnO ZnSe ve GaNrsquoa goumlre ccedilok daha

duumlşuumlk sıcaklıklarda hazırlanabilmektedir Bu yuumlzden de optoelektronik uygulamalar iccedilin

son derece oumlnem taşımaktadır Tmasymp2268 K yuumlksek erime sıcaklığına sahip ve

bozulmaksızın yuumlksek akım taşıma kapasitesi olan sağlam bir malzeme olup dielektrik

sabiti =85rsquotir (Carlsson 2002)

Tek boyutlu yarı iletken nano teller ve nano ccedilubuklar elektronik kuantum taşıma

ve yuumlklerin arttırılmış ışınımsal yeniden birleşmeleri gibi kuantum sınırlamasından

gelen fiziksel oumlzellikleri nedeniyle ilgi ccedilekmektedirler Nano teller kısa dalga nano

lazerler alan etkili transistorlar ccedilok hassas nano boyutlu gaz sensorları nano

rezonatoumlrler transduumlserler nano destek kolları ve alan emisyonları gibi uygulamalar

iccedilin temel taşıdırlar (Wang 2004 Pan ve ark 2001 Heo ve ark 2004)

Şu accedilıktır ki ccedilok ccedileşitli nano yapılar ZnO kullanılarak goumlreceli basit sentez

AHMET TOMBAK

5

metotlarıyla uumlretilebilir Bu nano yapılar kesinlikle nano boyutlarda temel fizik

ccedilalışmaları iccedilin kullanılabilir

IIIndashV ve IIndashVI grup duumlşuumlk etkili manyetik yarı iletkenler spine bağımlı manyetik

olay bu duumlşuumlk boyutlu manyetik ince filmlerin spin temelli belli yeteneklerinin

potansiyel olarak değiştirilebilmesinden dolayı oldukccedila ilgi ccedilekmektedir (Liu ve ark

2005)

ldquoAlZnO ince filmlerin optik ve elektriksel oumlzelliklerine gama ışınlarının

etkilerirdquo başlıklı ccedilalışmamda yuumlksek enerjili gama ışınlarının ZnO kristal yapısına

dolayısıyla elektrik ve optik oumlzelliklerine katkısını inceledim Bu konuda yapılan

ccedilalışmaların azlığı dolayısıyla literatuumlre katkıda bulunmayı amaccedilladım

1GİRİŞ

6

AHMET TOMBAK

7

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

Thomas ve Lander (1957) ZnO tek kristallerinin iletkenliklerinin ccedilinko buharı ve

hidrojene maruz kaldığında buumlyuumlk miktarda arttığını goumlsterdiler Fazla miktarda oksijen

ise oda sıcaklığında iletkenliği azaltmaktadır Yuumlzey iletkenliği beklendiği gibi kristal

ccedilapıyla değişmektedir

Medved (1961) ZnO fotoiletkenliğinin tuumlkenim kinetiklerini ışığın şiddeti ve

oksijenin basıncının bir fonksiyonu olarak alan bir model kullanarak inceledi Bu model

genelleştirilmiş Elovich denklemini ccedilıkartmada kullanılır

Azınlık yuumlk taşıyıcı akımlarının oumllccediluumlmleri ve bir yarıiletken elektrottaki uzay

yuumlkuuml kapasitesi elektrot yuumlzeyindeki kimyasal reaksiyonların adımları hakkında bilgi

almada kullanılır Morrison ve Freund (1968) azınlık akım reaksiyonlarının ZnO

kristallerinin yuumlzeyinde oluşan akımları iki katına ccedilıkardığını kapasite oumllccediluumlmleriyle

goumlsterdiler

Heiland ve Kunstmann (1969) kutupsal yuumlzeyleri yarma youmlntemiyle ccedilok duumlşuumlk

basınccedil altında hazırladılar ve geniş sıcaklık aralığında (90minus600 K) yuumlzeydeki elektriksel

iletkenliği incelediler Vakum ortamında tavlamanın ve hidrojen ya da oksijen

soğurmasının sonucunda değişiklikler goumlzlediler Optik oumllccediluumlmlerle bulugularını teyit

ettiler

Uematsu ve Hashimoto (1977) ZnO katalizoumlrlerde aşırı elektron

konsantrasyonunu hidrojenleştirme metodunun yanında tek ve uumlccedilluuml katyon katkısıyla

belirlediler Katkılı ve katkısız ZnOlarda aşırı elektron miktarının vakumda 300 degC

uumlstuumlnde arttığını goumlsterdiler

Optik katı hal lazerlerinin gelişmesi yavaş ve kademeli olmuştur İlk katı hal

lazerinden ışık goumlruumllmesi 1960rsquolarda olmuştur Ccedilok geccedilmeden 1966 yakın UV

boumllgesinde ccedilalışan ZnOlsquodan yapılmış ilk yarı iletken lazer goumlsterildi ZnOrsquonun optik

oumlzelliklerinin araştırıldığı bir ccedilalışmada 1995 yılında oda sıcaklığında ccedilalışan bir lazer

uumlretildi Bu tarihten sonra tek boyutlu ZnO nano teller hakkındaki araştırmalar

araştırmaların odak noktası haline geldi

Epitaksiyel AZO ince filmler tek kristal safir (0001) altlık uumlzerine atmalı lazer

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

8

biriktirme (PLD) youmlntemiyle buumlyuumltuumllduuml (Kim Horwitz ve ark 2002)

Czternastek (2004) Al katkılı ve katkısız ZnO filmleri yuumlksek basınccedillı DC

magnetron saccediltırma cam altlıklar uumlzerine buumlyuumlttuuml Plazma salınım goumlzlemini reaksiyon

odasına akan oksijen miktarını istikrarlı hale getirmek iccedilin kullandı Biriktirme sırasında

toplam basınccedil ve katkı seviyesinin elektrik ve optik oumlzelliklere etkisini inceledi Daha

yuumlksek katkı seviyelerinde tercihli youmlnelimin derece derece azaldığı taşıyıcı

konsantrasyonu ufak miktarlarda arttığı fakat Hall hareketliliğinin iyonlaşmış

safsızlıkların ccedilarpışmasından ve youmlnelimli buumlyuumlme noksanlığından dolayı ciddi

miktarda azaldığını goumlrduuml

Choi Kim ve ark (2005) Al ve F katkılı 200 nm kalınlıklı ZnO filmler ZnF ve

Al2O3 hedeflerle eş zamanlı olarak saccediltırma ile buumlyuumlttuumller XRD oumllccediluumlmlerinden F

katkısının ZnO filmlerinin kristalliğini geliştirdiğini buldular Elektriksel iletkenlik ve

optik absorpsiyon katsayısının tavlama ile arttığını goumlsterdiler

Dong Zhu ve ark (2007) p-GaAs altlıklar uumlzerinde ZnO p-n eklemi ile metal

organik kimyasal buhar biriktirme youmlntemiyle LED diyotlar oluşturdular Oda

sıcaklığında elektroluumlminisans (EL) ve fotoluumlminisans (PL) oumllccediluumlmlerini aldılar

ZnO ışık yayan kaynakların muhtemel uygulamalarında GaNrsquoe karşı avantajları

olduğundan dikkat ccedilekmektedir Hwang Oh ve ark (2007) Epitaksiyel ZnO filmlerde

katkı kontroluuml asitle dağlama ve omik kontak oluşturmayı iccedileren cihaz fabrikasyon

işlemlerini ve son olarak ZnO LED karakteristiklerini incelediler

Senede yuumlz binlerce ton ZnO ccedilimentoya ya da plastiğe katkı malzemesi olarak

kullanılmaktadır Optoelektronik alanında ZnO GaNrsquoe alternatif olarak maviUV

optoelektronik iccedilin ucuzluğu şeffaflığı iletken oksit olması ve elektronik devrelerde

malzeme olma potansiyeli ile dikkat ccedilekmektedir Son doumlnemde ana problem yuumlksek

yeniden uumlretilebilir kararlı p tipi katkılamadır Klingshirn malzeme buumlyuumltme ZnOrsquonun

temel oumlzelikleri ve ZnO temelli nano yapılar ve katkılamanın gelecek uygulamaları

uumlzerinde ccedilalışmıştır (Klingshirn 2007)

AZO filmler şeffaf iletken fonksiyonel guumlneş pillerinde kullanım potansiyeli

olan ve uzay mekiklerinde oksijen direnccedilli sistemlerde kullanılabilen bir malzemedir

Wang ve Wang (2007) yuumlksek performanslı AZO ince filmleri reaktif magnetron

saccediltırma ile hazırlayıp farklı dozlarda gama ışınına maruz bıraktılar Radyasyona maruz

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

I

TEŞEKKUumlR

Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri Enstituumlsuumlrsquone yuumlksek lisans tezi olarak sunduğum bu

ccedilalışma Sayın Prof Dr Tahsin KILICcedilOĞLU rehberliğinde gerccedilekleştirilmiştir Ccedilalışmam

boyunca hep yanımda hissettiğim yardımlarını ve desteğini hiccedilbir şekilde esirgemeyen hocam

Prof Dr Tahsin KILICcedilOĞLUrsquona teşekkuumlrlerimi sunarım

Laboratuar ccedilalışmalarım sırasında her tuumlrluuml yardımı benden esirgemeyen fikirlerinden

istifade ettiğim ve benimle birlikte ccedilalışmam boyunca verdiği destek ve katkılarından dolayı

Sayın Yrd Doccedil Dr Yusuf Selim OCAK hocama teşekkuumlr ederim

Ccedilalışmalarım esnasında her tuumlrluuml destek ve teşviklerini goumlrduumlğuumlm ve ccediloğu zaman

kendilerini ihmal ettiğim eşime ve oğluma bu suumlre zarfında hep yanımda oldukları iccedilin sonsuz

teşekkuumlr ederim

Bu ccedilalışma aynı zamanda Dicle Uumlniversitesi Bilimsel Projeler Koordinatoumlrluumlğuuml

tarafından ldquoKatkılı ZnOYarıiletken Yapıların Elektriksel ve Optik Oumlzelliklerinin İncelenmesirdquo

isimli ve 12ndashFFndash16 nolu proje ile desteklenmiştir Teşekkuumlrlerimi sunarım

II

İCcedilİNDEKİLER

Sayfa

TEŞEKKUumlRhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I

İCcedilİNDEKİLERhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip II

OumlZEThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IV

ABSTRACThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip V

CcedilİZELGE LİSTESİhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip VI

ŞEKİL LİSTESİhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip VII

KISALTMA VE SİMGELERhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip VIII

1 GİRİŞhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALARhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7

3 MATERYAL ve METOThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemlerihelliphelliphelliphelliphellip 19

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

313 Doumlnel (Spin) Kaplamahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

314 Daldırma (Dip) kaplamahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplamahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

32 Yapısal Oumlzelliklerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

321 X ışınlarıhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

322 Bragg yasasıhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26

33 Optik oumlzelliklerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişlerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27

3311 Doğrudan bant geccedilişihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29

3312 Dolaylı bant geccedilişihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29

332 Geccedilirgenlikhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30

34 Elektriksel Oumlzelliklerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32

341 Hall Etkisihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32

35 Deneysel İşlemlerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

III

351 Altlıkların Temizlenmesihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulmasıhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

353 Yapısal oumlzelliklerin belirlenmesi helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37

354 Yuumlk taşıyıcıların yoğunluğu ve yuumlzey direncinin oumllccediluumllmesihelliphelliphelliphelliphelliphellip 37

355 Optik parametrelerin belirlenmesihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37

356 Gama ışını etkisinin goumlzlenmesihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37

4 BULGULAR VE TARTIŞMAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39

41 Girişhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmlerihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39

43 Optik Oumllccediluumlmlerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıklarıhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41

44 Elektriksel Oumllccediluumlmlerihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

5 SONUCcedil VE OumlNERİLERhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49

6 KAYNAKLARhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51

OumlZGECcedilMİŞhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

IV

OumlZET

AlZNO İNCE FİLMLERİN OPTİK VE ELEKTRİKSEL OumlZELLİKLERİNE GAMA

IŞINLARININ ETKİLERİ

YUumlKSEK LİSANS TEZİ

Ahmet TOMBAK

DİCLE UumlNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTUumlSUuml

FİZİK ANABİLİM DALI

2012

Yarıiletken ZnO ince filmler elektriksel iletkenliği ve optik geccedilirgenliği yuumlksek

malzeme olmalarından dolayı teknolojik accedilıdan pek ccedilok yerde kullanılırlar Bu sebepten

malzemenin uumlretimi ve teknik accedilıdan kullanılabilirliğinin oumllccediluumlmuuml oumlnem kazanmaktadır

Bu ccedilalışmada ccedileşitli altlıklar uumlzerine ZnO ince filminin oluşturulması ve değişik

oranlarda Al katkılanmış ZnO ince filmlerin gama ışımasına maruz bırakılmasından sonra bazı

parametrelerindeki değişim araştırıldı Elde edilen yapının elektrik ve optik oumlzellikleri incelendi

İnce filmlerin elektriksel iletkenlikleri Hall etkisi oumllccediluumlm sistemiyle oda sıcaklığında oumllccediluumllduuml

Bazı optik parametreler UV-Vis spektrometrik youmlntemle tayin edildi Optik parametrelerle ilgili

deneysel bulgular teorik hesaplamalarla karşılaştırıldı Alınan bu oumllccediluumlmler AlZnO yapıların

gama ışımasına maruz bırakılmasının ardından tekrar yapıldı ve değişimler goumlzlendi İnce

filmlerin yapı analizi X ışınları kırınımı ile tayin edildi

Anahtar Kelimeler ZnO katkılama elektriksel iletkenlik gama radyasyonu

V

ABSTRACT

THE INVESTIGATION OF GAMMA RAY EXPOSURE TO ELECTRICAL AND OPTICAL

PROPERTIES OF AL DOPED ZNO STRUCTURES

MSc THESIS

Ahmet TOMBAK

DEPARTMENT OF PHYSICS INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES

UNIVERSITY OF DICLE

2012

As semiconductor ZnO thin films have high electrical conductivity and optical

permeability materials used in most position respect of technological Because of this considers

producting of the material and measuring of using respect of technological

In this study forming ZnO thin films on various substrates and changes some

parameters after gamma ray exposure of ranging Al doped ZnO thin films were investigated

Optic and electrical properties of as-grown films were measured Electrical conductivity was

measured by Hall Effect measurement system at room temperature Some optic parameters were

determined by UV-Vis spectrometric method Theoretical calculations on optical parameters

were compared with the ones that were obtained by experimental values These measurements

were made after gamma ray exposure of the thin films and some changes were observed

Structural analysis of the the thin films was made with respect to X ray diffraction data

Key Words ZnO doping conductivity gamma radiation

VI

CcedilİZELGE LİSTESİ

Ccedilizelge No Sayfa

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar 2

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları 41

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri 48

VII

ŞEKİL LİSTESİ

Şekil No Sayfa

Şekil 11 ZnO kristal yapıları 2

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme sisteminin şematize edilmiş hali 21

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 22

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması 26

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma 28

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi 28

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu 33

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı 36

Şekil 38 ZnO ve Al puumlskuumlrtme işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi 36

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi 37

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni 39

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni 40

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni 40

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği 42

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği 42

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği 42

Şekil 47 İnce filmlerin ( )2 ndashenerji grafikleri 43

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 43

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 44

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 44

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 45

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 45

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 46

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 46

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 47

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 47

VIII

KISALTMA VE SİMGELER

A Soğurma

α Soğurma katsayısı

s Yarıiletkenin dielektrik sabiti

AFM Atomik kuvvet mikroskobu

ALD Atomik katman biriktirme

AZO Aluumlminyum katkılı ccedilinko oksit

CVD Kimyasal buhar biriktirme

e Elektronun yuumlkuuml

Eg Yarıiletkenin yasak enerji aralığı

Eph Fonon enerjisi

EL Elektroluumlminesans

eV Elektron volt

FMR Ferromagnetik rezonans

FWHM Tam genişlik yarısı modulasyonu

ITO İndiyum kalay oksit

kGy Kilo grey

LED Işık yayan diyot

LFTS Duumlz yuumlzluuml hedef saccediltırma

MBE Molekuumller ışın epitaksi

me Elektronun etkin kuumltlesi

mh Holuumln (deşik) etkin kuumltlesi

IX

OLED Organik ışık yayan diyot

OMVPE Organometalik buhar fazı epitaksi

PET Polyethylene terephthalate

PL Fotoluumlminesans

PLD Atmalı lazer biriktirme

PVD Fiziksel buharlaştırma biriktirme

R Yansıma katsayısı

RF Radyo frekansı

RH Hall katsayısı

RHEED Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

RTF Oda sıcaklığında ferromanyetizm

SEM Taramalı elektron mikroskobu

T Geccedilirgenlik katsayısı

TCO Şeffaf iletken oksit

TE Termiyonik emisyon

USP Ultrasonik sprey piroliz

UV Mor oumltesi

VH Hall potansiyeli

XPS X ışını fotoelektron spektroskopisi

XRD X ışını kırınımı

ZnO Ccedilinko oksit

AHMET TOMBAK

1

1 GİRİŞ

ZnO hakkındaki bilimsel ccedilalışmalar on yıllar oumlncesine dayanmaktadır Bu

konuya ilginin canlanması yuumlksek kaliteli altlıkların kolay elde edilmesi p tipi iletimin

rapor edilmesi piezoelektrik davranış ve ccedileşitli geccediliş elementlerinin katkılanmasıyla

ferromanyetik oumlzelliklerin keşfedilmesi oldu ZnO oumlrguuml parametrelerinin incelenmesi

1935rsquolere dayanır (Bunn 1935) titreşim oumlzellikleri Raman saccedilılmasıyla 1966rsquoda

incelendi (Damen ve ark 1966) detaylı optik oumlzellik incelemesi 1954 yılında (Mollwo

1954) ve kimyasal buhar taşıma youmlntemiyle buumlyuumltme 1970rsquode başarıldı (Galli ve Coker

1970) ZnOZnTe p-n eklemi 1975rsquode yapıldı ve AlAu omik kontaklar 1978rsquode rapor

edildi (Tsurkan ve ark 1978)

Yuumlksek iyoniklikleri ve geniş bant aralıklarının direkt bant aralığı olması

soğurma ve luumlminesans iccedilin yuumlksek optik geccedilirgenlik olasılığına sahip olmaları

nedeniyle periyodik tablonun IIB ve VIA grubu elementlerinin birleşimi ile oluşan IIndash

VI bileşiklerine olan ilgi buumlyuumlktuumlr Bu bileşiklere CdS CdZnS ZnS ve ZnO gibi

bileşikler oumlrnek olarak verilebilir IIndashVI bileşiklerinin yasak enerji aralığı 18ndash4 eV

civarındadır Bu bileşikler kızıloumltesi dedektoumlrler guumlneş pilleri lazerler ve ccedileşitli

diyotların uumlretiminde oldukccedila yaygın bir şekilde kullanılmaktadır (Fahrenbruch 1977)

Direk ve geniş bant aralıklı materyal olan ZnO ccedileşitli elektronik ve

optoelektronik uygulamalar iccedilin ccedilok ccedilekici bir materyaldir (Reynolds ve Collins 1969)

Son yıllarda geniş bant aralığına sahip yarıiletken malzemelerin teknoloji ve

elektronik biliminde kullanım alanları genişlemiştir Bu malzemelerin teknolojide geniş

ccedilapta kullanılması nedeniyle birbirinden uumlstuumln yanlarının ve daha ucuz elde edilebilme

yollarının araştırılması hız kazanmıştır ZnO ZnS ZnSe GaAs GaN gibi yarıiletkenler

yuumlksek sıcaklık ve yuumlksek ışıma guumlcuuml gerektiren elektronik biliminde LED ve lazer

diyotları gibi kısa dalga boylu (UV ve şiddetli mavindashyeşil) ışık yayan optik aletlerde

kullanılmakta ve daha iyi sonuccedilların elde edilebilmesi iccedilin araştırılmaktadır

Elektromanyetik spektrumun goumlruumlnuumlr boumllgesinde geccedilirgen olan geniş bant

aralığına sahip yarıiletkenler elektronik ve optoelektronik aygıtların uumlretiminde oumlnemli

rol oynamaktadır Geccedilirgen iletken ve yarıiletken oksitlerin en oumlnemli avantajları

kimyasal olarak kararlı olmaları ve farklı altlıklar uumlzerine kolayca depolanabilmeleridir

1GİRİŞ

2

(Minami 2005)

ZnO IIndashVI grup iyonikliği kovalent ve iyonik yarı iletkenler arasında sınırda

olan yarı iletken bir bileşiktir ZnOnun kristal yapıları uumlccedil faz iccedilin vurtzit ccedilinko suumllfuumlr

(blend) ve kaya tuzudur Şekil 1de ZnO molekuumlluumlnuumln farklı kristal yapıları

goumlruumllmektedir Hava ortamında termodinamik olarak kararlı faz vurtzit simetrisidir

Ccedilinko suumllfuumlr yapı ZnO sadece kuumlbik altlık uumlzerine buumlyuumltuumlluumlrse kararlı hale

getirilebilirler

Şekil 11 ZnO kristal yapıları (a) kuumlbik kaya tuzu (b) kuumlbik ccedilinko suumllfuumlr (c) altıgen vuumlrtzit

ZnOnun kristal yapıları teorik hesaplamalarla ve deneysel olarak araştırılıp

rapor edilmiştir Ccedilizelge 11de bazı teorik ve deneysel ccedilalışmaların sonuccedilları

goumlruumllmektedir

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar

Deneysel sonuccedillar Teorik hesaplamalar

Bates ve ark

(1962)

Gerward ve ark (1995)

Desgreniers (1998)

Ahuja ve ark (1998)

Liu ve ark (1986)

Zaoui ve Sekkal

(2002)

Vuumlrtzit

hacim (Aring3)

2382 2378 2379 2360 2383 2383

Kaya tuzu

hacim(Aring3)

1960 1960 1948 1951 1904 1904

Burulma

basıncı

(GPa)

950 900 870 932 932 1045

AHMET TOMBAK

3

ZnO filmlerin ccedileşitli tekniklerle buumlyuumltuumllmesi ve akustik ve optik cihazlarda

kullanılması gibi uygulamalar ilgi ccedileken araştırma konularından bir tanesidir

Uygulamalar uumlzerinde yapılan araştırmalar daha ccedilok ZnOnun muumlkemmel piezoelektrik

oumlzellikleri ve cam safir ve elmas altlıklar uumlzerinde guumlccedilluuml (0001) tercihli youmlnelimle

buumlyuumlme eğiliminde yoğunlaşmaktadır ZnO ince film buumlyuumltmede eski ccedilalışmalarda

magnetron saccediltırma kimyasal buhar biriktirme yaygındı Fakat bu buumlyuumltmelerde filmler

ccediloklu kristal yapıdaydılar Sonraki ccedilalışmalarda yuumlksek kalitede tek kristal filmler radyo

frekansı magnetron saccediltırma ile hazırlandı ve biriktirme işleminin kontrolluuml olarak

gerccedilekleştiği diğer buumlyuumltme teknikleri kullanıldı Bunlar arasında molekuumller demet

epitaksi atmalı lazer biriktirme organometalik buhar fazı epitaksi sayılabilir

Heteroeklem ZnO tabakaları CaF2 (Ma Du ve ark 2005) Si (Dhananjay

Nagaraju ve ark 2007) GaAs (Nag ve Bhattacharya 2010) ve GaN (Asil Gur ve ark

2009) gibi altlıklar uumlzerine de buumlyuumltuumllduuml

Geniş alan ve yuumlksek kalitede ZnO kristallerinin buumlyuumltuumllmesi sadece temel

araştırmalar iccedilin değil aynı zamanda cihaz uygulamaları iccedilin de oumlnemlidir Geniş alan

ve yuumlksek kalitede ZnO tek kristalleri tek kristal katmanın potansiyel avantajlarından

dolayı UV ve mavi UV ışık yayan cihazlar iccedilin faydalıdır

RF magnetron saccediltırma duumlşuumlk veya yuumlksek sıcaklıklarda ccedilalışılabildiğinden ve

filmlerin makul seviyedeki kalitesinden dolayı tercih edilmektedir

Safir altlıklar benzer kafes oumlrguuml yapıları ve ulaşılabilirliğinden dolayı oldukccedila

popuumllerken diğer altlıklar da değişik cihaz uygulamalarında kullanılmaktadır

MBEnin temel avantajı buumlyuumltme parametrelerinin tam kontroluuml ve buumlyuumltme

ortamında filmi inceleme yeterliliğidir Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

(RHEED) geri beslemesiyle ZnO epi katmanları gerccedilek zamanlı olarak izlenebilir

PLD metodunda yuumlksek guumlccedilluuml lazer atmaları malzemeyi hedeften ayırırken alt

tuumlrlerin yuumlzeyde etkileşmesi sonucu biriken malzemenin stokiyometrisinin korunması

iccedilin buharlaştırmakta kullanılır

Diğer buumlyuumltme youmlntemleri arasında kimyasal buhar biriktirme (CVD)

teknolojisi bilhassa ilgi ccedilekmektedir Ccediluumlnkuuml yuumlksek kalitede filmler buumlyuumltmenin yanı

sıra geniş oumllccedilekte uumlretime uygundur Bu teknik değişik GaN tabanlı optoelektronik

1GİRİŞ

4

cihazların uumlretiminde kullanılan epitaksiyel filmlerin uumlretiminde yaygın olarak

kullanılmaktadır ve bu eğilim ZnOnun gelecek uygulamalarında beklenmektedir Bu

teknikle buumlyuumltuumllen ZnO filmler yuumlksek kristallik elektrik ve ışıma oumlzelliği

goumlstermektedirler

ZnOnun kırıcılık indisi gibi optik oumlzellikleri ve işlemleri yıllar oumlnce

araştırılmaya başlandı ZnOya ilginin tekrar uyanmasının nedenleri direkt geniş bant

aralığı (300 Kde Eg=33 eV) yuumlksek eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) ve etkin

ışımalı yeniden birleşmedir Eksiton bağlanma enerjisi goumlreceli olarak geniştir (ZnO

iccedilin 60 meV GaN iccedilin 25 meV) Geniş eksiton bağlanma enerjisi oda sıcaklığında hatta

daha yuumlksek sıcaklıklarda yoğun yakın bant kenarı eksitonik emisyon yolunu

accedilmaktadır Ccediluumlnkuuml bu değer oda sıcaklığı termal enerji değerinin (kBT=25 meV) 24

katıdır (Vanmaekelbergh ve van Vugt 2011)

ZnOda optik geccedilişler optik absorbsiyon iletim yansıma spektroskopik

elipsometri fotoluumlminisans kalorimetrik elipsometri vb gibi youmlntemlerle belirlenir

İletim oumllccediluumlmlerinden Muth ve ark (1999) epitaksiyel PLD ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO

filmlerin absorbsiyon katsayısını bant aralığını ve eksiton bağlanma enerjilerini

hesapladılar

Yarıiletken ZnO kristalinin eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) teknolojide

geniş kullanım alanına sahip diğer yarıiletken malzemelerden (20 meV ZnSe ve 25 meV

olan GaN) ccedilok daha buumlyuumlktuumlr Bunun yanı sıra ZnO ZnSe ve GaNrsquoa goumlre ccedilok daha

duumlşuumlk sıcaklıklarda hazırlanabilmektedir Bu yuumlzden de optoelektronik uygulamalar iccedilin

son derece oumlnem taşımaktadır Tmasymp2268 K yuumlksek erime sıcaklığına sahip ve

bozulmaksızın yuumlksek akım taşıma kapasitesi olan sağlam bir malzeme olup dielektrik

sabiti =85rsquotir (Carlsson 2002)

Tek boyutlu yarı iletken nano teller ve nano ccedilubuklar elektronik kuantum taşıma

ve yuumlklerin arttırılmış ışınımsal yeniden birleşmeleri gibi kuantum sınırlamasından

gelen fiziksel oumlzellikleri nedeniyle ilgi ccedilekmektedirler Nano teller kısa dalga nano

lazerler alan etkili transistorlar ccedilok hassas nano boyutlu gaz sensorları nano

rezonatoumlrler transduumlserler nano destek kolları ve alan emisyonları gibi uygulamalar

iccedilin temel taşıdırlar (Wang 2004 Pan ve ark 2001 Heo ve ark 2004)

Şu accedilıktır ki ccedilok ccedileşitli nano yapılar ZnO kullanılarak goumlreceli basit sentez

AHMET TOMBAK

5

metotlarıyla uumlretilebilir Bu nano yapılar kesinlikle nano boyutlarda temel fizik

ccedilalışmaları iccedilin kullanılabilir

IIIndashV ve IIndashVI grup duumlşuumlk etkili manyetik yarı iletkenler spine bağımlı manyetik

olay bu duumlşuumlk boyutlu manyetik ince filmlerin spin temelli belli yeteneklerinin

potansiyel olarak değiştirilebilmesinden dolayı oldukccedila ilgi ccedilekmektedir (Liu ve ark

2005)

ldquoAlZnO ince filmlerin optik ve elektriksel oumlzelliklerine gama ışınlarının

etkilerirdquo başlıklı ccedilalışmamda yuumlksek enerjili gama ışınlarının ZnO kristal yapısına

dolayısıyla elektrik ve optik oumlzelliklerine katkısını inceledim Bu konuda yapılan

ccedilalışmaların azlığı dolayısıyla literatuumlre katkıda bulunmayı amaccedilladım

1GİRİŞ

6

AHMET TOMBAK

7

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

Thomas ve Lander (1957) ZnO tek kristallerinin iletkenliklerinin ccedilinko buharı ve

hidrojene maruz kaldığında buumlyuumlk miktarda arttığını goumlsterdiler Fazla miktarda oksijen

ise oda sıcaklığında iletkenliği azaltmaktadır Yuumlzey iletkenliği beklendiği gibi kristal

ccedilapıyla değişmektedir

Medved (1961) ZnO fotoiletkenliğinin tuumlkenim kinetiklerini ışığın şiddeti ve

oksijenin basıncının bir fonksiyonu olarak alan bir model kullanarak inceledi Bu model

genelleştirilmiş Elovich denklemini ccedilıkartmada kullanılır

Azınlık yuumlk taşıyıcı akımlarının oumllccediluumlmleri ve bir yarıiletken elektrottaki uzay

yuumlkuuml kapasitesi elektrot yuumlzeyindeki kimyasal reaksiyonların adımları hakkında bilgi

almada kullanılır Morrison ve Freund (1968) azınlık akım reaksiyonlarının ZnO

kristallerinin yuumlzeyinde oluşan akımları iki katına ccedilıkardığını kapasite oumllccediluumlmleriyle

goumlsterdiler

Heiland ve Kunstmann (1969) kutupsal yuumlzeyleri yarma youmlntemiyle ccedilok duumlşuumlk

basınccedil altında hazırladılar ve geniş sıcaklık aralığında (90minus600 K) yuumlzeydeki elektriksel

iletkenliği incelediler Vakum ortamında tavlamanın ve hidrojen ya da oksijen

soğurmasının sonucunda değişiklikler goumlzlediler Optik oumllccediluumlmlerle bulugularını teyit

ettiler

Uematsu ve Hashimoto (1977) ZnO katalizoumlrlerde aşırı elektron

konsantrasyonunu hidrojenleştirme metodunun yanında tek ve uumlccedilluuml katyon katkısıyla

belirlediler Katkılı ve katkısız ZnOlarda aşırı elektron miktarının vakumda 300 degC

uumlstuumlnde arttığını goumlsterdiler

Optik katı hal lazerlerinin gelişmesi yavaş ve kademeli olmuştur İlk katı hal

lazerinden ışık goumlruumllmesi 1960rsquolarda olmuştur Ccedilok geccedilmeden 1966 yakın UV

boumllgesinde ccedilalışan ZnOlsquodan yapılmış ilk yarı iletken lazer goumlsterildi ZnOrsquonun optik

oumlzelliklerinin araştırıldığı bir ccedilalışmada 1995 yılında oda sıcaklığında ccedilalışan bir lazer

uumlretildi Bu tarihten sonra tek boyutlu ZnO nano teller hakkındaki araştırmalar

araştırmaların odak noktası haline geldi

Epitaksiyel AZO ince filmler tek kristal safir (0001) altlık uumlzerine atmalı lazer

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

8

biriktirme (PLD) youmlntemiyle buumlyuumltuumllduuml (Kim Horwitz ve ark 2002)

Czternastek (2004) Al katkılı ve katkısız ZnO filmleri yuumlksek basınccedillı DC

magnetron saccediltırma cam altlıklar uumlzerine buumlyuumlttuuml Plazma salınım goumlzlemini reaksiyon

odasına akan oksijen miktarını istikrarlı hale getirmek iccedilin kullandı Biriktirme sırasında

toplam basınccedil ve katkı seviyesinin elektrik ve optik oumlzelliklere etkisini inceledi Daha

yuumlksek katkı seviyelerinde tercihli youmlnelimin derece derece azaldığı taşıyıcı

konsantrasyonu ufak miktarlarda arttığı fakat Hall hareketliliğinin iyonlaşmış

safsızlıkların ccedilarpışmasından ve youmlnelimli buumlyuumlme noksanlığından dolayı ciddi

miktarda azaldığını goumlrduuml

Choi Kim ve ark (2005) Al ve F katkılı 200 nm kalınlıklı ZnO filmler ZnF ve

Al2O3 hedeflerle eş zamanlı olarak saccediltırma ile buumlyuumlttuumller XRD oumllccediluumlmlerinden F

katkısının ZnO filmlerinin kristalliğini geliştirdiğini buldular Elektriksel iletkenlik ve

optik absorpsiyon katsayısının tavlama ile arttığını goumlsterdiler

Dong Zhu ve ark (2007) p-GaAs altlıklar uumlzerinde ZnO p-n eklemi ile metal

organik kimyasal buhar biriktirme youmlntemiyle LED diyotlar oluşturdular Oda

sıcaklığında elektroluumlminisans (EL) ve fotoluumlminisans (PL) oumllccediluumlmlerini aldılar

ZnO ışık yayan kaynakların muhtemel uygulamalarında GaNrsquoe karşı avantajları

olduğundan dikkat ccedilekmektedir Hwang Oh ve ark (2007) Epitaksiyel ZnO filmlerde

katkı kontroluuml asitle dağlama ve omik kontak oluşturmayı iccedileren cihaz fabrikasyon

işlemlerini ve son olarak ZnO LED karakteristiklerini incelediler

Senede yuumlz binlerce ton ZnO ccedilimentoya ya da plastiğe katkı malzemesi olarak

kullanılmaktadır Optoelektronik alanında ZnO GaNrsquoe alternatif olarak maviUV

optoelektronik iccedilin ucuzluğu şeffaflığı iletken oksit olması ve elektronik devrelerde

malzeme olma potansiyeli ile dikkat ccedilekmektedir Son doumlnemde ana problem yuumlksek

yeniden uumlretilebilir kararlı p tipi katkılamadır Klingshirn malzeme buumlyuumltme ZnOrsquonun

temel oumlzelikleri ve ZnO temelli nano yapılar ve katkılamanın gelecek uygulamaları

uumlzerinde ccedilalışmıştır (Klingshirn 2007)

AZO filmler şeffaf iletken fonksiyonel guumlneş pillerinde kullanım potansiyeli

olan ve uzay mekiklerinde oksijen direnccedilli sistemlerde kullanılabilen bir malzemedir

Wang ve Wang (2007) yuumlksek performanslı AZO ince filmleri reaktif magnetron

saccediltırma ile hazırlayıp farklı dozlarda gama ışınına maruz bıraktılar Radyasyona maruz

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

II

İCcedilİNDEKİLER

Sayfa

TEŞEKKUumlRhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I

İCcedilİNDEKİLERhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip II

OumlZEThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IV

ABSTRACThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip V

CcedilİZELGE LİSTESİhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip VI

ŞEKİL LİSTESİhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip VII

KISALTMA VE SİMGELERhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip VIII

1 GİRİŞhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALARhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7

3 MATERYAL ve METOThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemlerihelliphelliphelliphelliphellip 19

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

313 Doumlnel (Spin) Kaplamahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

314 Daldırma (Dip) kaplamahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplamahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

32 Yapısal Oumlzelliklerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

321 X ışınlarıhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

322 Bragg yasasıhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26

33 Optik oumlzelliklerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişlerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27

3311 Doğrudan bant geccedilişihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29

3312 Dolaylı bant geccedilişihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29

332 Geccedilirgenlikhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30

34 Elektriksel Oumlzelliklerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32

341 Hall Etkisihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32

35 Deneysel İşlemlerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

III

351 Altlıkların Temizlenmesihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulmasıhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

353 Yapısal oumlzelliklerin belirlenmesi helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37

354 Yuumlk taşıyıcıların yoğunluğu ve yuumlzey direncinin oumllccediluumllmesihelliphelliphelliphelliphelliphellip 37

355 Optik parametrelerin belirlenmesihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37

356 Gama ışını etkisinin goumlzlenmesihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37

4 BULGULAR VE TARTIŞMAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39

41 Girişhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmlerihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39

43 Optik Oumllccediluumlmlerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıklarıhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41

44 Elektriksel Oumllccediluumlmlerihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

5 SONUCcedil VE OumlNERİLERhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49

6 KAYNAKLARhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51

OumlZGECcedilMİŞhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

IV

OumlZET

AlZNO İNCE FİLMLERİN OPTİK VE ELEKTRİKSEL OumlZELLİKLERİNE GAMA

IŞINLARININ ETKİLERİ

YUumlKSEK LİSANS TEZİ

Ahmet TOMBAK

DİCLE UumlNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTUumlSUuml

FİZİK ANABİLİM DALI

2012

Yarıiletken ZnO ince filmler elektriksel iletkenliği ve optik geccedilirgenliği yuumlksek

malzeme olmalarından dolayı teknolojik accedilıdan pek ccedilok yerde kullanılırlar Bu sebepten

malzemenin uumlretimi ve teknik accedilıdan kullanılabilirliğinin oumllccediluumlmuuml oumlnem kazanmaktadır

Bu ccedilalışmada ccedileşitli altlıklar uumlzerine ZnO ince filminin oluşturulması ve değişik

oranlarda Al katkılanmış ZnO ince filmlerin gama ışımasına maruz bırakılmasından sonra bazı

parametrelerindeki değişim araştırıldı Elde edilen yapının elektrik ve optik oumlzellikleri incelendi

İnce filmlerin elektriksel iletkenlikleri Hall etkisi oumllccediluumlm sistemiyle oda sıcaklığında oumllccediluumllduuml

Bazı optik parametreler UV-Vis spektrometrik youmlntemle tayin edildi Optik parametrelerle ilgili

deneysel bulgular teorik hesaplamalarla karşılaştırıldı Alınan bu oumllccediluumlmler AlZnO yapıların

gama ışımasına maruz bırakılmasının ardından tekrar yapıldı ve değişimler goumlzlendi İnce

filmlerin yapı analizi X ışınları kırınımı ile tayin edildi

Anahtar Kelimeler ZnO katkılama elektriksel iletkenlik gama radyasyonu

V

ABSTRACT

THE INVESTIGATION OF GAMMA RAY EXPOSURE TO ELECTRICAL AND OPTICAL

PROPERTIES OF AL DOPED ZNO STRUCTURES

MSc THESIS

Ahmet TOMBAK

DEPARTMENT OF PHYSICS INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES

UNIVERSITY OF DICLE

2012

As semiconductor ZnO thin films have high electrical conductivity and optical

permeability materials used in most position respect of technological Because of this considers

producting of the material and measuring of using respect of technological

In this study forming ZnO thin films on various substrates and changes some

parameters after gamma ray exposure of ranging Al doped ZnO thin films were investigated

Optic and electrical properties of as-grown films were measured Electrical conductivity was

measured by Hall Effect measurement system at room temperature Some optic parameters were

determined by UV-Vis spectrometric method Theoretical calculations on optical parameters

were compared with the ones that were obtained by experimental values These measurements

were made after gamma ray exposure of the thin films and some changes were observed

Structural analysis of the the thin films was made with respect to X ray diffraction data

Key Words ZnO doping conductivity gamma radiation

VI

CcedilİZELGE LİSTESİ

Ccedilizelge No Sayfa

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar 2

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları 41

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri 48

VII

ŞEKİL LİSTESİ

Şekil No Sayfa

Şekil 11 ZnO kristal yapıları 2

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme sisteminin şematize edilmiş hali 21

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 22

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması 26

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma 28

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi 28

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu 33

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı 36

Şekil 38 ZnO ve Al puumlskuumlrtme işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi 36

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi 37

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni 39

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni 40

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni 40

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği 42

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği 42

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği 42

Şekil 47 İnce filmlerin ( )2 ndashenerji grafikleri 43

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 43

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 44

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 44

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 45

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 45

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 46

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 46

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 47

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 47

VIII

KISALTMA VE SİMGELER

A Soğurma

α Soğurma katsayısı

s Yarıiletkenin dielektrik sabiti

AFM Atomik kuvvet mikroskobu

ALD Atomik katman biriktirme

AZO Aluumlminyum katkılı ccedilinko oksit

CVD Kimyasal buhar biriktirme

e Elektronun yuumlkuuml

Eg Yarıiletkenin yasak enerji aralığı

Eph Fonon enerjisi

EL Elektroluumlminesans

eV Elektron volt

FMR Ferromagnetik rezonans

FWHM Tam genişlik yarısı modulasyonu

ITO İndiyum kalay oksit

kGy Kilo grey

LED Işık yayan diyot

LFTS Duumlz yuumlzluuml hedef saccediltırma

MBE Molekuumller ışın epitaksi

me Elektronun etkin kuumltlesi

mh Holuumln (deşik) etkin kuumltlesi

IX

OLED Organik ışık yayan diyot

OMVPE Organometalik buhar fazı epitaksi

PET Polyethylene terephthalate

PL Fotoluumlminesans

PLD Atmalı lazer biriktirme

PVD Fiziksel buharlaştırma biriktirme

R Yansıma katsayısı

RF Radyo frekansı

RH Hall katsayısı

RHEED Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

RTF Oda sıcaklığında ferromanyetizm

SEM Taramalı elektron mikroskobu

T Geccedilirgenlik katsayısı

TCO Şeffaf iletken oksit

TE Termiyonik emisyon

USP Ultrasonik sprey piroliz

UV Mor oumltesi

VH Hall potansiyeli

XPS X ışını fotoelektron spektroskopisi

XRD X ışını kırınımı

ZnO Ccedilinko oksit

AHMET TOMBAK

1

1 GİRİŞ

ZnO hakkındaki bilimsel ccedilalışmalar on yıllar oumlncesine dayanmaktadır Bu

konuya ilginin canlanması yuumlksek kaliteli altlıkların kolay elde edilmesi p tipi iletimin

rapor edilmesi piezoelektrik davranış ve ccedileşitli geccediliş elementlerinin katkılanmasıyla

ferromanyetik oumlzelliklerin keşfedilmesi oldu ZnO oumlrguuml parametrelerinin incelenmesi

1935rsquolere dayanır (Bunn 1935) titreşim oumlzellikleri Raman saccedilılmasıyla 1966rsquoda

incelendi (Damen ve ark 1966) detaylı optik oumlzellik incelemesi 1954 yılında (Mollwo

1954) ve kimyasal buhar taşıma youmlntemiyle buumlyuumltme 1970rsquode başarıldı (Galli ve Coker

1970) ZnOZnTe p-n eklemi 1975rsquode yapıldı ve AlAu omik kontaklar 1978rsquode rapor

edildi (Tsurkan ve ark 1978)

Yuumlksek iyoniklikleri ve geniş bant aralıklarının direkt bant aralığı olması

soğurma ve luumlminesans iccedilin yuumlksek optik geccedilirgenlik olasılığına sahip olmaları

nedeniyle periyodik tablonun IIB ve VIA grubu elementlerinin birleşimi ile oluşan IIndash

VI bileşiklerine olan ilgi buumlyuumlktuumlr Bu bileşiklere CdS CdZnS ZnS ve ZnO gibi

bileşikler oumlrnek olarak verilebilir IIndashVI bileşiklerinin yasak enerji aralığı 18ndash4 eV

civarındadır Bu bileşikler kızıloumltesi dedektoumlrler guumlneş pilleri lazerler ve ccedileşitli

diyotların uumlretiminde oldukccedila yaygın bir şekilde kullanılmaktadır (Fahrenbruch 1977)

Direk ve geniş bant aralıklı materyal olan ZnO ccedileşitli elektronik ve

optoelektronik uygulamalar iccedilin ccedilok ccedilekici bir materyaldir (Reynolds ve Collins 1969)

Son yıllarda geniş bant aralığına sahip yarıiletken malzemelerin teknoloji ve

elektronik biliminde kullanım alanları genişlemiştir Bu malzemelerin teknolojide geniş

ccedilapta kullanılması nedeniyle birbirinden uumlstuumln yanlarının ve daha ucuz elde edilebilme

yollarının araştırılması hız kazanmıştır ZnO ZnS ZnSe GaAs GaN gibi yarıiletkenler

yuumlksek sıcaklık ve yuumlksek ışıma guumlcuuml gerektiren elektronik biliminde LED ve lazer

diyotları gibi kısa dalga boylu (UV ve şiddetli mavindashyeşil) ışık yayan optik aletlerde

kullanılmakta ve daha iyi sonuccedilların elde edilebilmesi iccedilin araştırılmaktadır

Elektromanyetik spektrumun goumlruumlnuumlr boumllgesinde geccedilirgen olan geniş bant

aralığına sahip yarıiletkenler elektronik ve optoelektronik aygıtların uumlretiminde oumlnemli

rol oynamaktadır Geccedilirgen iletken ve yarıiletken oksitlerin en oumlnemli avantajları

kimyasal olarak kararlı olmaları ve farklı altlıklar uumlzerine kolayca depolanabilmeleridir

1GİRİŞ

2

(Minami 2005)

ZnO IIndashVI grup iyonikliği kovalent ve iyonik yarı iletkenler arasında sınırda

olan yarı iletken bir bileşiktir ZnOnun kristal yapıları uumlccedil faz iccedilin vurtzit ccedilinko suumllfuumlr

(blend) ve kaya tuzudur Şekil 1de ZnO molekuumlluumlnuumln farklı kristal yapıları

goumlruumllmektedir Hava ortamında termodinamik olarak kararlı faz vurtzit simetrisidir

Ccedilinko suumllfuumlr yapı ZnO sadece kuumlbik altlık uumlzerine buumlyuumltuumlluumlrse kararlı hale

getirilebilirler

Şekil 11 ZnO kristal yapıları (a) kuumlbik kaya tuzu (b) kuumlbik ccedilinko suumllfuumlr (c) altıgen vuumlrtzit

ZnOnun kristal yapıları teorik hesaplamalarla ve deneysel olarak araştırılıp

rapor edilmiştir Ccedilizelge 11de bazı teorik ve deneysel ccedilalışmaların sonuccedilları

goumlruumllmektedir

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar

Deneysel sonuccedillar Teorik hesaplamalar

Bates ve ark

(1962)

Gerward ve ark (1995)

Desgreniers (1998)

Ahuja ve ark (1998)

Liu ve ark (1986)

Zaoui ve Sekkal

(2002)

Vuumlrtzit

hacim (Aring3)

2382 2378 2379 2360 2383 2383

Kaya tuzu

hacim(Aring3)

1960 1960 1948 1951 1904 1904

Burulma

basıncı

(GPa)

950 900 870 932 932 1045

AHMET TOMBAK

3

ZnO filmlerin ccedileşitli tekniklerle buumlyuumltuumllmesi ve akustik ve optik cihazlarda

kullanılması gibi uygulamalar ilgi ccedileken araştırma konularından bir tanesidir

Uygulamalar uumlzerinde yapılan araştırmalar daha ccedilok ZnOnun muumlkemmel piezoelektrik

oumlzellikleri ve cam safir ve elmas altlıklar uumlzerinde guumlccedilluuml (0001) tercihli youmlnelimle

buumlyuumlme eğiliminde yoğunlaşmaktadır ZnO ince film buumlyuumltmede eski ccedilalışmalarda

magnetron saccediltırma kimyasal buhar biriktirme yaygındı Fakat bu buumlyuumltmelerde filmler

ccediloklu kristal yapıdaydılar Sonraki ccedilalışmalarda yuumlksek kalitede tek kristal filmler radyo

frekansı magnetron saccediltırma ile hazırlandı ve biriktirme işleminin kontrolluuml olarak

gerccedilekleştiği diğer buumlyuumltme teknikleri kullanıldı Bunlar arasında molekuumller demet

epitaksi atmalı lazer biriktirme organometalik buhar fazı epitaksi sayılabilir

Heteroeklem ZnO tabakaları CaF2 (Ma Du ve ark 2005) Si (Dhananjay

Nagaraju ve ark 2007) GaAs (Nag ve Bhattacharya 2010) ve GaN (Asil Gur ve ark

2009) gibi altlıklar uumlzerine de buumlyuumltuumllduuml

Geniş alan ve yuumlksek kalitede ZnO kristallerinin buumlyuumltuumllmesi sadece temel

araştırmalar iccedilin değil aynı zamanda cihaz uygulamaları iccedilin de oumlnemlidir Geniş alan

ve yuumlksek kalitede ZnO tek kristalleri tek kristal katmanın potansiyel avantajlarından

dolayı UV ve mavi UV ışık yayan cihazlar iccedilin faydalıdır

RF magnetron saccediltırma duumlşuumlk veya yuumlksek sıcaklıklarda ccedilalışılabildiğinden ve

filmlerin makul seviyedeki kalitesinden dolayı tercih edilmektedir

Safir altlıklar benzer kafes oumlrguuml yapıları ve ulaşılabilirliğinden dolayı oldukccedila

popuumllerken diğer altlıklar da değişik cihaz uygulamalarında kullanılmaktadır

MBEnin temel avantajı buumlyuumltme parametrelerinin tam kontroluuml ve buumlyuumltme

ortamında filmi inceleme yeterliliğidir Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

(RHEED) geri beslemesiyle ZnO epi katmanları gerccedilek zamanlı olarak izlenebilir

PLD metodunda yuumlksek guumlccedilluuml lazer atmaları malzemeyi hedeften ayırırken alt

tuumlrlerin yuumlzeyde etkileşmesi sonucu biriken malzemenin stokiyometrisinin korunması

iccedilin buharlaştırmakta kullanılır

Diğer buumlyuumltme youmlntemleri arasında kimyasal buhar biriktirme (CVD)

teknolojisi bilhassa ilgi ccedilekmektedir Ccediluumlnkuuml yuumlksek kalitede filmler buumlyuumltmenin yanı

sıra geniş oumllccedilekte uumlretime uygundur Bu teknik değişik GaN tabanlı optoelektronik

1GİRİŞ

4

cihazların uumlretiminde kullanılan epitaksiyel filmlerin uumlretiminde yaygın olarak

kullanılmaktadır ve bu eğilim ZnOnun gelecek uygulamalarında beklenmektedir Bu

teknikle buumlyuumltuumllen ZnO filmler yuumlksek kristallik elektrik ve ışıma oumlzelliği

goumlstermektedirler

ZnOnun kırıcılık indisi gibi optik oumlzellikleri ve işlemleri yıllar oumlnce

araştırılmaya başlandı ZnOya ilginin tekrar uyanmasının nedenleri direkt geniş bant

aralığı (300 Kde Eg=33 eV) yuumlksek eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) ve etkin

ışımalı yeniden birleşmedir Eksiton bağlanma enerjisi goumlreceli olarak geniştir (ZnO

iccedilin 60 meV GaN iccedilin 25 meV) Geniş eksiton bağlanma enerjisi oda sıcaklığında hatta

daha yuumlksek sıcaklıklarda yoğun yakın bant kenarı eksitonik emisyon yolunu

accedilmaktadır Ccediluumlnkuuml bu değer oda sıcaklığı termal enerji değerinin (kBT=25 meV) 24

katıdır (Vanmaekelbergh ve van Vugt 2011)

ZnOda optik geccedilişler optik absorbsiyon iletim yansıma spektroskopik

elipsometri fotoluumlminisans kalorimetrik elipsometri vb gibi youmlntemlerle belirlenir

İletim oumllccediluumlmlerinden Muth ve ark (1999) epitaksiyel PLD ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO

filmlerin absorbsiyon katsayısını bant aralığını ve eksiton bağlanma enerjilerini

hesapladılar

Yarıiletken ZnO kristalinin eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) teknolojide

geniş kullanım alanına sahip diğer yarıiletken malzemelerden (20 meV ZnSe ve 25 meV

olan GaN) ccedilok daha buumlyuumlktuumlr Bunun yanı sıra ZnO ZnSe ve GaNrsquoa goumlre ccedilok daha

duumlşuumlk sıcaklıklarda hazırlanabilmektedir Bu yuumlzden de optoelektronik uygulamalar iccedilin

son derece oumlnem taşımaktadır Tmasymp2268 K yuumlksek erime sıcaklığına sahip ve

bozulmaksızın yuumlksek akım taşıma kapasitesi olan sağlam bir malzeme olup dielektrik

sabiti =85rsquotir (Carlsson 2002)

Tek boyutlu yarı iletken nano teller ve nano ccedilubuklar elektronik kuantum taşıma

ve yuumlklerin arttırılmış ışınımsal yeniden birleşmeleri gibi kuantum sınırlamasından

gelen fiziksel oumlzellikleri nedeniyle ilgi ccedilekmektedirler Nano teller kısa dalga nano

lazerler alan etkili transistorlar ccedilok hassas nano boyutlu gaz sensorları nano

rezonatoumlrler transduumlserler nano destek kolları ve alan emisyonları gibi uygulamalar

iccedilin temel taşıdırlar (Wang 2004 Pan ve ark 2001 Heo ve ark 2004)

Şu accedilıktır ki ccedilok ccedileşitli nano yapılar ZnO kullanılarak goumlreceli basit sentez

AHMET TOMBAK

5

metotlarıyla uumlretilebilir Bu nano yapılar kesinlikle nano boyutlarda temel fizik

ccedilalışmaları iccedilin kullanılabilir

IIIndashV ve IIndashVI grup duumlşuumlk etkili manyetik yarı iletkenler spine bağımlı manyetik

olay bu duumlşuumlk boyutlu manyetik ince filmlerin spin temelli belli yeteneklerinin

potansiyel olarak değiştirilebilmesinden dolayı oldukccedila ilgi ccedilekmektedir (Liu ve ark

2005)

ldquoAlZnO ince filmlerin optik ve elektriksel oumlzelliklerine gama ışınlarının

etkilerirdquo başlıklı ccedilalışmamda yuumlksek enerjili gama ışınlarının ZnO kristal yapısına

dolayısıyla elektrik ve optik oumlzelliklerine katkısını inceledim Bu konuda yapılan

ccedilalışmaların azlığı dolayısıyla literatuumlre katkıda bulunmayı amaccedilladım

1GİRİŞ

6

AHMET TOMBAK

7

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

Thomas ve Lander (1957) ZnO tek kristallerinin iletkenliklerinin ccedilinko buharı ve

hidrojene maruz kaldığında buumlyuumlk miktarda arttığını goumlsterdiler Fazla miktarda oksijen

ise oda sıcaklığında iletkenliği azaltmaktadır Yuumlzey iletkenliği beklendiği gibi kristal

ccedilapıyla değişmektedir

Medved (1961) ZnO fotoiletkenliğinin tuumlkenim kinetiklerini ışığın şiddeti ve

oksijenin basıncının bir fonksiyonu olarak alan bir model kullanarak inceledi Bu model

genelleştirilmiş Elovich denklemini ccedilıkartmada kullanılır

Azınlık yuumlk taşıyıcı akımlarının oumllccediluumlmleri ve bir yarıiletken elektrottaki uzay

yuumlkuuml kapasitesi elektrot yuumlzeyindeki kimyasal reaksiyonların adımları hakkında bilgi

almada kullanılır Morrison ve Freund (1968) azınlık akım reaksiyonlarının ZnO

kristallerinin yuumlzeyinde oluşan akımları iki katına ccedilıkardığını kapasite oumllccediluumlmleriyle

goumlsterdiler

Heiland ve Kunstmann (1969) kutupsal yuumlzeyleri yarma youmlntemiyle ccedilok duumlşuumlk

basınccedil altında hazırladılar ve geniş sıcaklık aralığında (90minus600 K) yuumlzeydeki elektriksel

iletkenliği incelediler Vakum ortamında tavlamanın ve hidrojen ya da oksijen

soğurmasının sonucunda değişiklikler goumlzlediler Optik oumllccediluumlmlerle bulugularını teyit

ettiler

Uematsu ve Hashimoto (1977) ZnO katalizoumlrlerde aşırı elektron

konsantrasyonunu hidrojenleştirme metodunun yanında tek ve uumlccedilluuml katyon katkısıyla

belirlediler Katkılı ve katkısız ZnOlarda aşırı elektron miktarının vakumda 300 degC

uumlstuumlnde arttığını goumlsterdiler

Optik katı hal lazerlerinin gelişmesi yavaş ve kademeli olmuştur İlk katı hal

lazerinden ışık goumlruumllmesi 1960rsquolarda olmuştur Ccedilok geccedilmeden 1966 yakın UV

boumllgesinde ccedilalışan ZnOlsquodan yapılmış ilk yarı iletken lazer goumlsterildi ZnOrsquonun optik

oumlzelliklerinin araştırıldığı bir ccedilalışmada 1995 yılında oda sıcaklığında ccedilalışan bir lazer

uumlretildi Bu tarihten sonra tek boyutlu ZnO nano teller hakkındaki araştırmalar

araştırmaların odak noktası haline geldi

Epitaksiyel AZO ince filmler tek kristal safir (0001) altlık uumlzerine atmalı lazer

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

8

biriktirme (PLD) youmlntemiyle buumlyuumltuumllduuml (Kim Horwitz ve ark 2002)

Czternastek (2004) Al katkılı ve katkısız ZnO filmleri yuumlksek basınccedillı DC

magnetron saccediltırma cam altlıklar uumlzerine buumlyuumlttuuml Plazma salınım goumlzlemini reaksiyon

odasına akan oksijen miktarını istikrarlı hale getirmek iccedilin kullandı Biriktirme sırasında

toplam basınccedil ve katkı seviyesinin elektrik ve optik oumlzelliklere etkisini inceledi Daha

yuumlksek katkı seviyelerinde tercihli youmlnelimin derece derece azaldığı taşıyıcı

konsantrasyonu ufak miktarlarda arttığı fakat Hall hareketliliğinin iyonlaşmış

safsızlıkların ccedilarpışmasından ve youmlnelimli buumlyuumlme noksanlığından dolayı ciddi

miktarda azaldığını goumlrduuml

Choi Kim ve ark (2005) Al ve F katkılı 200 nm kalınlıklı ZnO filmler ZnF ve

Al2O3 hedeflerle eş zamanlı olarak saccediltırma ile buumlyuumlttuumller XRD oumllccediluumlmlerinden F

katkısının ZnO filmlerinin kristalliğini geliştirdiğini buldular Elektriksel iletkenlik ve

optik absorpsiyon katsayısının tavlama ile arttığını goumlsterdiler

Dong Zhu ve ark (2007) p-GaAs altlıklar uumlzerinde ZnO p-n eklemi ile metal

organik kimyasal buhar biriktirme youmlntemiyle LED diyotlar oluşturdular Oda

sıcaklığında elektroluumlminisans (EL) ve fotoluumlminisans (PL) oumllccediluumlmlerini aldılar

ZnO ışık yayan kaynakların muhtemel uygulamalarında GaNrsquoe karşı avantajları

olduğundan dikkat ccedilekmektedir Hwang Oh ve ark (2007) Epitaksiyel ZnO filmlerde

katkı kontroluuml asitle dağlama ve omik kontak oluşturmayı iccedileren cihaz fabrikasyon

işlemlerini ve son olarak ZnO LED karakteristiklerini incelediler

Senede yuumlz binlerce ton ZnO ccedilimentoya ya da plastiğe katkı malzemesi olarak

kullanılmaktadır Optoelektronik alanında ZnO GaNrsquoe alternatif olarak maviUV

optoelektronik iccedilin ucuzluğu şeffaflığı iletken oksit olması ve elektronik devrelerde

malzeme olma potansiyeli ile dikkat ccedilekmektedir Son doumlnemde ana problem yuumlksek

yeniden uumlretilebilir kararlı p tipi katkılamadır Klingshirn malzeme buumlyuumltme ZnOrsquonun

temel oumlzelikleri ve ZnO temelli nano yapılar ve katkılamanın gelecek uygulamaları

uumlzerinde ccedilalışmıştır (Klingshirn 2007)

AZO filmler şeffaf iletken fonksiyonel guumlneş pillerinde kullanım potansiyeli

olan ve uzay mekiklerinde oksijen direnccedilli sistemlerde kullanılabilen bir malzemedir

Wang ve Wang (2007) yuumlksek performanslı AZO ince filmleri reaktif magnetron

saccediltırma ile hazırlayıp farklı dozlarda gama ışınına maruz bıraktılar Radyasyona maruz

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

III

351 Altlıkların Temizlenmesihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulmasıhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

353 Yapısal oumlzelliklerin belirlenmesi helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37

354 Yuumlk taşıyıcıların yoğunluğu ve yuumlzey direncinin oumllccediluumllmesihelliphelliphelliphelliphelliphellip 37

355 Optik parametrelerin belirlenmesihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37

356 Gama ışını etkisinin goumlzlenmesihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37

4 BULGULAR VE TARTIŞMAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39

41 Girişhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmlerihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39

43 Optik Oumllccediluumlmlerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıklarıhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41

44 Elektriksel Oumllccediluumlmlerihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

5 SONUCcedil VE OumlNERİLERhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49

6 KAYNAKLARhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51

OumlZGECcedilMİŞhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

IV

OumlZET

AlZNO İNCE FİLMLERİN OPTİK VE ELEKTRİKSEL OumlZELLİKLERİNE GAMA

IŞINLARININ ETKİLERİ

YUumlKSEK LİSANS TEZİ

Ahmet TOMBAK

DİCLE UumlNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTUumlSUuml

FİZİK ANABİLİM DALI

2012

Yarıiletken ZnO ince filmler elektriksel iletkenliği ve optik geccedilirgenliği yuumlksek

malzeme olmalarından dolayı teknolojik accedilıdan pek ccedilok yerde kullanılırlar Bu sebepten

malzemenin uumlretimi ve teknik accedilıdan kullanılabilirliğinin oumllccediluumlmuuml oumlnem kazanmaktadır

Bu ccedilalışmada ccedileşitli altlıklar uumlzerine ZnO ince filminin oluşturulması ve değişik

oranlarda Al katkılanmış ZnO ince filmlerin gama ışımasına maruz bırakılmasından sonra bazı

parametrelerindeki değişim araştırıldı Elde edilen yapının elektrik ve optik oumlzellikleri incelendi

İnce filmlerin elektriksel iletkenlikleri Hall etkisi oumllccediluumlm sistemiyle oda sıcaklığında oumllccediluumllduuml

Bazı optik parametreler UV-Vis spektrometrik youmlntemle tayin edildi Optik parametrelerle ilgili

deneysel bulgular teorik hesaplamalarla karşılaştırıldı Alınan bu oumllccediluumlmler AlZnO yapıların

gama ışımasına maruz bırakılmasının ardından tekrar yapıldı ve değişimler goumlzlendi İnce

filmlerin yapı analizi X ışınları kırınımı ile tayin edildi

Anahtar Kelimeler ZnO katkılama elektriksel iletkenlik gama radyasyonu

V

ABSTRACT

THE INVESTIGATION OF GAMMA RAY EXPOSURE TO ELECTRICAL AND OPTICAL

PROPERTIES OF AL DOPED ZNO STRUCTURES

MSc THESIS

Ahmet TOMBAK

DEPARTMENT OF PHYSICS INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES

UNIVERSITY OF DICLE

2012

As semiconductor ZnO thin films have high electrical conductivity and optical

permeability materials used in most position respect of technological Because of this considers

producting of the material and measuring of using respect of technological

In this study forming ZnO thin films on various substrates and changes some

parameters after gamma ray exposure of ranging Al doped ZnO thin films were investigated

Optic and electrical properties of as-grown films were measured Electrical conductivity was

measured by Hall Effect measurement system at room temperature Some optic parameters were

determined by UV-Vis spectrometric method Theoretical calculations on optical parameters

were compared with the ones that were obtained by experimental values These measurements

were made after gamma ray exposure of the thin films and some changes were observed

Structural analysis of the the thin films was made with respect to X ray diffraction data

Key Words ZnO doping conductivity gamma radiation

VI

CcedilİZELGE LİSTESİ

Ccedilizelge No Sayfa

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar 2

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları 41

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri 48

VII

ŞEKİL LİSTESİ

Şekil No Sayfa

Şekil 11 ZnO kristal yapıları 2

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme sisteminin şematize edilmiş hali 21

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 22

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması 26

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma 28

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi 28

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu 33

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı 36

Şekil 38 ZnO ve Al puumlskuumlrtme işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi 36

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi 37

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni 39

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni 40

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni 40

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği 42

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği 42

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği 42

Şekil 47 İnce filmlerin ( )2 ndashenerji grafikleri 43

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 43

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 44

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 44

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 45

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 45

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 46

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 46

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 47

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 47

VIII

KISALTMA VE SİMGELER

A Soğurma

α Soğurma katsayısı

s Yarıiletkenin dielektrik sabiti

AFM Atomik kuvvet mikroskobu

ALD Atomik katman biriktirme

AZO Aluumlminyum katkılı ccedilinko oksit

CVD Kimyasal buhar biriktirme

e Elektronun yuumlkuuml

Eg Yarıiletkenin yasak enerji aralığı

Eph Fonon enerjisi

EL Elektroluumlminesans

eV Elektron volt

FMR Ferromagnetik rezonans

FWHM Tam genişlik yarısı modulasyonu

ITO İndiyum kalay oksit

kGy Kilo grey

LED Işık yayan diyot

LFTS Duumlz yuumlzluuml hedef saccediltırma

MBE Molekuumller ışın epitaksi

me Elektronun etkin kuumltlesi

mh Holuumln (deşik) etkin kuumltlesi

IX

OLED Organik ışık yayan diyot

OMVPE Organometalik buhar fazı epitaksi

PET Polyethylene terephthalate

PL Fotoluumlminesans

PLD Atmalı lazer biriktirme

PVD Fiziksel buharlaştırma biriktirme

R Yansıma katsayısı

RF Radyo frekansı

RH Hall katsayısı

RHEED Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

RTF Oda sıcaklığında ferromanyetizm

SEM Taramalı elektron mikroskobu

T Geccedilirgenlik katsayısı

TCO Şeffaf iletken oksit

TE Termiyonik emisyon

USP Ultrasonik sprey piroliz

UV Mor oumltesi

VH Hall potansiyeli

XPS X ışını fotoelektron spektroskopisi

XRD X ışını kırınımı

ZnO Ccedilinko oksit

AHMET TOMBAK

1

1 GİRİŞ

ZnO hakkındaki bilimsel ccedilalışmalar on yıllar oumlncesine dayanmaktadır Bu

konuya ilginin canlanması yuumlksek kaliteli altlıkların kolay elde edilmesi p tipi iletimin

rapor edilmesi piezoelektrik davranış ve ccedileşitli geccediliş elementlerinin katkılanmasıyla

ferromanyetik oumlzelliklerin keşfedilmesi oldu ZnO oumlrguuml parametrelerinin incelenmesi

1935rsquolere dayanır (Bunn 1935) titreşim oumlzellikleri Raman saccedilılmasıyla 1966rsquoda

incelendi (Damen ve ark 1966) detaylı optik oumlzellik incelemesi 1954 yılında (Mollwo

1954) ve kimyasal buhar taşıma youmlntemiyle buumlyuumltme 1970rsquode başarıldı (Galli ve Coker

1970) ZnOZnTe p-n eklemi 1975rsquode yapıldı ve AlAu omik kontaklar 1978rsquode rapor

edildi (Tsurkan ve ark 1978)

Yuumlksek iyoniklikleri ve geniş bant aralıklarının direkt bant aralığı olması

soğurma ve luumlminesans iccedilin yuumlksek optik geccedilirgenlik olasılığına sahip olmaları

nedeniyle periyodik tablonun IIB ve VIA grubu elementlerinin birleşimi ile oluşan IIndash

VI bileşiklerine olan ilgi buumlyuumlktuumlr Bu bileşiklere CdS CdZnS ZnS ve ZnO gibi

bileşikler oumlrnek olarak verilebilir IIndashVI bileşiklerinin yasak enerji aralığı 18ndash4 eV

civarındadır Bu bileşikler kızıloumltesi dedektoumlrler guumlneş pilleri lazerler ve ccedileşitli

diyotların uumlretiminde oldukccedila yaygın bir şekilde kullanılmaktadır (Fahrenbruch 1977)

Direk ve geniş bant aralıklı materyal olan ZnO ccedileşitli elektronik ve

optoelektronik uygulamalar iccedilin ccedilok ccedilekici bir materyaldir (Reynolds ve Collins 1969)

Son yıllarda geniş bant aralığına sahip yarıiletken malzemelerin teknoloji ve

elektronik biliminde kullanım alanları genişlemiştir Bu malzemelerin teknolojide geniş

ccedilapta kullanılması nedeniyle birbirinden uumlstuumln yanlarının ve daha ucuz elde edilebilme

yollarının araştırılması hız kazanmıştır ZnO ZnS ZnSe GaAs GaN gibi yarıiletkenler

yuumlksek sıcaklık ve yuumlksek ışıma guumlcuuml gerektiren elektronik biliminde LED ve lazer

diyotları gibi kısa dalga boylu (UV ve şiddetli mavindashyeşil) ışık yayan optik aletlerde

kullanılmakta ve daha iyi sonuccedilların elde edilebilmesi iccedilin araştırılmaktadır

Elektromanyetik spektrumun goumlruumlnuumlr boumllgesinde geccedilirgen olan geniş bant

aralığına sahip yarıiletkenler elektronik ve optoelektronik aygıtların uumlretiminde oumlnemli

rol oynamaktadır Geccedilirgen iletken ve yarıiletken oksitlerin en oumlnemli avantajları

kimyasal olarak kararlı olmaları ve farklı altlıklar uumlzerine kolayca depolanabilmeleridir

1GİRİŞ

2

(Minami 2005)

ZnO IIndashVI grup iyonikliği kovalent ve iyonik yarı iletkenler arasında sınırda

olan yarı iletken bir bileşiktir ZnOnun kristal yapıları uumlccedil faz iccedilin vurtzit ccedilinko suumllfuumlr

(blend) ve kaya tuzudur Şekil 1de ZnO molekuumlluumlnuumln farklı kristal yapıları

goumlruumllmektedir Hava ortamında termodinamik olarak kararlı faz vurtzit simetrisidir

Ccedilinko suumllfuumlr yapı ZnO sadece kuumlbik altlık uumlzerine buumlyuumltuumlluumlrse kararlı hale

getirilebilirler

Şekil 11 ZnO kristal yapıları (a) kuumlbik kaya tuzu (b) kuumlbik ccedilinko suumllfuumlr (c) altıgen vuumlrtzit

ZnOnun kristal yapıları teorik hesaplamalarla ve deneysel olarak araştırılıp

rapor edilmiştir Ccedilizelge 11de bazı teorik ve deneysel ccedilalışmaların sonuccedilları

goumlruumllmektedir

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar

Deneysel sonuccedillar Teorik hesaplamalar

Bates ve ark

(1962)

Gerward ve ark (1995)

Desgreniers (1998)

Ahuja ve ark (1998)

Liu ve ark (1986)

Zaoui ve Sekkal

(2002)

Vuumlrtzit

hacim (Aring3)

2382 2378 2379 2360 2383 2383

Kaya tuzu

hacim(Aring3)

1960 1960 1948 1951 1904 1904

Burulma

basıncı

(GPa)

950 900 870 932 932 1045

AHMET TOMBAK

3

ZnO filmlerin ccedileşitli tekniklerle buumlyuumltuumllmesi ve akustik ve optik cihazlarda

kullanılması gibi uygulamalar ilgi ccedileken araştırma konularından bir tanesidir

Uygulamalar uumlzerinde yapılan araştırmalar daha ccedilok ZnOnun muumlkemmel piezoelektrik

oumlzellikleri ve cam safir ve elmas altlıklar uumlzerinde guumlccedilluuml (0001) tercihli youmlnelimle

buumlyuumlme eğiliminde yoğunlaşmaktadır ZnO ince film buumlyuumltmede eski ccedilalışmalarda

magnetron saccediltırma kimyasal buhar biriktirme yaygındı Fakat bu buumlyuumltmelerde filmler

ccediloklu kristal yapıdaydılar Sonraki ccedilalışmalarda yuumlksek kalitede tek kristal filmler radyo

frekansı magnetron saccediltırma ile hazırlandı ve biriktirme işleminin kontrolluuml olarak

gerccedilekleştiği diğer buumlyuumltme teknikleri kullanıldı Bunlar arasında molekuumller demet

epitaksi atmalı lazer biriktirme organometalik buhar fazı epitaksi sayılabilir

Heteroeklem ZnO tabakaları CaF2 (Ma Du ve ark 2005) Si (Dhananjay

Nagaraju ve ark 2007) GaAs (Nag ve Bhattacharya 2010) ve GaN (Asil Gur ve ark

2009) gibi altlıklar uumlzerine de buumlyuumltuumllduuml

Geniş alan ve yuumlksek kalitede ZnO kristallerinin buumlyuumltuumllmesi sadece temel

araştırmalar iccedilin değil aynı zamanda cihaz uygulamaları iccedilin de oumlnemlidir Geniş alan

ve yuumlksek kalitede ZnO tek kristalleri tek kristal katmanın potansiyel avantajlarından

dolayı UV ve mavi UV ışık yayan cihazlar iccedilin faydalıdır

RF magnetron saccediltırma duumlşuumlk veya yuumlksek sıcaklıklarda ccedilalışılabildiğinden ve

filmlerin makul seviyedeki kalitesinden dolayı tercih edilmektedir

Safir altlıklar benzer kafes oumlrguuml yapıları ve ulaşılabilirliğinden dolayı oldukccedila

popuumllerken diğer altlıklar da değişik cihaz uygulamalarında kullanılmaktadır

MBEnin temel avantajı buumlyuumltme parametrelerinin tam kontroluuml ve buumlyuumltme

ortamında filmi inceleme yeterliliğidir Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

(RHEED) geri beslemesiyle ZnO epi katmanları gerccedilek zamanlı olarak izlenebilir

PLD metodunda yuumlksek guumlccedilluuml lazer atmaları malzemeyi hedeften ayırırken alt

tuumlrlerin yuumlzeyde etkileşmesi sonucu biriken malzemenin stokiyometrisinin korunması

iccedilin buharlaştırmakta kullanılır

Diğer buumlyuumltme youmlntemleri arasında kimyasal buhar biriktirme (CVD)

teknolojisi bilhassa ilgi ccedilekmektedir Ccediluumlnkuuml yuumlksek kalitede filmler buumlyuumltmenin yanı

sıra geniş oumllccedilekte uumlretime uygundur Bu teknik değişik GaN tabanlı optoelektronik

1GİRİŞ

4

cihazların uumlretiminde kullanılan epitaksiyel filmlerin uumlretiminde yaygın olarak

kullanılmaktadır ve bu eğilim ZnOnun gelecek uygulamalarında beklenmektedir Bu

teknikle buumlyuumltuumllen ZnO filmler yuumlksek kristallik elektrik ve ışıma oumlzelliği

goumlstermektedirler

ZnOnun kırıcılık indisi gibi optik oumlzellikleri ve işlemleri yıllar oumlnce

araştırılmaya başlandı ZnOya ilginin tekrar uyanmasının nedenleri direkt geniş bant

aralığı (300 Kde Eg=33 eV) yuumlksek eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) ve etkin

ışımalı yeniden birleşmedir Eksiton bağlanma enerjisi goumlreceli olarak geniştir (ZnO

iccedilin 60 meV GaN iccedilin 25 meV) Geniş eksiton bağlanma enerjisi oda sıcaklığında hatta

daha yuumlksek sıcaklıklarda yoğun yakın bant kenarı eksitonik emisyon yolunu

accedilmaktadır Ccediluumlnkuuml bu değer oda sıcaklığı termal enerji değerinin (kBT=25 meV) 24

katıdır (Vanmaekelbergh ve van Vugt 2011)

ZnOda optik geccedilişler optik absorbsiyon iletim yansıma spektroskopik

elipsometri fotoluumlminisans kalorimetrik elipsometri vb gibi youmlntemlerle belirlenir

İletim oumllccediluumlmlerinden Muth ve ark (1999) epitaksiyel PLD ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO

filmlerin absorbsiyon katsayısını bant aralığını ve eksiton bağlanma enerjilerini

hesapladılar

Yarıiletken ZnO kristalinin eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) teknolojide

geniş kullanım alanına sahip diğer yarıiletken malzemelerden (20 meV ZnSe ve 25 meV

olan GaN) ccedilok daha buumlyuumlktuumlr Bunun yanı sıra ZnO ZnSe ve GaNrsquoa goumlre ccedilok daha

duumlşuumlk sıcaklıklarda hazırlanabilmektedir Bu yuumlzden de optoelektronik uygulamalar iccedilin

son derece oumlnem taşımaktadır Tmasymp2268 K yuumlksek erime sıcaklığına sahip ve

bozulmaksızın yuumlksek akım taşıma kapasitesi olan sağlam bir malzeme olup dielektrik

sabiti =85rsquotir (Carlsson 2002)

Tek boyutlu yarı iletken nano teller ve nano ccedilubuklar elektronik kuantum taşıma

ve yuumlklerin arttırılmış ışınımsal yeniden birleşmeleri gibi kuantum sınırlamasından

gelen fiziksel oumlzellikleri nedeniyle ilgi ccedilekmektedirler Nano teller kısa dalga nano

lazerler alan etkili transistorlar ccedilok hassas nano boyutlu gaz sensorları nano

rezonatoumlrler transduumlserler nano destek kolları ve alan emisyonları gibi uygulamalar

iccedilin temel taşıdırlar (Wang 2004 Pan ve ark 2001 Heo ve ark 2004)

Şu accedilıktır ki ccedilok ccedileşitli nano yapılar ZnO kullanılarak goumlreceli basit sentez

AHMET TOMBAK

5

metotlarıyla uumlretilebilir Bu nano yapılar kesinlikle nano boyutlarda temel fizik

ccedilalışmaları iccedilin kullanılabilir

IIIndashV ve IIndashVI grup duumlşuumlk etkili manyetik yarı iletkenler spine bağımlı manyetik

olay bu duumlşuumlk boyutlu manyetik ince filmlerin spin temelli belli yeteneklerinin

potansiyel olarak değiştirilebilmesinden dolayı oldukccedila ilgi ccedilekmektedir (Liu ve ark

2005)

ldquoAlZnO ince filmlerin optik ve elektriksel oumlzelliklerine gama ışınlarının

etkilerirdquo başlıklı ccedilalışmamda yuumlksek enerjili gama ışınlarının ZnO kristal yapısına

dolayısıyla elektrik ve optik oumlzelliklerine katkısını inceledim Bu konuda yapılan

ccedilalışmaların azlığı dolayısıyla literatuumlre katkıda bulunmayı amaccedilladım

1GİRİŞ

6

AHMET TOMBAK

7

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

Thomas ve Lander (1957) ZnO tek kristallerinin iletkenliklerinin ccedilinko buharı ve

hidrojene maruz kaldığında buumlyuumlk miktarda arttığını goumlsterdiler Fazla miktarda oksijen

ise oda sıcaklığında iletkenliği azaltmaktadır Yuumlzey iletkenliği beklendiği gibi kristal

ccedilapıyla değişmektedir

Medved (1961) ZnO fotoiletkenliğinin tuumlkenim kinetiklerini ışığın şiddeti ve

oksijenin basıncının bir fonksiyonu olarak alan bir model kullanarak inceledi Bu model

genelleştirilmiş Elovich denklemini ccedilıkartmada kullanılır

Azınlık yuumlk taşıyıcı akımlarının oumllccediluumlmleri ve bir yarıiletken elektrottaki uzay

yuumlkuuml kapasitesi elektrot yuumlzeyindeki kimyasal reaksiyonların adımları hakkında bilgi

almada kullanılır Morrison ve Freund (1968) azınlık akım reaksiyonlarının ZnO

kristallerinin yuumlzeyinde oluşan akımları iki katına ccedilıkardığını kapasite oumllccediluumlmleriyle

goumlsterdiler

Heiland ve Kunstmann (1969) kutupsal yuumlzeyleri yarma youmlntemiyle ccedilok duumlşuumlk

basınccedil altında hazırladılar ve geniş sıcaklık aralığında (90minus600 K) yuumlzeydeki elektriksel

iletkenliği incelediler Vakum ortamında tavlamanın ve hidrojen ya da oksijen

soğurmasının sonucunda değişiklikler goumlzlediler Optik oumllccediluumlmlerle bulugularını teyit

ettiler

Uematsu ve Hashimoto (1977) ZnO katalizoumlrlerde aşırı elektron

konsantrasyonunu hidrojenleştirme metodunun yanında tek ve uumlccedilluuml katyon katkısıyla

belirlediler Katkılı ve katkısız ZnOlarda aşırı elektron miktarının vakumda 300 degC

uumlstuumlnde arttığını goumlsterdiler

Optik katı hal lazerlerinin gelişmesi yavaş ve kademeli olmuştur İlk katı hal

lazerinden ışık goumlruumllmesi 1960rsquolarda olmuştur Ccedilok geccedilmeden 1966 yakın UV

boumllgesinde ccedilalışan ZnOlsquodan yapılmış ilk yarı iletken lazer goumlsterildi ZnOrsquonun optik

oumlzelliklerinin araştırıldığı bir ccedilalışmada 1995 yılında oda sıcaklığında ccedilalışan bir lazer

uumlretildi Bu tarihten sonra tek boyutlu ZnO nano teller hakkındaki araştırmalar

araştırmaların odak noktası haline geldi

Epitaksiyel AZO ince filmler tek kristal safir (0001) altlık uumlzerine atmalı lazer

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

8

biriktirme (PLD) youmlntemiyle buumlyuumltuumllduuml (Kim Horwitz ve ark 2002)

Czternastek (2004) Al katkılı ve katkısız ZnO filmleri yuumlksek basınccedillı DC

magnetron saccediltırma cam altlıklar uumlzerine buumlyuumlttuuml Plazma salınım goumlzlemini reaksiyon

odasına akan oksijen miktarını istikrarlı hale getirmek iccedilin kullandı Biriktirme sırasında

toplam basınccedil ve katkı seviyesinin elektrik ve optik oumlzelliklere etkisini inceledi Daha

yuumlksek katkı seviyelerinde tercihli youmlnelimin derece derece azaldığı taşıyıcı

konsantrasyonu ufak miktarlarda arttığı fakat Hall hareketliliğinin iyonlaşmış

safsızlıkların ccedilarpışmasından ve youmlnelimli buumlyuumlme noksanlığından dolayı ciddi

miktarda azaldığını goumlrduuml

Choi Kim ve ark (2005) Al ve F katkılı 200 nm kalınlıklı ZnO filmler ZnF ve

Al2O3 hedeflerle eş zamanlı olarak saccediltırma ile buumlyuumlttuumller XRD oumllccediluumlmlerinden F

katkısının ZnO filmlerinin kristalliğini geliştirdiğini buldular Elektriksel iletkenlik ve

optik absorpsiyon katsayısının tavlama ile arttığını goumlsterdiler

Dong Zhu ve ark (2007) p-GaAs altlıklar uumlzerinde ZnO p-n eklemi ile metal

organik kimyasal buhar biriktirme youmlntemiyle LED diyotlar oluşturdular Oda

sıcaklığında elektroluumlminisans (EL) ve fotoluumlminisans (PL) oumllccediluumlmlerini aldılar

ZnO ışık yayan kaynakların muhtemel uygulamalarında GaNrsquoe karşı avantajları

olduğundan dikkat ccedilekmektedir Hwang Oh ve ark (2007) Epitaksiyel ZnO filmlerde

katkı kontroluuml asitle dağlama ve omik kontak oluşturmayı iccedileren cihaz fabrikasyon

işlemlerini ve son olarak ZnO LED karakteristiklerini incelediler

Senede yuumlz binlerce ton ZnO ccedilimentoya ya da plastiğe katkı malzemesi olarak

kullanılmaktadır Optoelektronik alanında ZnO GaNrsquoe alternatif olarak maviUV

optoelektronik iccedilin ucuzluğu şeffaflığı iletken oksit olması ve elektronik devrelerde

malzeme olma potansiyeli ile dikkat ccedilekmektedir Son doumlnemde ana problem yuumlksek

yeniden uumlretilebilir kararlı p tipi katkılamadır Klingshirn malzeme buumlyuumltme ZnOrsquonun

temel oumlzelikleri ve ZnO temelli nano yapılar ve katkılamanın gelecek uygulamaları

uumlzerinde ccedilalışmıştır (Klingshirn 2007)

AZO filmler şeffaf iletken fonksiyonel guumlneş pillerinde kullanım potansiyeli

olan ve uzay mekiklerinde oksijen direnccedilli sistemlerde kullanılabilen bir malzemedir

Wang ve Wang (2007) yuumlksek performanslı AZO ince filmleri reaktif magnetron

saccediltırma ile hazırlayıp farklı dozlarda gama ışınına maruz bıraktılar Radyasyona maruz

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

IV

OumlZET

AlZNO İNCE FİLMLERİN OPTİK VE ELEKTRİKSEL OumlZELLİKLERİNE GAMA

IŞINLARININ ETKİLERİ

YUumlKSEK LİSANS TEZİ

Ahmet TOMBAK

DİCLE UumlNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTUumlSUuml

FİZİK ANABİLİM DALI

2012

Yarıiletken ZnO ince filmler elektriksel iletkenliği ve optik geccedilirgenliği yuumlksek

malzeme olmalarından dolayı teknolojik accedilıdan pek ccedilok yerde kullanılırlar Bu sebepten

malzemenin uumlretimi ve teknik accedilıdan kullanılabilirliğinin oumllccediluumlmuuml oumlnem kazanmaktadır

Bu ccedilalışmada ccedileşitli altlıklar uumlzerine ZnO ince filminin oluşturulması ve değişik

oranlarda Al katkılanmış ZnO ince filmlerin gama ışımasına maruz bırakılmasından sonra bazı

parametrelerindeki değişim araştırıldı Elde edilen yapının elektrik ve optik oumlzellikleri incelendi

İnce filmlerin elektriksel iletkenlikleri Hall etkisi oumllccediluumlm sistemiyle oda sıcaklığında oumllccediluumllduuml

Bazı optik parametreler UV-Vis spektrometrik youmlntemle tayin edildi Optik parametrelerle ilgili

deneysel bulgular teorik hesaplamalarla karşılaştırıldı Alınan bu oumllccediluumlmler AlZnO yapıların

gama ışımasına maruz bırakılmasının ardından tekrar yapıldı ve değişimler goumlzlendi İnce

filmlerin yapı analizi X ışınları kırınımı ile tayin edildi

Anahtar Kelimeler ZnO katkılama elektriksel iletkenlik gama radyasyonu

V

ABSTRACT

THE INVESTIGATION OF GAMMA RAY EXPOSURE TO ELECTRICAL AND OPTICAL

PROPERTIES OF AL DOPED ZNO STRUCTURES

MSc THESIS

Ahmet TOMBAK

DEPARTMENT OF PHYSICS INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES

UNIVERSITY OF DICLE

2012

As semiconductor ZnO thin films have high electrical conductivity and optical

permeability materials used in most position respect of technological Because of this considers

producting of the material and measuring of using respect of technological

In this study forming ZnO thin films on various substrates and changes some

parameters after gamma ray exposure of ranging Al doped ZnO thin films were investigated

Optic and electrical properties of as-grown films were measured Electrical conductivity was

measured by Hall Effect measurement system at room temperature Some optic parameters were

determined by UV-Vis spectrometric method Theoretical calculations on optical parameters

were compared with the ones that were obtained by experimental values These measurements

were made after gamma ray exposure of the thin films and some changes were observed

Structural analysis of the the thin films was made with respect to X ray diffraction data

Key Words ZnO doping conductivity gamma radiation

VI

CcedilİZELGE LİSTESİ

Ccedilizelge No Sayfa

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar 2

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları 41

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri 48

VII

ŞEKİL LİSTESİ

Şekil No Sayfa

Şekil 11 ZnO kristal yapıları 2

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme sisteminin şematize edilmiş hali 21

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 22

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması 26

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma 28

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi 28

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu 33

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı 36

Şekil 38 ZnO ve Al puumlskuumlrtme işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi 36

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi 37

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni 39

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni 40

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni 40

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği 42

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği 42

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği 42

Şekil 47 İnce filmlerin ( )2 ndashenerji grafikleri 43

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 43

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 44

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 44

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 45

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 45

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 46

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 46

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 47

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 47

VIII

KISALTMA VE SİMGELER

A Soğurma

α Soğurma katsayısı

s Yarıiletkenin dielektrik sabiti

AFM Atomik kuvvet mikroskobu

ALD Atomik katman biriktirme

AZO Aluumlminyum katkılı ccedilinko oksit

CVD Kimyasal buhar biriktirme

e Elektronun yuumlkuuml

Eg Yarıiletkenin yasak enerji aralığı

Eph Fonon enerjisi

EL Elektroluumlminesans

eV Elektron volt

FMR Ferromagnetik rezonans

FWHM Tam genişlik yarısı modulasyonu

ITO İndiyum kalay oksit

kGy Kilo grey

LED Işık yayan diyot

LFTS Duumlz yuumlzluuml hedef saccediltırma

MBE Molekuumller ışın epitaksi

me Elektronun etkin kuumltlesi

mh Holuumln (deşik) etkin kuumltlesi

IX

OLED Organik ışık yayan diyot

OMVPE Organometalik buhar fazı epitaksi

PET Polyethylene terephthalate

PL Fotoluumlminesans

PLD Atmalı lazer biriktirme

PVD Fiziksel buharlaştırma biriktirme

R Yansıma katsayısı

RF Radyo frekansı

RH Hall katsayısı

RHEED Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

RTF Oda sıcaklığında ferromanyetizm

SEM Taramalı elektron mikroskobu

T Geccedilirgenlik katsayısı

TCO Şeffaf iletken oksit

TE Termiyonik emisyon

USP Ultrasonik sprey piroliz

UV Mor oumltesi

VH Hall potansiyeli

XPS X ışını fotoelektron spektroskopisi

XRD X ışını kırınımı

ZnO Ccedilinko oksit

AHMET TOMBAK

1

1 GİRİŞ

ZnO hakkındaki bilimsel ccedilalışmalar on yıllar oumlncesine dayanmaktadır Bu

konuya ilginin canlanması yuumlksek kaliteli altlıkların kolay elde edilmesi p tipi iletimin

rapor edilmesi piezoelektrik davranış ve ccedileşitli geccediliş elementlerinin katkılanmasıyla

ferromanyetik oumlzelliklerin keşfedilmesi oldu ZnO oumlrguuml parametrelerinin incelenmesi

1935rsquolere dayanır (Bunn 1935) titreşim oumlzellikleri Raman saccedilılmasıyla 1966rsquoda

incelendi (Damen ve ark 1966) detaylı optik oumlzellik incelemesi 1954 yılında (Mollwo

1954) ve kimyasal buhar taşıma youmlntemiyle buumlyuumltme 1970rsquode başarıldı (Galli ve Coker

1970) ZnOZnTe p-n eklemi 1975rsquode yapıldı ve AlAu omik kontaklar 1978rsquode rapor

edildi (Tsurkan ve ark 1978)

Yuumlksek iyoniklikleri ve geniş bant aralıklarının direkt bant aralığı olması

soğurma ve luumlminesans iccedilin yuumlksek optik geccedilirgenlik olasılığına sahip olmaları

nedeniyle periyodik tablonun IIB ve VIA grubu elementlerinin birleşimi ile oluşan IIndash

VI bileşiklerine olan ilgi buumlyuumlktuumlr Bu bileşiklere CdS CdZnS ZnS ve ZnO gibi

bileşikler oumlrnek olarak verilebilir IIndashVI bileşiklerinin yasak enerji aralığı 18ndash4 eV

civarındadır Bu bileşikler kızıloumltesi dedektoumlrler guumlneş pilleri lazerler ve ccedileşitli

diyotların uumlretiminde oldukccedila yaygın bir şekilde kullanılmaktadır (Fahrenbruch 1977)

Direk ve geniş bant aralıklı materyal olan ZnO ccedileşitli elektronik ve

optoelektronik uygulamalar iccedilin ccedilok ccedilekici bir materyaldir (Reynolds ve Collins 1969)

Son yıllarda geniş bant aralığına sahip yarıiletken malzemelerin teknoloji ve

elektronik biliminde kullanım alanları genişlemiştir Bu malzemelerin teknolojide geniş

ccedilapta kullanılması nedeniyle birbirinden uumlstuumln yanlarının ve daha ucuz elde edilebilme

yollarının araştırılması hız kazanmıştır ZnO ZnS ZnSe GaAs GaN gibi yarıiletkenler

yuumlksek sıcaklık ve yuumlksek ışıma guumlcuuml gerektiren elektronik biliminde LED ve lazer

diyotları gibi kısa dalga boylu (UV ve şiddetli mavindashyeşil) ışık yayan optik aletlerde

kullanılmakta ve daha iyi sonuccedilların elde edilebilmesi iccedilin araştırılmaktadır

Elektromanyetik spektrumun goumlruumlnuumlr boumllgesinde geccedilirgen olan geniş bant

aralığına sahip yarıiletkenler elektronik ve optoelektronik aygıtların uumlretiminde oumlnemli

rol oynamaktadır Geccedilirgen iletken ve yarıiletken oksitlerin en oumlnemli avantajları

kimyasal olarak kararlı olmaları ve farklı altlıklar uumlzerine kolayca depolanabilmeleridir

1GİRİŞ

2

(Minami 2005)

ZnO IIndashVI grup iyonikliği kovalent ve iyonik yarı iletkenler arasında sınırda

olan yarı iletken bir bileşiktir ZnOnun kristal yapıları uumlccedil faz iccedilin vurtzit ccedilinko suumllfuumlr

(blend) ve kaya tuzudur Şekil 1de ZnO molekuumlluumlnuumln farklı kristal yapıları

goumlruumllmektedir Hava ortamında termodinamik olarak kararlı faz vurtzit simetrisidir

Ccedilinko suumllfuumlr yapı ZnO sadece kuumlbik altlık uumlzerine buumlyuumltuumlluumlrse kararlı hale

getirilebilirler

Şekil 11 ZnO kristal yapıları (a) kuumlbik kaya tuzu (b) kuumlbik ccedilinko suumllfuumlr (c) altıgen vuumlrtzit

ZnOnun kristal yapıları teorik hesaplamalarla ve deneysel olarak araştırılıp

rapor edilmiştir Ccedilizelge 11de bazı teorik ve deneysel ccedilalışmaların sonuccedilları

goumlruumllmektedir

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar

Deneysel sonuccedillar Teorik hesaplamalar

Bates ve ark

(1962)

Gerward ve ark (1995)

Desgreniers (1998)

Ahuja ve ark (1998)

Liu ve ark (1986)

Zaoui ve Sekkal

(2002)

Vuumlrtzit

hacim (Aring3)

2382 2378 2379 2360 2383 2383

Kaya tuzu

hacim(Aring3)

1960 1960 1948 1951 1904 1904

Burulma

basıncı

(GPa)

950 900 870 932 932 1045

AHMET TOMBAK

3

ZnO filmlerin ccedileşitli tekniklerle buumlyuumltuumllmesi ve akustik ve optik cihazlarda

kullanılması gibi uygulamalar ilgi ccedileken araştırma konularından bir tanesidir

Uygulamalar uumlzerinde yapılan araştırmalar daha ccedilok ZnOnun muumlkemmel piezoelektrik

oumlzellikleri ve cam safir ve elmas altlıklar uumlzerinde guumlccedilluuml (0001) tercihli youmlnelimle

buumlyuumlme eğiliminde yoğunlaşmaktadır ZnO ince film buumlyuumltmede eski ccedilalışmalarda

magnetron saccediltırma kimyasal buhar biriktirme yaygındı Fakat bu buumlyuumltmelerde filmler

ccediloklu kristal yapıdaydılar Sonraki ccedilalışmalarda yuumlksek kalitede tek kristal filmler radyo

frekansı magnetron saccediltırma ile hazırlandı ve biriktirme işleminin kontrolluuml olarak

gerccedilekleştiği diğer buumlyuumltme teknikleri kullanıldı Bunlar arasında molekuumller demet

epitaksi atmalı lazer biriktirme organometalik buhar fazı epitaksi sayılabilir

Heteroeklem ZnO tabakaları CaF2 (Ma Du ve ark 2005) Si (Dhananjay

Nagaraju ve ark 2007) GaAs (Nag ve Bhattacharya 2010) ve GaN (Asil Gur ve ark

2009) gibi altlıklar uumlzerine de buumlyuumltuumllduuml

Geniş alan ve yuumlksek kalitede ZnO kristallerinin buumlyuumltuumllmesi sadece temel

araştırmalar iccedilin değil aynı zamanda cihaz uygulamaları iccedilin de oumlnemlidir Geniş alan

ve yuumlksek kalitede ZnO tek kristalleri tek kristal katmanın potansiyel avantajlarından

dolayı UV ve mavi UV ışık yayan cihazlar iccedilin faydalıdır

RF magnetron saccediltırma duumlşuumlk veya yuumlksek sıcaklıklarda ccedilalışılabildiğinden ve

filmlerin makul seviyedeki kalitesinden dolayı tercih edilmektedir

Safir altlıklar benzer kafes oumlrguuml yapıları ve ulaşılabilirliğinden dolayı oldukccedila

popuumllerken diğer altlıklar da değişik cihaz uygulamalarında kullanılmaktadır

MBEnin temel avantajı buumlyuumltme parametrelerinin tam kontroluuml ve buumlyuumltme

ortamında filmi inceleme yeterliliğidir Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

(RHEED) geri beslemesiyle ZnO epi katmanları gerccedilek zamanlı olarak izlenebilir

PLD metodunda yuumlksek guumlccedilluuml lazer atmaları malzemeyi hedeften ayırırken alt

tuumlrlerin yuumlzeyde etkileşmesi sonucu biriken malzemenin stokiyometrisinin korunması

iccedilin buharlaştırmakta kullanılır

Diğer buumlyuumltme youmlntemleri arasında kimyasal buhar biriktirme (CVD)

teknolojisi bilhassa ilgi ccedilekmektedir Ccediluumlnkuuml yuumlksek kalitede filmler buumlyuumltmenin yanı

sıra geniş oumllccedilekte uumlretime uygundur Bu teknik değişik GaN tabanlı optoelektronik

1GİRİŞ

4

cihazların uumlretiminde kullanılan epitaksiyel filmlerin uumlretiminde yaygın olarak

kullanılmaktadır ve bu eğilim ZnOnun gelecek uygulamalarında beklenmektedir Bu

teknikle buumlyuumltuumllen ZnO filmler yuumlksek kristallik elektrik ve ışıma oumlzelliği

goumlstermektedirler

ZnOnun kırıcılık indisi gibi optik oumlzellikleri ve işlemleri yıllar oumlnce

araştırılmaya başlandı ZnOya ilginin tekrar uyanmasının nedenleri direkt geniş bant

aralığı (300 Kde Eg=33 eV) yuumlksek eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) ve etkin

ışımalı yeniden birleşmedir Eksiton bağlanma enerjisi goumlreceli olarak geniştir (ZnO

iccedilin 60 meV GaN iccedilin 25 meV) Geniş eksiton bağlanma enerjisi oda sıcaklığında hatta

daha yuumlksek sıcaklıklarda yoğun yakın bant kenarı eksitonik emisyon yolunu

accedilmaktadır Ccediluumlnkuuml bu değer oda sıcaklığı termal enerji değerinin (kBT=25 meV) 24

katıdır (Vanmaekelbergh ve van Vugt 2011)

ZnOda optik geccedilişler optik absorbsiyon iletim yansıma spektroskopik

elipsometri fotoluumlminisans kalorimetrik elipsometri vb gibi youmlntemlerle belirlenir

İletim oumllccediluumlmlerinden Muth ve ark (1999) epitaksiyel PLD ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO

filmlerin absorbsiyon katsayısını bant aralığını ve eksiton bağlanma enerjilerini

hesapladılar

Yarıiletken ZnO kristalinin eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) teknolojide

geniş kullanım alanına sahip diğer yarıiletken malzemelerden (20 meV ZnSe ve 25 meV

olan GaN) ccedilok daha buumlyuumlktuumlr Bunun yanı sıra ZnO ZnSe ve GaNrsquoa goumlre ccedilok daha

duumlşuumlk sıcaklıklarda hazırlanabilmektedir Bu yuumlzden de optoelektronik uygulamalar iccedilin

son derece oumlnem taşımaktadır Tmasymp2268 K yuumlksek erime sıcaklığına sahip ve

bozulmaksızın yuumlksek akım taşıma kapasitesi olan sağlam bir malzeme olup dielektrik

sabiti =85rsquotir (Carlsson 2002)

Tek boyutlu yarı iletken nano teller ve nano ccedilubuklar elektronik kuantum taşıma

ve yuumlklerin arttırılmış ışınımsal yeniden birleşmeleri gibi kuantum sınırlamasından

gelen fiziksel oumlzellikleri nedeniyle ilgi ccedilekmektedirler Nano teller kısa dalga nano

lazerler alan etkili transistorlar ccedilok hassas nano boyutlu gaz sensorları nano

rezonatoumlrler transduumlserler nano destek kolları ve alan emisyonları gibi uygulamalar

iccedilin temel taşıdırlar (Wang 2004 Pan ve ark 2001 Heo ve ark 2004)

Şu accedilıktır ki ccedilok ccedileşitli nano yapılar ZnO kullanılarak goumlreceli basit sentez

AHMET TOMBAK

5

metotlarıyla uumlretilebilir Bu nano yapılar kesinlikle nano boyutlarda temel fizik

ccedilalışmaları iccedilin kullanılabilir

IIIndashV ve IIndashVI grup duumlşuumlk etkili manyetik yarı iletkenler spine bağımlı manyetik

olay bu duumlşuumlk boyutlu manyetik ince filmlerin spin temelli belli yeteneklerinin

potansiyel olarak değiştirilebilmesinden dolayı oldukccedila ilgi ccedilekmektedir (Liu ve ark

2005)

ldquoAlZnO ince filmlerin optik ve elektriksel oumlzelliklerine gama ışınlarının

etkilerirdquo başlıklı ccedilalışmamda yuumlksek enerjili gama ışınlarının ZnO kristal yapısına

dolayısıyla elektrik ve optik oumlzelliklerine katkısını inceledim Bu konuda yapılan

ccedilalışmaların azlığı dolayısıyla literatuumlre katkıda bulunmayı amaccedilladım

1GİRİŞ

6

AHMET TOMBAK

7

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

Thomas ve Lander (1957) ZnO tek kristallerinin iletkenliklerinin ccedilinko buharı ve

hidrojene maruz kaldığında buumlyuumlk miktarda arttığını goumlsterdiler Fazla miktarda oksijen

ise oda sıcaklığında iletkenliği azaltmaktadır Yuumlzey iletkenliği beklendiği gibi kristal

ccedilapıyla değişmektedir

Medved (1961) ZnO fotoiletkenliğinin tuumlkenim kinetiklerini ışığın şiddeti ve

oksijenin basıncının bir fonksiyonu olarak alan bir model kullanarak inceledi Bu model

genelleştirilmiş Elovich denklemini ccedilıkartmada kullanılır

Azınlık yuumlk taşıyıcı akımlarının oumllccediluumlmleri ve bir yarıiletken elektrottaki uzay

yuumlkuuml kapasitesi elektrot yuumlzeyindeki kimyasal reaksiyonların adımları hakkında bilgi

almada kullanılır Morrison ve Freund (1968) azınlık akım reaksiyonlarının ZnO

kristallerinin yuumlzeyinde oluşan akımları iki katına ccedilıkardığını kapasite oumllccediluumlmleriyle

goumlsterdiler

Heiland ve Kunstmann (1969) kutupsal yuumlzeyleri yarma youmlntemiyle ccedilok duumlşuumlk

basınccedil altında hazırladılar ve geniş sıcaklık aralığında (90minus600 K) yuumlzeydeki elektriksel

iletkenliği incelediler Vakum ortamında tavlamanın ve hidrojen ya da oksijen

soğurmasının sonucunda değişiklikler goumlzlediler Optik oumllccediluumlmlerle bulugularını teyit

ettiler

Uematsu ve Hashimoto (1977) ZnO katalizoumlrlerde aşırı elektron

konsantrasyonunu hidrojenleştirme metodunun yanında tek ve uumlccedilluuml katyon katkısıyla

belirlediler Katkılı ve katkısız ZnOlarda aşırı elektron miktarının vakumda 300 degC

uumlstuumlnde arttığını goumlsterdiler

Optik katı hal lazerlerinin gelişmesi yavaş ve kademeli olmuştur İlk katı hal

lazerinden ışık goumlruumllmesi 1960rsquolarda olmuştur Ccedilok geccedilmeden 1966 yakın UV

boumllgesinde ccedilalışan ZnOlsquodan yapılmış ilk yarı iletken lazer goumlsterildi ZnOrsquonun optik

oumlzelliklerinin araştırıldığı bir ccedilalışmada 1995 yılında oda sıcaklığında ccedilalışan bir lazer

uumlretildi Bu tarihten sonra tek boyutlu ZnO nano teller hakkındaki araştırmalar

araştırmaların odak noktası haline geldi

Epitaksiyel AZO ince filmler tek kristal safir (0001) altlık uumlzerine atmalı lazer

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

8

biriktirme (PLD) youmlntemiyle buumlyuumltuumllduuml (Kim Horwitz ve ark 2002)

Czternastek (2004) Al katkılı ve katkısız ZnO filmleri yuumlksek basınccedillı DC

magnetron saccediltırma cam altlıklar uumlzerine buumlyuumlttuuml Plazma salınım goumlzlemini reaksiyon

odasına akan oksijen miktarını istikrarlı hale getirmek iccedilin kullandı Biriktirme sırasında

toplam basınccedil ve katkı seviyesinin elektrik ve optik oumlzelliklere etkisini inceledi Daha

yuumlksek katkı seviyelerinde tercihli youmlnelimin derece derece azaldığı taşıyıcı

konsantrasyonu ufak miktarlarda arttığı fakat Hall hareketliliğinin iyonlaşmış

safsızlıkların ccedilarpışmasından ve youmlnelimli buumlyuumlme noksanlığından dolayı ciddi

miktarda azaldığını goumlrduuml

Choi Kim ve ark (2005) Al ve F katkılı 200 nm kalınlıklı ZnO filmler ZnF ve

Al2O3 hedeflerle eş zamanlı olarak saccediltırma ile buumlyuumlttuumller XRD oumllccediluumlmlerinden F

katkısının ZnO filmlerinin kristalliğini geliştirdiğini buldular Elektriksel iletkenlik ve

optik absorpsiyon katsayısının tavlama ile arttığını goumlsterdiler

Dong Zhu ve ark (2007) p-GaAs altlıklar uumlzerinde ZnO p-n eklemi ile metal

organik kimyasal buhar biriktirme youmlntemiyle LED diyotlar oluşturdular Oda

sıcaklığında elektroluumlminisans (EL) ve fotoluumlminisans (PL) oumllccediluumlmlerini aldılar

ZnO ışık yayan kaynakların muhtemel uygulamalarında GaNrsquoe karşı avantajları

olduğundan dikkat ccedilekmektedir Hwang Oh ve ark (2007) Epitaksiyel ZnO filmlerde

katkı kontroluuml asitle dağlama ve omik kontak oluşturmayı iccedileren cihaz fabrikasyon

işlemlerini ve son olarak ZnO LED karakteristiklerini incelediler

Senede yuumlz binlerce ton ZnO ccedilimentoya ya da plastiğe katkı malzemesi olarak

kullanılmaktadır Optoelektronik alanında ZnO GaNrsquoe alternatif olarak maviUV

optoelektronik iccedilin ucuzluğu şeffaflığı iletken oksit olması ve elektronik devrelerde

malzeme olma potansiyeli ile dikkat ccedilekmektedir Son doumlnemde ana problem yuumlksek

yeniden uumlretilebilir kararlı p tipi katkılamadır Klingshirn malzeme buumlyuumltme ZnOrsquonun

temel oumlzelikleri ve ZnO temelli nano yapılar ve katkılamanın gelecek uygulamaları

uumlzerinde ccedilalışmıştır (Klingshirn 2007)

AZO filmler şeffaf iletken fonksiyonel guumlneş pillerinde kullanım potansiyeli

olan ve uzay mekiklerinde oksijen direnccedilli sistemlerde kullanılabilen bir malzemedir

Wang ve Wang (2007) yuumlksek performanslı AZO ince filmleri reaktif magnetron

saccediltırma ile hazırlayıp farklı dozlarda gama ışınına maruz bıraktılar Radyasyona maruz

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

V

ABSTRACT

THE INVESTIGATION OF GAMMA RAY EXPOSURE TO ELECTRICAL AND OPTICAL

PROPERTIES OF AL DOPED ZNO STRUCTURES

MSc THESIS

Ahmet TOMBAK

DEPARTMENT OF PHYSICS INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES

UNIVERSITY OF DICLE

2012

As semiconductor ZnO thin films have high electrical conductivity and optical

permeability materials used in most position respect of technological Because of this considers

producting of the material and measuring of using respect of technological

In this study forming ZnO thin films on various substrates and changes some

parameters after gamma ray exposure of ranging Al doped ZnO thin films were investigated

Optic and electrical properties of as-grown films were measured Electrical conductivity was

measured by Hall Effect measurement system at room temperature Some optic parameters were

determined by UV-Vis spectrometric method Theoretical calculations on optical parameters

were compared with the ones that were obtained by experimental values These measurements

were made after gamma ray exposure of the thin films and some changes were observed

Structural analysis of the the thin films was made with respect to X ray diffraction data

Key Words ZnO doping conductivity gamma radiation

VI

CcedilİZELGE LİSTESİ

Ccedilizelge No Sayfa

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar 2

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları 41

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri 48

VII

ŞEKİL LİSTESİ

Şekil No Sayfa

Şekil 11 ZnO kristal yapıları 2

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme sisteminin şematize edilmiş hali 21

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 22

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması 26

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma 28

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi 28

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu 33

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı 36

Şekil 38 ZnO ve Al puumlskuumlrtme işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi 36

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi 37

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni 39

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni 40

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni 40

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği 42

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği 42

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği 42

Şekil 47 İnce filmlerin ( )2 ndashenerji grafikleri 43

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 43

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 44

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 44

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 45

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 45

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 46

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 46

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 47

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 47

VIII

KISALTMA VE SİMGELER

A Soğurma

α Soğurma katsayısı

s Yarıiletkenin dielektrik sabiti

AFM Atomik kuvvet mikroskobu

ALD Atomik katman biriktirme

AZO Aluumlminyum katkılı ccedilinko oksit

CVD Kimyasal buhar biriktirme

e Elektronun yuumlkuuml

Eg Yarıiletkenin yasak enerji aralığı

Eph Fonon enerjisi

EL Elektroluumlminesans

eV Elektron volt

FMR Ferromagnetik rezonans

FWHM Tam genişlik yarısı modulasyonu

ITO İndiyum kalay oksit

kGy Kilo grey

LED Işık yayan diyot

LFTS Duumlz yuumlzluuml hedef saccediltırma

MBE Molekuumller ışın epitaksi

me Elektronun etkin kuumltlesi

mh Holuumln (deşik) etkin kuumltlesi

IX

OLED Organik ışık yayan diyot

OMVPE Organometalik buhar fazı epitaksi

PET Polyethylene terephthalate

PL Fotoluumlminesans

PLD Atmalı lazer biriktirme

PVD Fiziksel buharlaştırma biriktirme

R Yansıma katsayısı

RF Radyo frekansı

RH Hall katsayısı

RHEED Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

RTF Oda sıcaklığında ferromanyetizm

SEM Taramalı elektron mikroskobu

T Geccedilirgenlik katsayısı

TCO Şeffaf iletken oksit

TE Termiyonik emisyon

USP Ultrasonik sprey piroliz

UV Mor oumltesi

VH Hall potansiyeli

XPS X ışını fotoelektron spektroskopisi

XRD X ışını kırınımı

ZnO Ccedilinko oksit

AHMET TOMBAK

1

1 GİRİŞ

ZnO hakkındaki bilimsel ccedilalışmalar on yıllar oumlncesine dayanmaktadır Bu

konuya ilginin canlanması yuumlksek kaliteli altlıkların kolay elde edilmesi p tipi iletimin

rapor edilmesi piezoelektrik davranış ve ccedileşitli geccediliş elementlerinin katkılanmasıyla

ferromanyetik oumlzelliklerin keşfedilmesi oldu ZnO oumlrguuml parametrelerinin incelenmesi

1935rsquolere dayanır (Bunn 1935) titreşim oumlzellikleri Raman saccedilılmasıyla 1966rsquoda

incelendi (Damen ve ark 1966) detaylı optik oumlzellik incelemesi 1954 yılında (Mollwo

1954) ve kimyasal buhar taşıma youmlntemiyle buumlyuumltme 1970rsquode başarıldı (Galli ve Coker

1970) ZnOZnTe p-n eklemi 1975rsquode yapıldı ve AlAu omik kontaklar 1978rsquode rapor

edildi (Tsurkan ve ark 1978)

Yuumlksek iyoniklikleri ve geniş bant aralıklarının direkt bant aralığı olması

soğurma ve luumlminesans iccedilin yuumlksek optik geccedilirgenlik olasılığına sahip olmaları

nedeniyle periyodik tablonun IIB ve VIA grubu elementlerinin birleşimi ile oluşan IIndash

VI bileşiklerine olan ilgi buumlyuumlktuumlr Bu bileşiklere CdS CdZnS ZnS ve ZnO gibi

bileşikler oumlrnek olarak verilebilir IIndashVI bileşiklerinin yasak enerji aralığı 18ndash4 eV

civarındadır Bu bileşikler kızıloumltesi dedektoumlrler guumlneş pilleri lazerler ve ccedileşitli

diyotların uumlretiminde oldukccedila yaygın bir şekilde kullanılmaktadır (Fahrenbruch 1977)

Direk ve geniş bant aralıklı materyal olan ZnO ccedileşitli elektronik ve

optoelektronik uygulamalar iccedilin ccedilok ccedilekici bir materyaldir (Reynolds ve Collins 1969)

Son yıllarda geniş bant aralığına sahip yarıiletken malzemelerin teknoloji ve

elektronik biliminde kullanım alanları genişlemiştir Bu malzemelerin teknolojide geniş

ccedilapta kullanılması nedeniyle birbirinden uumlstuumln yanlarının ve daha ucuz elde edilebilme

yollarının araştırılması hız kazanmıştır ZnO ZnS ZnSe GaAs GaN gibi yarıiletkenler

yuumlksek sıcaklık ve yuumlksek ışıma guumlcuuml gerektiren elektronik biliminde LED ve lazer

diyotları gibi kısa dalga boylu (UV ve şiddetli mavindashyeşil) ışık yayan optik aletlerde

kullanılmakta ve daha iyi sonuccedilların elde edilebilmesi iccedilin araştırılmaktadır

Elektromanyetik spektrumun goumlruumlnuumlr boumllgesinde geccedilirgen olan geniş bant

aralığına sahip yarıiletkenler elektronik ve optoelektronik aygıtların uumlretiminde oumlnemli

rol oynamaktadır Geccedilirgen iletken ve yarıiletken oksitlerin en oumlnemli avantajları

kimyasal olarak kararlı olmaları ve farklı altlıklar uumlzerine kolayca depolanabilmeleridir

1GİRİŞ

2

(Minami 2005)

ZnO IIndashVI grup iyonikliği kovalent ve iyonik yarı iletkenler arasında sınırda

olan yarı iletken bir bileşiktir ZnOnun kristal yapıları uumlccedil faz iccedilin vurtzit ccedilinko suumllfuumlr

(blend) ve kaya tuzudur Şekil 1de ZnO molekuumlluumlnuumln farklı kristal yapıları

goumlruumllmektedir Hava ortamında termodinamik olarak kararlı faz vurtzit simetrisidir

Ccedilinko suumllfuumlr yapı ZnO sadece kuumlbik altlık uumlzerine buumlyuumltuumlluumlrse kararlı hale

getirilebilirler

Şekil 11 ZnO kristal yapıları (a) kuumlbik kaya tuzu (b) kuumlbik ccedilinko suumllfuumlr (c) altıgen vuumlrtzit

ZnOnun kristal yapıları teorik hesaplamalarla ve deneysel olarak araştırılıp

rapor edilmiştir Ccedilizelge 11de bazı teorik ve deneysel ccedilalışmaların sonuccedilları

goumlruumllmektedir

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar

Deneysel sonuccedillar Teorik hesaplamalar

Bates ve ark

(1962)

Gerward ve ark (1995)

Desgreniers (1998)

Ahuja ve ark (1998)

Liu ve ark (1986)

Zaoui ve Sekkal

(2002)

Vuumlrtzit

hacim (Aring3)

2382 2378 2379 2360 2383 2383

Kaya tuzu

hacim(Aring3)

1960 1960 1948 1951 1904 1904

Burulma

basıncı

(GPa)

950 900 870 932 932 1045

AHMET TOMBAK

3

ZnO filmlerin ccedileşitli tekniklerle buumlyuumltuumllmesi ve akustik ve optik cihazlarda

kullanılması gibi uygulamalar ilgi ccedileken araştırma konularından bir tanesidir

Uygulamalar uumlzerinde yapılan araştırmalar daha ccedilok ZnOnun muumlkemmel piezoelektrik

oumlzellikleri ve cam safir ve elmas altlıklar uumlzerinde guumlccedilluuml (0001) tercihli youmlnelimle

buumlyuumlme eğiliminde yoğunlaşmaktadır ZnO ince film buumlyuumltmede eski ccedilalışmalarda

magnetron saccediltırma kimyasal buhar biriktirme yaygındı Fakat bu buumlyuumltmelerde filmler

ccediloklu kristal yapıdaydılar Sonraki ccedilalışmalarda yuumlksek kalitede tek kristal filmler radyo

frekansı magnetron saccediltırma ile hazırlandı ve biriktirme işleminin kontrolluuml olarak

gerccedilekleştiği diğer buumlyuumltme teknikleri kullanıldı Bunlar arasında molekuumller demet

epitaksi atmalı lazer biriktirme organometalik buhar fazı epitaksi sayılabilir

Heteroeklem ZnO tabakaları CaF2 (Ma Du ve ark 2005) Si (Dhananjay

Nagaraju ve ark 2007) GaAs (Nag ve Bhattacharya 2010) ve GaN (Asil Gur ve ark

2009) gibi altlıklar uumlzerine de buumlyuumltuumllduuml

Geniş alan ve yuumlksek kalitede ZnO kristallerinin buumlyuumltuumllmesi sadece temel

araştırmalar iccedilin değil aynı zamanda cihaz uygulamaları iccedilin de oumlnemlidir Geniş alan

ve yuumlksek kalitede ZnO tek kristalleri tek kristal katmanın potansiyel avantajlarından

dolayı UV ve mavi UV ışık yayan cihazlar iccedilin faydalıdır

RF magnetron saccediltırma duumlşuumlk veya yuumlksek sıcaklıklarda ccedilalışılabildiğinden ve

filmlerin makul seviyedeki kalitesinden dolayı tercih edilmektedir

Safir altlıklar benzer kafes oumlrguuml yapıları ve ulaşılabilirliğinden dolayı oldukccedila

popuumllerken diğer altlıklar da değişik cihaz uygulamalarında kullanılmaktadır

MBEnin temel avantajı buumlyuumltme parametrelerinin tam kontroluuml ve buumlyuumltme

ortamında filmi inceleme yeterliliğidir Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

(RHEED) geri beslemesiyle ZnO epi katmanları gerccedilek zamanlı olarak izlenebilir

PLD metodunda yuumlksek guumlccedilluuml lazer atmaları malzemeyi hedeften ayırırken alt

tuumlrlerin yuumlzeyde etkileşmesi sonucu biriken malzemenin stokiyometrisinin korunması

iccedilin buharlaştırmakta kullanılır

Diğer buumlyuumltme youmlntemleri arasında kimyasal buhar biriktirme (CVD)

teknolojisi bilhassa ilgi ccedilekmektedir Ccediluumlnkuuml yuumlksek kalitede filmler buumlyuumltmenin yanı

sıra geniş oumllccedilekte uumlretime uygundur Bu teknik değişik GaN tabanlı optoelektronik

1GİRİŞ

4

cihazların uumlretiminde kullanılan epitaksiyel filmlerin uumlretiminde yaygın olarak

kullanılmaktadır ve bu eğilim ZnOnun gelecek uygulamalarında beklenmektedir Bu

teknikle buumlyuumltuumllen ZnO filmler yuumlksek kristallik elektrik ve ışıma oumlzelliği

goumlstermektedirler

ZnOnun kırıcılık indisi gibi optik oumlzellikleri ve işlemleri yıllar oumlnce

araştırılmaya başlandı ZnOya ilginin tekrar uyanmasının nedenleri direkt geniş bant

aralığı (300 Kde Eg=33 eV) yuumlksek eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) ve etkin

ışımalı yeniden birleşmedir Eksiton bağlanma enerjisi goumlreceli olarak geniştir (ZnO

iccedilin 60 meV GaN iccedilin 25 meV) Geniş eksiton bağlanma enerjisi oda sıcaklığında hatta

daha yuumlksek sıcaklıklarda yoğun yakın bant kenarı eksitonik emisyon yolunu

accedilmaktadır Ccediluumlnkuuml bu değer oda sıcaklığı termal enerji değerinin (kBT=25 meV) 24

katıdır (Vanmaekelbergh ve van Vugt 2011)

ZnOda optik geccedilişler optik absorbsiyon iletim yansıma spektroskopik

elipsometri fotoluumlminisans kalorimetrik elipsometri vb gibi youmlntemlerle belirlenir

İletim oumllccediluumlmlerinden Muth ve ark (1999) epitaksiyel PLD ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO

filmlerin absorbsiyon katsayısını bant aralığını ve eksiton bağlanma enerjilerini

hesapladılar

Yarıiletken ZnO kristalinin eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) teknolojide

geniş kullanım alanına sahip diğer yarıiletken malzemelerden (20 meV ZnSe ve 25 meV

olan GaN) ccedilok daha buumlyuumlktuumlr Bunun yanı sıra ZnO ZnSe ve GaNrsquoa goumlre ccedilok daha

duumlşuumlk sıcaklıklarda hazırlanabilmektedir Bu yuumlzden de optoelektronik uygulamalar iccedilin

son derece oumlnem taşımaktadır Tmasymp2268 K yuumlksek erime sıcaklığına sahip ve

bozulmaksızın yuumlksek akım taşıma kapasitesi olan sağlam bir malzeme olup dielektrik

sabiti =85rsquotir (Carlsson 2002)

Tek boyutlu yarı iletken nano teller ve nano ccedilubuklar elektronik kuantum taşıma

ve yuumlklerin arttırılmış ışınımsal yeniden birleşmeleri gibi kuantum sınırlamasından

gelen fiziksel oumlzellikleri nedeniyle ilgi ccedilekmektedirler Nano teller kısa dalga nano

lazerler alan etkili transistorlar ccedilok hassas nano boyutlu gaz sensorları nano

rezonatoumlrler transduumlserler nano destek kolları ve alan emisyonları gibi uygulamalar

iccedilin temel taşıdırlar (Wang 2004 Pan ve ark 2001 Heo ve ark 2004)

Şu accedilıktır ki ccedilok ccedileşitli nano yapılar ZnO kullanılarak goumlreceli basit sentez

AHMET TOMBAK

5

metotlarıyla uumlretilebilir Bu nano yapılar kesinlikle nano boyutlarda temel fizik

ccedilalışmaları iccedilin kullanılabilir

IIIndashV ve IIndashVI grup duumlşuumlk etkili manyetik yarı iletkenler spine bağımlı manyetik

olay bu duumlşuumlk boyutlu manyetik ince filmlerin spin temelli belli yeteneklerinin

potansiyel olarak değiştirilebilmesinden dolayı oldukccedila ilgi ccedilekmektedir (Liu ve ark

2005)

ldquoAlZnO ince filmlerin optik ve elektriksel oumlzelliklerine gama ışınlarının

etkilerirdquo başlıklı ccedilalışmamda yuumlksek enerjili gama ışınlarının ZnO kristal yapısına

dolayısıyla elektrik ve optik oumlzelliklerine katkısını inceledim Bu konuda yapılan

ccedilalışmaların azlığı dolayısıyla literatuumlre katkıda bulunmayı amaccedilladım

1GİRİŞ

6

AHMET TOMBAK

7

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

Thomas ve Lander (1957) ZnO tek kristallerinin iletkenliklerinin ccedilinko buharı ve

hidrojene maruz kaldığında buumlyuumlk miktarda arttığını goumlsterdiler Fazla miktarda oksijen

ise oda sıcaklığında iletkenliği azaltmaktadır Yuumlzey iletkenliği beklendiği gibi kristal

ccedilapıyla değişmektedir

Medved (1961) ZnO fotoiletkenliğinin tuumlkenim kinetiklerini ışığın şiddeti ve

oksijenin basıncının bir fonksiyonu olarak alan bir model kullanarak inceledi Bu model

genelleştirilmiş Elovich denklemini ccedilıkartmada kullanılır

Azınlık yuumlk taşıyıcı akımlarının oumllccediluumlmleri ve bir yarıiletken elektrottaki uzay

yuumlkuuml kapasitesi elektrot yuumlzeyindeki kimyasal reaksiyonların adımları hakkında bilgi

almada kullanılır Morrison ve Freund (1968) azınlık akım reaksiyonlarının ZnO

kristallerinin yuumlzeyinde oluşan akımları iki katına ccedilıkardığını kapasite oumllccediluumlmleriyle

goumlsterdiler

Heiland ve Kunstmann (1969) kutupsal yuumlzeyleri yarma youmlntemiyle ccedilok duumlşuumlk

basınccedil altında hazırladılar ve geniş sıcaklık aralığında (90minus600 K) yuumlzeydeki elektriksel

iletkenliği incelediler Vakum ortamında tavlamanın ve hidrojen ya da oksijen

soğurmasının sonucunda değişiklikler goumlzlediler Optik oumllccediluumlmlerle bulugularını teyit

ettiler

Uematsu ve Hashimoto (1977) ZnO katalizoumlrlerde aşırı elektron

konsantrasyonunu hidrojenleştirme metodunun yanında tek ve uumlccedilluuml katyon katkısıyla

belirlediler Katkılı ve katkısız ZnOlarda aşırı elektron miktarının vakumda 300 degC

uumlstuumlnde arttığını goumlsterdiler

Optik katı hal lazerlerinin gelişmesi yavaş ve kademeli olmuştur İlk katı hal

lazerinden ışık goumlruumllmesi 1960rsquolarda olmuştur Ccedilok geccedilmeden 1966 yakın UV

boumllgesinde ccedilalışan ZnOlsquodan yapılmış ilk yarı iletken lazer goumlsterildi ZnOrsquonun optik

oumlzelliklerinin araştırıldığı bir ccedilalışmada 1995 yılında oda sıcaklığında ccedilalışan bir lazer

uumlretildi Bu tarihten sonra tek boyutlu ZnO nano teller hakkındaki araştırmalar

araştırmaların odak noktası haline geldi

Epitaksiyel AZO ince filmler tek kristal safir (0001) altlık uumlzerine atmalı lazer

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

8

biriktirme (PLD) youmlntemiyle buumlyuumltuumllduuml (Kim Horwitz ve ark 2002)

Czternastek (2004) Al katkılı ve katkısız ZnO filmleri yuumlksek basınccedillı DC

magnetron saccediltırma cam altlıklar uumlzerine buumlyuumlttuuml Plazma salınım goumlzlemini reaksiyon

odasına akan oksijen miktarını istikrarlı hale getirmek iccedilin kullandı Biriktirme sırasında

toplam basınccedil ve katkı seviyesinin elektrik ve optik oumlzelliklere etkisini inceledi Daha

yuumlksek katkı seviyelerinde tercihli youmlnelimin derece derece azaldığı taşıyıcı

konsantrasyonu ufak miktarlarda arttığı fakat Hall hareketliliğinin iyonlaşmış

safsızlıkların ccedilarpışmasından ve youmlnelimli buumlyuumlme noksanlığından dolayı ciddi

miktarda azaldığını goumlrduuml

Choi Kim ve ark (2005) Al ve F katkılı 200 nm kalınlıklı ZnO filmler ZnF ve

Al2O3 hedeflerle eş zamanlı olarak saccediltırma ile buumlyuumlttuumller XRD oumllccediluumlmlerinden F

katkısının ZnO filmlerinin kristalliğini geliştirdiğini buldular Elektriksel iletkenlik ve

optik absorpsiyon katsayısının tavlama ile arttığını goumlsterdiler

Dong Zhu ve ark (2007) p-GaAs altlıklar uumlzerinde ZnO p-n eklemi ile metal

organik kimyasal buhar biriktirme youmlntemiyle LED diyotlar oluşturdular Oda

sıcaklığında elektroluumlminisans (EL) ve fotoluumlminisans (PL) oumllccediluumlmlerini aldılar

ZnO ışık yayan kaynakların muhtemel uygulamalarında GaNrsquoe karşı avantajları

olduğundan dikkat ccedilekmektedir Hwang Oh ve ark (2007) Epitaksiyel ZnO filmlerde

katkı kontroluuml asitle dağlama ve omik kontak oluşturmayı iccedileren cihaz fabrikasyon

işlemlerini ve son olarak ZnO LED karakteristiklerini incelediler

Senede yuumlz binlerce ton ZnO ccedilimentoya ya da plastiğe katkı malzemesi olarak

kullanılmaktadır Optoelektronik alanında ZnO GaNrsquoe alternatif olarak maviUV

optoelektronik iccedilin ucuzluğu şeffaflığı iletken oksit olması ve elektronik devrelerde

malzeme olma potansiyeli ile dikkat ccedilekmektedir Son doumlnemde ana problem yuumlksek

yeniden uumlretilebilir kararlı p tipi katkılamadır Klingshirn malzeme buumlyuumltme ZnOrsquonun

temel oumlzelikleri ve ZnO temelli nano yapılar ve katkılamanın gelecek uygulamaları

uumlzerinde ccedilalışmıştır (Klingshirn 2007)

AZO filmler şeffaf iletken fonksiyonel guumlneş pillerinde kullanım potansiyeli

olan ve uzay mekiklerinde oksijen direnccedilli sistemlerde kullanılabilen bir malzemedir

Wang ve Wang (2007) yuumlksek performanslı AZO ince filmleri reaktif magnetron

saccediltırma ile hazırlayıp farklı dozlarda gama ışınına maruz bıraktılar Radyasyona maruz

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

VI

CcedilİZELGE LİSTESİ

Ccedilizelge No Sayfa

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar 2

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları 41

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri 48

VII

ŞEKİL LİSTESİ

Şekil No Sayfa

Şekil 11 ZnO kristal yapıları 2

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme sisteminin şematize edilmiş hali 21

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 22

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması 26

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma 28

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi 28

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu 33

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı 36

Şekil 38 ZnO ve Al puumlskuumlrtme işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi 36

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi 37

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni 39

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni 40

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni 40

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği 42

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği 42

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği 42

Şekil 47 İnce filmlerin ( )2 ndashenerji grafikleri 43

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 43

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 44

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 44

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 45

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 45

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 46

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 46

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 47

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 47

VIII

KISALTMA VE SİMGELER

A Soğurma

α Soğurma katsayısı

s Yarıiletkenin dielektrik sabiti

AFM Atomik kuvvet mikroskobu

ALD Atomik katman biriktirme

AZO Aluumlminyum katkılı ccedilinko oksit

CVD Kimyasal buhar biriktirme

e Elektronun yuumlkuuml

Eg Yarıiletkenin yasak enerji aralığı

Eph Fonon enerjisi

EL Elektroluumlminesans

eV Elektron volt

FMR Ferromagnetik rezonans

FWHM Tam genişlik yarısı modulasyonu

ITO İndiyum kalay oksit

kGy Kilo grey

LED Işık yayan diyot

LFTS Duumlz yuumlzluuml hedef saccediltırma

MBE Molekuumller ışın epitaksi

me Elektronun etkin kuumltlesi

mh Holuumln (deşik) etkin kuumltlesi

IX

OLED Organik ışık yayan diyot

OMVPE Organometalik buhar fazı epitaksi

PET Polyethylene terephthalate

PL Fotoluumlminesans

PLD Atmalı lazer biriktirme

PVD Fiziksel buharlaştırma biriktirme

R Yansıma katsayısı

RF Radyo frekansı

RH Hall katsayısı

RHEED Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

RTF Oda sıcaklığında ferromanyetizm

SEM Taramalı elektron mikroskobu

T Geccedilirgenlik katsayısı

TCO Şeffaf iletken oksit

TE Termiyonik emisyon

USP Ultrasonik sprey piroliz

UV Mor oumltesi

VH Hall potansiyeli

XPS X ışını fotoelektron spektroskopisi

XRD X ışını kırınımı

ZnO Ccedilinko oksit

AHMET TOMBAK

1

1 GİRİŞ

ZnO hakkındaki bilimsel ccedilalışmalar on yıllar oumlncesine dayanmaktadır Bu

konuya ilginin canlanması yuumlksek kaliteli altlıkların kolay elde edilmesi p tipi iletimin

rapor edilmesi piezoelektrik davranış ve ccedileşitli geccediliş elementlerinin katkılanmasıyla

ferromanyetik oumlzelliklerin keşfedilmesi oldu ZnO oumlrguuml parametrelerinin incelenmesi

1935rsquolere dayanır (Bunn 1935) titreşim oumlzellikleri Raman saccedilılmasıyla 1966rsquoda

incelendi (Damen ve ark 1966) detaylı optik oumlzellik incelemesi 1954 yılında (Mollwo

1954) ve kimyasal buhar taşıma youmlntemiyle buumlyuumltme 1970rsquode başarıldı (Galli ve Coker

1970) ZnOZnTe p-n eklemi 1975rsquode yapıldı ve AlAu omik kontaklar 1978rsquode rapor

edildi (Tsurkan ve ark 1978)

Yuumlksek iyoniklikleri ve geniş bant aralıklarının direkt bant aralığı olması

soğurma ve luumlminesans iccedilin yuumlksek optik geccedilirgenlik olasılığına sahip olmaları

nedeniyle periyodik tablonun IIB ve VIA grubu elementlerinin birleşimi ile oluşan IIndash

VI bileşiklerine olan ilgi buumlyuumlktuumlr Bu bileşiklere CdS CdZnS ZnS ve ZnO gibi

bileşikler oumlrnek olarak verilebilir IIndashVI bileşiklerinin yasak enerji aralığı 18ndash4 eV

civarındadır Bu bileşikler kızıloumltesi dedektoumlrler guumlneş pilleri lazerler ve ccedileşitli

diyotların uumlretiminde oldukccedila yaygın bir şekilde kullanılmaktadır (Fahrenbruch 1977)

Direk ve geniş bant aralıklı materyal olan ZnO ccedileşitli elektronik ve

optoelektronik uygulamalar iccedilin ccedilok ccedilekici bir materyaldir (Reynolds ve Collins 1969)

Son yıllarda geniş bant aralığına sahip yarıiletken malzemelerin teknoloji ve

elektronik biliminde kullanım alanları genişlemiştir Bu malzemelerin teknolojide geniş

ccedilapta kullanılması nedeniyle birbirinden uumlstuumln yanlarının ve daha ucuz elde edilebilme

yollarının araştırılması hız kazanmıştır ZnO ZnS ZnSe GaAs GaN gibi yarıiletkenler

yuumlksek sıcaklık ve yuumlksek ışıma guumlcuuml gerektiren elektronik biliminde LED ve lazer

diyotları gibi kısa dalga boylu (UV ve şiddetli mavindashyeşil) ışık yayan optik aletlerde

kullanılmakta ve daha iyi sonuccedilların elde edilebilmesi iccedilin araştırılmaktadır

Elektromanyetik spektrumun goumlruumlnuumlr boumllgesinde geccedilirgen olan geniş bant

aralığına sahip yarıiletkenler elektronik ve optoelektronik aygıtların uumlretiminde oumlnemli

rol oynamaktadır Geccedilirgen iletken ve yarıiletken oksitlerin en oumlnemli avantajları

kimyasal olarak kararlı olmaları ve farklı altlıklar uumlzerine kolayca depolanabilmeleridir

1GİRİŞ

2

(Minami 2005)

ZnO IIndashVI grup iyonikliği kovalent ve iyonik yarı iletkenler arasında sınırda

olan yarı iletken bir bileşiktir ZnOnun kristal yapıları uumlccedil faz iccedilin vurtzit ccedilinko suumllfuumlr

(blend) ve kaya tuzudur Şekil 1de ZnO molekuumlluumlnuumln farklı kristal yapıları

goumlruumllmektedir Hava ortamında termodinamik olarak kararlı faz vurtzit simetrisidir

Ccedilinko suumllfuumlr yapı ZnO sadece kuumlbik altlık uumlzerine buumlyuumltuumlluumlrse kararlı hale

getirilebilirler

Şekil 11 ZnO kristal yapıları (a) kuumlbik kaya tuzu (b) kuumlbik ccedilinko suumllfuumlr (c) altıgen vuumlrtzit

ZnOnun kristal yapıları teorik hesaplamalarla ve deneysel olarak araştırılıp

rapor edilmiştir Ccedilizelge 11de bazı teorik ve deneysel ccedilalışmaların sonuccedilları

goumlruumllmektedir

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar

Deneysel sonuccedillar Teorik hesaplamalar

Bates ve ark

(1962)

Gerward ve ark (1995)

Desgreniers (1998)

Ahuja ve ark (1998)

Liu ve ark (1986)

Zaoui ve Sekkal

(2002)

Vuumlrtzit

hacim (Aring3)

2382 2378 2379 2360 2383 2383

Kaya tuzu

hacim(Aring3)

1960 1960 1948 1951 1904 1904

Burulma

basıncı

(GPa)

950 900 870 932 932 1045

AHMET TOMBAK

3

ZnO filmlerin ccedileşitli tekniklerle buumlyuumltuumllmesi ve akustik ve optik cihazlarda

kullanılması gibi uygulamalar ilgi ccedileken araştırma konularından bir tanesidir

Uygulamalar uumlzerinde yapılan araştırmalar daha ccedilok ZnOnun muumlkemmel piezoelektrik

oumlzellikleri ve cam safir ve elmas altlıklar uumlzerinde guumlccedilluuml (0001) tercihli youmlnelimle

buumlyuumlme eğiliminde yoğunlaşmaktadır ZnO ince film buumlyuumltmede eski ccedilalışmalarda

magnetron saccediltırma kimyasal buhar biriktirme yaygındı Fakat bu buumlyuumltmelerde filmler

ccediloklu kristal yapıdaydılar Sonraki ccedilalışmalarda yuumlksek kalitede tek kristal filmler radyo

frekansı magnetron saccediltırma ile hazırlandı ve biriktirme işleminin kontrolluuml olarak

gerccedilekleştiği diğer buumlyuumltme teknikleri kullanıldı Bunlar arasında molekuumller demet

epitaksi atmalı lazer biriktirme organometalik buhar fazı epitaksi sayılabilir

Heteroeklem ZnO tabakaları CaF2 (Ma Du ve ark 2005) Si (Dhananjay

Nagaraju ve ark 2007) GaAs (Nag ve Bhattacharya 2010) ve GaN (Asil Gur ve ark

2009) gibi altlıklar uumlzerine de buumlyuumltuumllduuml

Geniş alan ve yuumlksek kalitede ZnO kristallerinin buumlyuumltuumllmesi sadece temel

araştırmalar iccedilin değil aynı zamanda cihaz uygulamaları iccedilin de oumlnemlidir Geniş alan

ve yuumlksek kalitede ZnO tek kristalleri tek kristal katmanın potansiyel avantajlarından

dolayı UV ve mavi UV ışık yayan cihazlar iccedilin faydalıdır

RF magnetron saccediltırma duumlşuumlk veya yuumlksek sıcaklıklarda ccedilalışılabildiğinden ve

filmlerin makul seviyedeki kalitesinden dolayı tercih edilmektedir

Safir altlıklar benzer kafes oumlrguuml yapıları ve ulaşılabilirliğinden dolayı oldukccedila

popuumllerken diğer altlıklar da değişik cihaz uygulamalarında kullanılmaktadır

MBEnin temel avantajı buumlyuumltme parametrelerinin tam kontroluuml ve buumlyuumltme

ortamında filmi inceleme yeterliliğidir Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

(RHEED) geri beslemesiyle ZnO epi katmanları gerccedilek zamanlı olarak izlenebilir

PLD metodunda yuumlksek guumlccedilluuml lazer atmaları malzemeyi hedeften ayırırken alt

tuumlrlerin yuumlzeyde etkileşmesi sonucu biriken malzemenin stokiyometrisinin korunması

iccedilin buharlaştırmakta kullanılır

Diğer buumlyuumltme youmlntemleri arasında kimyasal buhar biriktirme (CVD)

teknolojisi bilhassa ilgi ccedilekmektedir Ccediluumlnkuuml yuumlksek kalitede filmler buumlyuumltmenin yanı

sıra geniş oumllccedilekte uumlretime uygundur Bu teknik değişik GaN tabanlı optoelektronik

1GİRİŞ

4

cihazların uumlretiminde kullanılan epitaksiyel filmlerin uumlretiminde yaygın olarak

kullanılmaktadır ve bu eğilim ZnOnun gelecek uygulamalarında beklenmektedir Bu

teknikle buumlyuumltuumllen ZnO filmler yuumlksek kristallik elektrik ve ışıma oumlzelliği

goumlstermektedirler

ZnOnun kırıcılık indisi gibi optik oumlzellikleri ve işlemleri yıllar oumlnce

araştırılmaya başlandı ZnOya ilginin tekrar uyanmasının nedenleri direkt geniş bant

aralığı (300 Kde Eg=33 eV) yuumlksek eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) ve etkin

ışımalı yeniden birleşmedir Eksiton bağlanma enerjisi goumlreceli olarak geniştir (ZnO

iccedilin 60 meV GaN iccedilin 25 meV) Geniş eksiton bağlanma enerjisi oda sıcaklığında hatta

daha yuumlksek sıcaklıklarda yoğun yakın bant kenarı eksitonik emisyon yolunu

accedilmaktadır Ccediluumlnkuuml bu değer oda sıcaklığı termal enerji değerinin (kBT=25 meV) 24

katıdır (Vanmaekelbergh ve van Vugt 2011)

ZnOda optik geccedilişler optik absorbsiyon iletim yansıma spektroskopik

elipsometri fotoluumlminisans kalorimetrik elipsometri vb gibi youmlntemlerle belirlenir

İletim oumllccediluumlmlerinden Muth ve ark (1999) epitaksiyel PLD ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO

filmlerin absorbsiyon katsayısını bant aralığını ve eksiton bağlanma enerjilerini

hesapladılar

Yarıiletken ZnO kristalinin eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) teknolojide

geniş kullanım alanına sahip diğer yarıiletken malzemelerden (20 meV ZnSe ve 25 meV

olan GaN) ccedilok daha buumlyuumlktuumlr Bunun yanı sıra ZnO ZnSe ve GaNrsquoa goumlre ccedilok daha

duumlşuumlk sıcaklıklarda hazırlanabilmektedir Bu yuumlzden de optoelektronik uygulamalar iccedilin

son derece oumlnem taşımaktadır Tmasymp2268 K yuumlksek erime sıcaklığına sahip ve

bozulmaksızın yuumlksek akım taşıma kapasitesi olan sağlam bir malzeme olup dielektrik

sabiti =85rsquotir (Carlsson 2002)

Tek boyutlu yarı iletken nano teller ve nano ccedilubuklar elektronik kuantum taşıma

ve yuumlklerin arttırılmış ışınımsal yeniden birleşmeleri gibi kuantum sınırlamasından

gelen fiziksel oumlzellikleri nedeniyle ilgi ccedilekmektedirler Nano teller kısa dalga nano

lazerler alan etkili transistorlar ccedilok hassas nano boyutlu gaz sensorları nano

rezonatoumlrler transduumlserler nano destek kolları ve alan emisyonları gibi uygulamalar

iccedilin temel taşıdırlar (Wang 2004 Pan ve ark 2001 Heo ve ark 2004)

Şu accedilıktır ki ccedilok ccedileşitli nano yapılar ZnO kullanılarak goumlreceli basit sentez

AHMET TOMBAK

5

metotlarıyla uumlretilebilir Bu nano yapılar kesinlikle nano boyutlarda temel fizik

ccedilalışmaları iccedilin kullanılabilir

IIIndashV ve IIndashVI grup duumlşuumlk etkili manyetik yarı iletkenler spine bağımlı manyetik

olay bu duumlşuumlk boyutlu manyetik ince filmlerin spin temelli belli yeteneklerinin

potansiyel olarak değiştirilebilmesinden dolayı oldukccedila ilgi ccedilekmektedir (Liu ve ark

2005)

ldquoAlZnO ince filmlerin optik ve elektriksel oumlzelliklerine gama ışınlarının

etkilerirdquo başlıklı ccedilalışmamda yuumlksek enerjili gama ışınlarının ZnO kristal yapısına

dolayısıyla elektrik ve optik oumlzelliklerine katkısını inceledim Bu konuda yapılan

ccedilalışmaların azlığı dolayısıyla literatuumlre katkıda bulunmayı amaccedilladım

1GİRİŞ

6

AHMET TOMBAK

7

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

Thomas ve Lander (1957) ZnO tek kristallerinin iletkenliklerinin ccedilinko buharı ve

hidrojene maruz kaldığında buumlyuumlk miktarda arttığını goumlsterdiler Fazla miktarda oksijen

ise oda sıcaklığında iletkenliği azaltmaktadır Yuumlzey iletkenliği beklendiği gibi kristal

ccedilapıyla değişmektedir

Medved (1961) ZnO fotoiletkenliğinin tuumlkenim kinetiklerini ışığın şiddeti ve

oksijenin basıncının bir fonksiyonu olarak alan bir model kullanarak inceledi Bu model

genelleştirilmiş Elovich denklemini ccedilıkartmada kullanılır

Azınlık yuumlk taşıyıcı akımlarının oumllccediluumlmleri ve bir yarıiletken elektrottaki uzay

yuumlkuuml kapasitesi elektrot yuumlzeyindeki kimyasal reaksiyonların adımları hakkında bilgi

almada kullanılır Morrison ve Freund (1968) azınlık akım reaksiyonlarının ZnO

kristallerinin yuumlzeyinde oluşan akımları iki katına ccedilıkardığını kapasite oumllccediluumlmleriyle

goumlsterdiler

Heiland ve Kunstmann (1969) kutupsal yuumlzeyleri yarma youmlntemiyle ccedilok duumlşuumlk

basınccedil altında hazırladılar ve geniş sıcaklık aralığında (90minus600 K) yuumlzeydeki elektriksel

iletkenliği incelediler Vakum ortamında tavlamanın ve hidrojen ya da oksijen

soğurmasının sonucunda değişiklikler goumlzlediler Optik oumllccediluumlmlerle bulugularını teyit

ettiler

Uematsu ve Hashimoto (1977) ZnO katalizoumlrlerde aşırı elektron

konsantrasyonunu hidrojenleştirme metodunun yanında tek ve uumlccedilluuml katyon katkısıyla

belirlediler Katkılı ve katkısız ZnOlarda aşırı elektron miktarının vakumda 300 degC

uumlstuumlnde arttığını goumlsterdiler

Optik katı hal lazerlerinin gelişmesi yavaş ve kademeli olmuştur İlk katı hal

lazerinden ışık goumlruumllmesi 1960rsquolarda olmuştur Ccedilok geccedilmeden 1966 yakın UV

boumllgesinde ccedilalışan ZnOlsquodan yapılmış ilk yarı iletken lazer goumlsterildi ZnOrsquonun optik

oumlzelliklerinin araştırıldığı bir ccedilalışmada 1995 yılında oda sıcaklığında ccedilalışan bir lazer

uumlretildi Bu tarihten sonra tek boyutlu ZnO nano teller hakkındaki araştırmalar

araştırmaların odak noktası haline geldi

Epitaksiyel AZO ince filmler tek kristal safir (0001) altlık uumlzerine atmalı lazer

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

8

biriktirme (PLD) youmlntemiyle buumlyuumltuumllduuml (Kim Horwitz ve ark 2002)

Czternastek (2004) Al katkılı ve katkısız ZnO filmleri yuumlksek basınccedillı DC

magnetron saccediltırma cam altlıklar uumlzerine buumlyuumlttuuml Plazma salınım goumlzlemini reaksiyon

odasına akan oksijen miktarını istikrarlı hale getirmek iccedilin kullandı Biriktirme sırasında

toplam basınccedil ve katkı seviyesinin elektrik ve optik oumlzelliklere etkisini inceledi Daha

yuumlksek katkı seviyelerinde tercihli youmlnelimin derece derece azaldığı taşıyıcı

konsantrasyonu ufak miktarlarda arttığı fakat Hall hareketliliğinin iyonlaşmış

safsızlıkların ccedilarpışmasından ve youmlnelimli buumlyuumlme noksanlığından dolayı ciddi

miktarda azaldığını goumlrduuml

Choi Kim ve ark (2005) Al ve F katkılı 200 nm kalınlıklı ZnO filmler ZnF ve

Al2O3 hedeflerle eş zamanlı olarak saccediltırma ile buumlyuumlttuumller XRD oumllccediluumlmlerinden F

katkısının ZnO filmlerinin kristalliğini geliştirdiğini buldular Elektriksel iletkenlik ve

optik absorpsiyon katsayısının tavlama ile arttığını goumlsterdiler

Dong Zhu ve ark (2007) p-GaAs altlıklar uumlzerinde ZnO p-n eklemi ile metal

organik kimyasal buhar biriktirme youmlntemiyle LED diyotlar oluşturdular Oda

sıcaklığında elektroluumlminisans (EL) ve fotoluumlminisans (PL) oumllccediluumlmlerini aldılar

ZnO ışık yayan kaynakların muhtemel uygulamalarında GaNrsquoe karşı avantajları

olduğundan dikkat ccedilekmektedir Hwang Oh ve ark (2007) Epitaksiyel ZnO filmlerde

katkı kontroluuml asitle dağlama ve omik kontak oluşturmayı iccedileren cihaz fabrikasyon

işlemlerini ve son olarak ZnO LED karakteristiklerini incelediler

Senede yuumlz binlerce ton ZnO ccedilimentoya ya da plastiğe katkı malzemesi olarak

kullanılmaktadır Optoelektronik alanında ZnO GaNrsquoe alternatif olarak maviUV

optoelektronik iccedilin ucuzluğu şeffaflığı iletken oksit olması ve elektronik devrelerde

malzeme olma potansiyeli ile dikkat ccedilekmektedir Son doumlnemde ana problem yuumlksek

yeniden uumlretilebilir kararlı p tipi katkılamadır Klingshirn malzeme buumlyuumltme ZnOrsquonun

temel oumlzelikleri ve ZnO temelli nano yapılar ve katkılamanın gelecek uygulamaları

uumlzerinde ccedilalışmıştır (Klingshirn 2007)

AZO filmler şeffaf iletken fonksiyonel guumlneş pillerinde kullanım potansiyeli

olan ve uzay mekiklerinde oksijen direnccedilli sistemlerde kullanılabilen bir malzemedir

Wang ve Wang (2007) yuumlksek performanslı AZO ince filmleri reaktif magnetron

saccediltırma ile hazırlayıp farklı dozlarda gama ışınına maruz bıraktılar Radyasyona maruz

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

VII

ŞEKİL LİSTESİ

Şekil No Sayfa

Şekil 11 ZnO kristal yapıları 2

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme sisteminin şematize edilmiş hali 21

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 22

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması 26

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma 28

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi 28

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu 33

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı 36

Şekil 38 ZnO ve Al puumlskuumlrtme işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi 36

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi 37

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni 39

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni 40

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni 40

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği 42

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği 42

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği 42

Şekil 47 İnce filmlerin ( )2 ndashenerji grafikleri 43

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 43

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 44

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği 44

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 45

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 45

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği 46

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 46

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 47

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği 47

VIII

KISALTMA VE SİMGELER

A Soğurma

α Soğurma katsayısı

s Yarıiletkenin dielektrik sabiti

AFM Atomik kuvvet mikroskobu

ALD Atomik katman biriktirme

AZO Aluumlminyum katkılı ccedilinko oksit

CVD Kimyasal buhar biriktirme

e Elektronun yuumlkuuml

Eg Yarıiletkenin yasak enerji aralığı

Eph Fonon enerjisi

EL Elektroluumlminesans

eV Elektron volt

FMR Ferromagnetik rezonans

FWHM Tam genişlik yarısı modulasyonu

ITO İndiyum kalay oksit

kGy Kilo grey

LED Işık yayan diyot

LFTS Duumlz yuumlzluuml hedef saccediltırma

MBE Molekuumller ışın epitaksi

me Elektronun etkin kuumltlesi

mh Holuumln (deşik) etkin kuumltlesi

IX

OLED Organik ışık yayan diyot

OMVPE Organometalik buhar fazı epitaksi

PET Polyethylene terephthalate

PL Fotoluumlminesans

PLD Atmalı lazer biriktirme

PVD Fiziksel buharlaştırma biriktirme

R Yansıma katsayısı

RF Radyo frekansı

RH Hall katsayısı

RHEED Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

RTF Oda sıcaklığında ferromanyetizm

SEM Taramalı elektron mikroskobu

T Geccedilirgenlik katsayısı

TCO Şeffaf iletken oksit

TE Termiyonik emisyon

USP Ultrasonik sprey piroliz

UV Mor oumltesi

VH Hall potansiyeli

XPS X ışını fotoelektron spektroskopisi

XRD X ışını kırınımı

ZnO Ccedilinko oksit

AHMET TOMBAK

1

1 GİRİŞ

ZnO hakkındaki bilimsel ccedilalışmalar on yıllar oumlncesine dayanmaktadır Bu

konuya ilginin canlanması yuumlksek kaliteli altlıkların kolay elde edilmesi p tipi iletimin

rapor edilmesi piezoelektrik davranış ve ccedileşitli geccediliş elementlerinin katkılanmasıyla

ferromanyetik oumlzelliklerin keşfedilmesi oldu ZnO oumlrguuml parametrelerinin incelenmesi

1935rsquolere dayanır (Bunn 1935) titreşim oumlzellikleri Raman saccedilılmasıyla 1966rsquoda

incelendi (Damen ve ark 1966) detaylı optik oumlzellik incelemesi 1954 yılında (Mollwo

1954) ve kimyasal buhar taşıma youmlntemiyle buumlyuumltme 1970rsquode başarıldı (Galli ve Coker

1970) ZnOZnTe p-n eklemi 1975rsquode yapıldı ve AlAu omik kontaklar 1978rsquode rapor

edildi (Tsurkan ve ark 1978)

Yuumlksek iyoniklikleri ve geniş bant aralıklarının direkt bant aralığı olması

soğurma ve luumlminesans iccedilin yuumlksek optik geccedilirgenlik olasılığına sahip olmaları

nedeniyle periyodik tablonun IIB ve VIA grubu elementlerinin birleşimi ile oluşan IIndash

VI bileşiklerine olan ilgi buumlyuumlktuumlr Bu bileşiklere CdS CdZnS ZnS ve ZnO gibi

bileşikler oumlrnek olarak verilebilir IIndashVI bileşiklerinin yasak enerji aralığı 18ndash4 eV

civarındadır Bu bileşikler kızıloumltesi dedektoumlrler guumlneş pilleri lazerler ve ccedileşitli

diyotların uumlretiminde oldukccedila yaygın bir şekilde kullanılmaktadır (Fahrenbruch 1977)

Direk ve geniş bant aralıklı materyal olan ZnO ccedileşitli elektronik ve

optoelektronik uygulamalar iccedilin ccedilok ccedilekici bir materyaldir (Reynolds ve Collins 1969)

Son yıllarda geniş bant aralığına sahip yarıiletken malzemelerin teknoloji ve

elektronik biliminde kullanım alanları genişlemiştir Bu malzemelerin teknolojide geniş

ccedilapta kullanılması nedeniyle birbirinden uumlstuumln yanlarının ve daha ucuz elde edilebilme

yollarının araştırılması hız kazanmıştır ZnO ZnS ZnSe GaAs GaN gibi yarıiletkenler

yuumlksek sıcaklık ve yuumlksek ışıma guumlcuuml gerektiren elektronik biliminde LED ve lazer

diyotları gibi kısa dalga boylu (UV ve şiddetli mavindashyeşil) ışık yayan optik aletlerde

kullanılmakta ve daha iyi sonuccedilların elde edilebilmesi iccedilin araştırılmaktadır

Elektromanyetik spektrumun goumlruumlnuumlr boumllgesinde geccedilirgen olan geniş bant

aralığına sahip yarıiletkenler elektronik ve optoelektronik aygıtların uumlretiminde oumlnemli

rol oynamaktadır Geccedilirgen iletken ve yarıiletken oksitlerin en oumlnemli avantajları

kimyasal olarak kararlı olmaları ve farklı altlıklar uumlzerine kolayca depolanabilmeleridir

1GİRİŞ

2

(Minami 2005)

ZnO IIndashVI grup iyonikliği kovalent ve iyonik yarı iletkenler arasında sınırda

olan yarı iletken bir bileşiktir ZnOnun kristal yapıları uumlccedil faz iccedilin vurtzit ccedilinko suumllfuumlr

(blend) ve kaya tuzudur Şekil 1de ZnO molekuumlluumlnuumln farklı kristal yapıları

goumlruumllmektedir Hava ortamında termodinamik olarak kararlı faz vurtzit simetrisidir

Ccedilinko suumllfuumlr yapı ZnO sadece kuumlbik altlık uumlzerine buumlyuumltuumlluumlrse kararlı hale

getirilebilirler

Şekil 11 ZnO kristal yapıları (a) kuumlbik kaya tuzu (b) kuumlbik ccedilinko suumllfuumlr (c) altıgen vuumlrtzit

ZnOnun kristal yapıları teorik hesaplamalarla ve deneysel olarak araştırılıp

rapor edilmiştir Ccedilizelge 11de bazı teorik ve deneysel ccedilalışmaların sonuccedilları

goumlruumllmektedir

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar

Deneysel sonuccedillar Teorik hesaplamalar

Bates ve ark

(1962)

Gerward ve ark (1995)

Desgreniers (1998)

Ahuja ve ark (1998)

Liu ve ark (1986)

Zaoui ve Sekkal

(2002)

Vuumlrtzit

hacim (Aring3)

2382 2378 2379 2360 2383 2383

Kaya tuzu

hacim(Aring3)

1960 1960 1948 1951 1904 1904

Burulma

basıncı

(GPa)

950 900 870 932 932 1045

AHMET TOMBAK

3

ZnO filmlerin ccedileşitli tekniklerle buumlyuumltuumllmesi ve akustik ve optik cihazlarda

kullanılması gibi uygulamalar ilgi ccedileken araştırma konularından bir tanesidir

Uygulamalar uumlzerinde yapılan araştırmalar daha ccedilok ZnOnun muumlkemmel piezoelektrik

oumlzellikleri ve cam safir ve elmas altlıklar uumlzerinde guumlccedilluuml (0001) tercihli youmlnelimle

buumlyuumlme eğiliminde yoğunlaşmaktadır ZnO ince film buumlyuumltmede eski ccedilalışmalarda

magnetron saccediltırma kimyasal buhar biriktirme yaygındı Fakat bu buumlyuumltmelerde filmler

ccediloklu kristal yapıdaydılar Sonraki ccedilalışmalarda yuumlksek kalitede tek kristal filmler radyo

frekansı magnetron saccediltırma ile hazırlandı ve biriktirme işleminin kontrolluuml olarak

gerccedilekleştiği diğer buumlyuumltme teknikleri kullanıldı Bunlar arasında molekuumller demet

epitaksi atmalı lazer biriktirme organometalik buhar fazı epitaksi sayılabilir

Heteroeklem ZnO tabakaları CaF2 (Ma Du ve ark 2005) Si (Dhananjay

Nagaraju ve ark 2007) GaAs (Nag ve Bhattacharya 2010) ve GaN (Asil Gur ve ark

2009) gibi altlıklar uumlzerine de buumlyuumltuumllduuml

Geniş alan ve yuumlksek kalitede ZnO kristallerinin buumlyuumltuumllmesi sadece temel

araştırmalar iccedilin değil aynı zamanda cihaz uygulamaları iccedilin de oumlnemlidir Geniş alan

ve yuumlksek kalitede ZnO tek kristalleri tek kristal katmanın potansiyel avantajlarından

dolayı UV ve mavi UV ışık yayan cihazlar iccedilin faydalıdır

RF magnetron saccediltırma duumlşuumlk veya yuumlksek sıcaklıklarda ccedilalışılabildiğinden ve

filmlerin makul seviyedeki kalitesinden dolayı tercih edilmektedir

Safir altlıklar benzer kafes oumlrguuml yapıları ve ulaşılabilirliğinden dolayı oldukccedila

popuumllerken diğer altlıklar da değişik cihaz uygulamalarında kullanılmaktadır

MBEnin temel avantajı buumlyuumltme parametrelerinin tam kontroluuml ve buumlyuumltme

ortamında filmi inceleme yeterliliğidir Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

(RHEED) geri beslemesiyle ZnO epi katmanları gerccedilek zamanlı olarak izlenebilir

PLD metodunda yuumlksek guumlccedilluuml lazer atmaları malzemeyi hedeften ayırırken alt

tuumlrlerin yuumlzeyde etkileşmesi sonucu biriken malzemenin stokiyometrisinin korunması

iccedilin buharlaştırmakta kullanılır

Diğer buumlyuumltme youmlntemleri arasında kimyasal buhar biriktirme (CVD)

teknolojisi bilhassa ilgi ccedilekmektedir Ccediluumlnkuuml yuumlksek kalitede filmler buumlyuumltmenin yanı

sıra geniş oumllccedilekte uumlretime uygundur Bu teknik değişik GaN tabanlı optoelektronik

1GİRİŞ

4

cihazların uumlretiminde kullanılan epitaksiyel filmlerin uumlretiminde yaygın olarak

kullanılmaktadır ve bu eğilim ZnOnun gelecek uygulamalarında beklenmektedir Bu

teknikle buumlyuumltuumllen ZnO filmler yuumlksek kristallik elektrik ve ışıma oumlzelliği

goumlstermektedirler

ZnOnun kırıcılık indisi gibi optik oumlzellikleri ve işlemleri yıllar oumlnce

araştırılmaya başlandı ZnOya ilginin tekrar uyanmasının nedenleri direkt geniş bant

aralığı (300 Kde Eg=33 eV) yuumlksek eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) ve etkin

ışımalı yeniden birleşmedir Eksiton bağlanma enerjisi goumlreceli olarak geniştir (ZnO

iccedilin 60 meV GaN iccedilin 25 meV) Geniş eksiton bağlanma enerjisi oda sıcaklığında hatta

daha yuumlksek sıcaklıklarda yoğun yakın bant kenarı eksitonik emisyon yolunu

accedilmaktadır Ccediluumlnkuuml bu değer oda sıcaklığı termal enerji değerinin (kBT=25 meV) 24

katıdır (Vanmaekelbergh ve van Vugt 2011)

ZnOda optik geccedilişler optik absorbsiyon iletim yansıma spektroskopik

elipsometri fotoluumlminisans kalorimetrik elipsometri vb gibi youmlntemlerle belirlenir

İletim oumllccediluumlmlerinden Muth ve ark (1999) epitaksiyel PLD ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO

filmlerin absorbsiyon katsayısını bant aralığını ve eksiton bağlanma enerjilerini

hesapladılar

Yarıiletken ZnO kristalinin eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) teknolojide

geniş kullanım alanına sahip diğer yarıiletken malzemelerden (20 meV ZnSe ve 25 meV

olan GaN) ccedilok daha buumlyuumlktuumlr Bunun yanı sıra ZnO ZnSe ve GaNrsquoa goumlre ccedilok daha

duumlşuumlk sıcaklıklarda hazırlanabilmektedir Bu yuumlzden de optoelektronik uygulamalar iccedilin

son derece oumlnem taşımaktadır Tmasymp2268 K yuumlksek erime sıcaklığına sahip ve

bozulmaksızın yuumlksek akım taşıma kapasitesi olan sağlam bir malzeme olup dielektrik

sabiti =85rsquotir (Carlsson 2002)

Tek boyutlu yarı iletken nano teller ve nano ccedilubuklar elektronik kuantum taşıma

ve yuumlklerin arttırılmış ışınımsal yeniden birleşmeleri gibi kuantum sınırlamasından

gelen fiziksel oumlzellikleri nedeniyle ilgi ccedilekmektedirler Nano teller kısa dalga nano

lazerler alan etkili transistorlar ccedilok hassas nano boyutlu gaz sensorları nano

rezonatoumlrler transduumlserler nano destek kolları ve alan emisyonları gibi uygulamalar

iccedilin temel taşıdırlar (Wang 2004 Pan ve ark 2001 Heo ve ark 2004)

Şu accedilıktır ki ccedilok ccedileşitli nano yapılar ZnO kullanılarak goumlreceli basit sentez

AHMET TOMBAK

5

metotlarıyla uumlretilebilir Bu nano yapılar kesinlikle nano boyutlarda temel fizik

ccedilalışmaları iccedilin kullanılabilir

IIIndashV ve IIndashVI grup duumlşuumlk etkili manyetik yarı iletkenler spine bağımlı manyetik

olay bu duumlşuumlk boyutlu manyetik ince filmlerin spin temelli belli yeteneklerinin

potansiyel olarak değiştirilebilmesinden dolayı oldukccedila ilgi ccedilekmektedir (Liu ve ark

2005)

ldquoAlZnO ince filmlerin optik ve elektriksel oumlzelliklerine gama ışınlarının

etkilerirdquo başlıklı ccedilalışmamda yuumlksek enerjili gama ışınlarının ZnO kristal yapısına

dolayısıyla elektrik ve optik oumlzelliklerine katkısını inceledim Bu konuda yapılan

ccedilalışmaların azlığı dolayısıyla literatuumlre katkıda bulunmayı amaccedilladım

1GİRİŞ

6

AHMET TOMBAK

7

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

Thomas ve Lander (1957) ZnO tek kristallerinin iletkenliklerinin ccedilinko buharı ve

hidrojene maruz kaldığında buumlyuumlk miktarda arttığını goumlsterdiler Fazla miktarda oksijen

ise oda sıcaklığında iletkenliği azaltmaktadır Yuumlzey iletkenliği beklendiği gibi kristal

ccedilapıyla değişmektedir

Medved (1961) ZnO fotoiletkenliğinin tuumlkenim kinetiklerini ışığın şiddeti ve

oksijenin basıncının bir fonksiyonu olarak alan bir model kullanarak inceledi Bu model

genelleştirilmiş Elovich denklemini ccedilıkartmada kullanılır

Azınlık yuumlk taşıyıcı akımlarının oumllccediluumlmleri ve bir yarıiletken elektrottaki uzay

yuumlkuuml kapasitesi elektrot yuumlzeyindeki kimyasal reaksiyonların adımları hakkında bilgi

almada kullanılır Morrison ve Freund (1968) azınlık akım reaksiyonlarının ZnO

kristallerinin yuumlzeyinde oluşan akımları iki katına ccedilıkardığını kapasite oumllccediluumlmleriyle

goumlsterdiler

Heiland ve Kunstmann (1969) kutupsal yuumlzeyleri yarma youmlntemiyle ccedilok duumlşuumlk

basınccedil altında hazırladılar ve geniş sıcaklık aralığında (90minus600 K) yuumlzeydeki elektriksel

iletkenliği incelediler Vakum ortamında tavlamanın ve hidrojen ya da oksijen

soğurmasının sonucunda değişiklikler goumlzlediler Optik oumllccediluumlmlerle bulugularını teyit

ettiler

Uematsu ve Hashimoto (1977) ZnO katalizoumlrlerde aşırı elektron

konsantrasyonunu hidrojenleştirme metodunun yanında tek ve uumlccedilluuml katyon katkısıyla

belirlediler Katkılı ve katkısız ZnOlarda aşırı elektron miktarının vakumda 300 degC

uumlstuumlnde arttığını goumlsterdiler

Optik katı hal lazerlerinin gelişmesi yavaş ve kademeli olmuştur İlk katı hal

lazerinden ışık goumlruumllmesi 1960rsquolarda olmuştur Ccedilok geccedilmeden 1966 yakın UV

boumllgesinde ccedilalışan ZnOlsquodan yapılmış ilk yarı iletken lazer goumlsterildi ZnOrsquonun optik

oumlzelliklerinin araştırıldığı bir ccedilalışmada 1995 yılında oda sıcaklığında ccedilalışan bir lazer

uumlretildi Bu tarihten sonra tek boyutlu ZnO nano teller hakkındaki araştırmalar

araştırmaların odak noktası haline geldi

Epitaksiyel AZO ince filmler tek kristal safir (0001) altlık uumlzerine atmalı lazer

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

8

biriktirme (PLD) youmlntemiyle buumlyuumltuumllduuml (Kim Horwitz ve ark 2002)

Czternastek (2004) Al katkılı ve katkısız ZnO filmleri yuumlksek basınccedillı DC

magnetron saccediltırma cam altlıklar uumlzerine buumlyuumlttuuml Plazma salınım goumlzlemini reaksiyon

odasına akan oksijen miktarını istikrarlı hale getirmek iccedilin kullandı Biriktirme sırasında

toplam basınccedil ve katkı seviyesinin elektrik ve optik oumlzelliklere etkisini inceledi Daha

yuumlksek katkı seviyelerinde tercihli youmlnelimin derece derece azaldığı taşıyıcı

konsantrasyonu ufak miktarlarda arttığı fakat Hall hareketliliğinin iyonlaşmış

safsızlıkların ccedilarpışmasından ve youmlnelimli buumlyuumlme noksanlığından dolayı ciddi

miktarda azaldığını goumlrduuml

Choi Kim ve ark (2005) Al ve F katkılı 200 nm kalınlıklı ZnO filmler ZnF ve

Al2O3 hedeflerle eş zamanlı olarak saccediltırma ile buumlyuumlttuumller XRD oumllccediluumlmlerinden F

katkısının ZnO filmlerinin kristalliğini geliştirdiğini buldular Elektriksel iletkenlik ve

optik absorpsiyon katsayısının tavlama ile arttığını goumlsterdiler

Dong Zhu ve ark (2007) p-GaAs altlıklar uumlzerinde ZnO p-n eklemi ile metal

organik kimyasal buhar biriktirme youmlntemiyle LED diyotlar oluşturdular Oda

sıcaklığında elektroluumlminisans (EL) ve fotoluumlminisans (PL) oumllccediluumlmlerini aldılar

ZnO ışık yayan kaynakların muhtemel uygulamalarında GaNrsquoe karşı avantajları

olduğundan dikkat ccedilekmektedir Hwang Oh ve ark (2007) Epitaksiyel ZnO filmlerde

katkı kontroluuml asitle dağlama ve omik kontak oluşturmayı iccedileren cihaz fabrikasyon

işlemlerini ve son olarak ZnO LED karakteristiklerini incelediler

Senede yuumlz binlerce ton ZnO ccedilimentoya ya da plastiğe katkı malzemesi olarak

kullanılmaktadır Optoelektronik alanında ZnO GaNrsquoe alternatif olarak maviUV

optoelektronik iccedilin ucuzluğu şeffaflığı iletken oksit olması ve elektronik devrelerde

malzeme olma potansiyeli ile dikkat ccedilekmektedir Son doumlnemde ana problem yuumlksek

yeniden uumlretilebilir kararlı p tipi katkılamadır Klingshirn malzeme buumlyuumltme ZnOrsquonun

temel oumlzelikleri ve ZnO temelli nano yapılar ve katkılamanın gelecek uygulamaları

uumlzerinde ccedilalışmıştır (Klingshirn 2007)

AZO filmler şeffaf iletken fonksiyonel guumlneş pillerinde kullanım potansiyeli

olan ve uzay mekiklerinde oksijen direnccedilli sistemlerde kullanılabilen bir malzemedir

Wang ve Wang (2007) yuumlksek performanslı AZO ince filmleri reaktif magnetron

saccediltırma ile hazırlayıp farklı dozlarda gama ışınına maruz bıraktılar Radyasyona maruz

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

VIII

KISALTMA VE SİMGELER

A Soğurma

α Soğurma katsayısı

s Yarıiletkenin dielektrik sabiti

AFM Atomik kuvvet mikroskobu

ALD Atomik katman biriktirme

AZO Aluumlminyum katkılı ccedilinko oksit

CVD Kimyasal buhar biriktirme

e Elektronun yuumlkuuml

Eg Yarıiletkenin yasak enerji aralığı

Eph Fonon enerjisi

EL Elektroluumlminesans

eV Elektron volt

FMR Ferromagnetik rezonans

FWHM Tam genişlik yarısı modulasyonu

ITO İndiyum kalay oksit

kGy Kilo grey

LED Işık yayan diyot

LFTS Duumlz yuumlzluuml hedef saccediltırma

MBE Molekuumller ışın epitaksi

me Elektronun etkin kuumltlesi

mh Holuumln (deşik) etkin kuumltlesi

IX

OLED Organik ışık yayan diyot

OMVPE Organometalik buhar fazı epitaksi

PET Polyethylene terephthalate

PL Fotoluumlminesans

PLD Atmalı lazer biriktirme

PVD Fiziksel buharlaştırma biriktirme

R Yansıma katsayısı

RF Radyo frekansı

RH Hall katsayısı

RHEED Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

RTF Oda sıcaklığında ferromanyetizm

SEM Taramalı elektron mikroskobu

T Geccedilirgenlik katsayısı

TCO Şeffaf iletken oksit

TE Termiyonik emisyon

USP Ultrasonik sprey piroliz

UV Mor oumltesi

VH Hall potansiyeli

XPS X ışını fotoelektron spektroskopisi

XRD X ışını kırınımı

ZnO Ccedilinko oksit

AHMET TOMBAK

1

1 GİRİŞ

ZnO hakkındaki bilimsel ccedilalışmalar on yıllar oumlncesine dayanmaktadır Bu

konuya ilginin canlanması yuumlksek kaliteli altlıkların kolay elde edilmesi p tipi iletimin

rapor edilmesi piezoelektrik davranış ve ccedileşitli geccediliş elementlerinin katkılanmasıyla

ferromanyetik oumlzelliklerin keşfedilmesi oldu ZnO oumlrguuml parametrelerinin incelenmesi

1935rsquolere dayanır (Bunn 1935) titreşim oumlzellikleri Raman saccedilılmasıyla 1966rsquoda

incelendi (Damen ve ark 1966) detaylı optik oumlzellik incelemesi 1954 yılında (Mollwo

1954) ve kimyasal buhar taşıma youmlntemiyle buumlyuumltme 1970rsquode başarıldı (Galli ve Coker

1970) ZnOZnTe p-n eklemi 1975rsquode yapıldı ve AlAu omik kontaklar 1978rsquode rapor

edildi (Tsurkan ve ark 1978)

Yuumlksek iyoniklikleri ve geniş bant aralıklarının direkt bant aralığı olması

soğurma ve luumlminesans iccedilin yuumlksek optik geccedilirgenlik olasılığına sahip olmaları

nedeniyle periyodik tablonun IIB ve VIA grubu elementlerinin birleşimi ile oluşan IIndash

VI bileşiklerine olan ilgi buumlyuumlktuumlr Bu bileşiklere CdS CdZnS ZnS ve ZnO gibi

bileşikler oumlrnek olarak verilebilir IIndashVI bileşiklerinin yasak enerji aralığı 18ndash4 eV

civarındadır Bu bileşikler kızıloumltesi dedektoumlrler guumlneş pilleri lazerler ve ccedileşitli

diyotların uumlretiminde oldukccedila yaygın bir şekilde kullanılmaktadır (Fahrenbruch 1977)

Direk ve geniş bant aralıklı materyal olan ZnO ccedileşitli elektronik ve

optoelektronik uygulamalar iccedilin ccedilok ccedilekici bir materyaldir (Reynolds ve Collins 1969)

Son yıllarda geniş bant aralığına sahip yarıiletken malzemelerin teknoloji ve

elektronik biliminde kullanım alanları genişlemiştir Bu malzemelerin teknolojide geniş

ccedilapta kullanılması nedeniyle birbirinden uumlstuumln yanlarının ve daha ucuz elde edilebilme

yollarının araştırılması hız kazanmıştır ZnO ZnS ZnSe GaAs GaN gibi yarıiletkenler

yuumlksek sıcaklık ve yuumlksek ışıma guumlcuuml gerektiren elektronik biliminde LED ve lazer

diyotları gibi kısa dalga boylu (UV ve şiddetli mavindashyeşil) ışık yayan optik aletlerde

kullanılmakta ve daha iyi sonuccedilların elde edilebilmesi iccedilin araştırılmaktadır

Elektromanyetik spektrumun goumlruumlnuumlr boumllgesinde geccedilirgen olan geniş bant

aralığına sahip yarıiletkenler elektronik ve optoelektronik aygıtların uumlretiminde oumlnemli

rol oynamaktadır Geccedilirgen iletken ve yarıiletken oksitlerin en oumlnemli avantajları

kimyasal olarak kararlı olmaları ve farklı altlıklar uumlzerine kolayca depolanabilmeleridir

1GİRİŞ

2

(Minami 2005)

ZnO IIndashVI grup iyonikliği kovalent ve iyonik yarı iletkenler arasında sınırda

olan yarı iletken bir bileşiktir ZnOnun kristal yapıları uumlccedil faz iccedilin vurtzit ccedilinko suumllfuumlr

(blend) ve kaya tuzudur Şekil 1de ZnO molekuumlluumlnuumln farklı kristal yapıları

goumlruumllmektedir Hava ortamında termodinamik olarak kararlı faz vurtzit simetrisidir

Ccedilinko suumllfuumlr yapı ZnO sadece kuumlbik altlık uumlzerine buumlyuumltuumlluumlrse kararlı hale

getirilebilirler

Şekil 11 ZnO kristal yapıları (a) kuumlbik kaya tuzu (b) kuumlbik ccedilinko suumllfuumlr (c) altıgen vuumlrtzit

ZnOnun kristal yapıları teorik hesaplamalarla ve deneysel olarak araştırılıp

rapor edilmiştir Ccedilizelge 11de bazı teorik ve deneysel ccedilalışmaların sonuccedilları

goumlruumllmektedir

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar

Deneysel sonuccedillar Teorik hesaplamalar

Bates ve ark

(1962)

Gerward ve ark (1995)

Desgreniers (1998)

Ahuja ve ark (1998)

Liu ve ark (1986)

Zaoui ve Sekkal

(2002)

Vuumlrtzit

hacim (Aring3)

2382 2378 2379 2360 2383 2383

Kaya tuzu

hacim(Aring3)

1960 1960 1948 1951 1904 1904

Burulma

basıncı

(GPa)

950 900 870 932 932 1045

AHMET TOMBAK

3

ZnO filmlerin ccedileşitli tekniklerle buumlyuumltuumllmesi ve akustik ve optik cihazlarda

kullanılması gibi uygulamalar ilgi ccedileken araştırma konularından bir tanesidir

Uygulamalar uumlzerinde yapılan araştırmalar daha ccedilok ZnOnun muumlkemmel piezoelektrik

oumlzellikleri ve cam safir ve elmas altlıklar uumlzerinde guumlccedilluuml (0001) tercihli youmlnelimle

buumlyuumlme eğiliminde yoğunlaşmaktadır ZnO ince film buumlyuumltmede eski ccedilalışmalarda

magnetron saccediltırma kimyasal buhar biriktirme yaygındı Fakat bu buumlyuumltmelerde filmler

ccediloklu kristal yapıdaydılar Sonraki ccedilalışmalarda yuumlksek kalitede tek kristal filmler radyo

frekansı magnetron saccediltırma ile hazırlandı ve biriktirme işleminin kontrolluuml olarak

gerccedilekleştiği diğer buumlyuumltme teknikleri kullanıldı Bunlar arasında molekuumller demet

epitaksi atmalı lazer biriktirme organometalik buhar fazı epitaksi sayılabilir

Heteroeklem ZnO tabakaları CaF2 (Ma Du ve ark 2005) Si (Dhananjay

Nagaraju ve ark 2007) GaAs (Nag ve Bhattacharya 2010) ve GaN (Asil Gur ve ark

2009) gibi altlıklar uumlzerine de buumlyuumltuumllduuml

Geniş alan ve yuumlksek kalitede ZnO kristallerinin buumlyuumltuumllmesi sadece temel

araştırmalar iccedilin değil aynı zamanda cihaz uygulamaları iccedilin de oumlnemlidir Geniş alan

ve yuumlksek kalitede ZnO tek kristalleri tek kristal katmanın potansiyel avantajlarından

dolayı UV ve mavi UV ışık yayan cihazlar iccedilin faydalıdır

RF magnetron saccediltırma duumlşuumlk veya yuumlksek sıcaklıklarda ccedilalışılabildiğinden ve

filmlerin makul seviyedeki kalitesinden dolayı tercih edilmektedir

Safir altlıklar benzer kafes oumlrguuml yapıları ve ulaşılabilirliğinden dolayı oldukccedila

popuumllerken diğer altlıklar da değişik cihaz uygulamalarında kullanılmaktadır

MBEnin temel avantajı buumlyuumltme parametrelerinin tam kontroluuml ve buumlyuumltme

ortamında filmi inceleme yeterliliğidir Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

(RHEED) geri beslemesiyle ZnO epi katmanları gerccedilek zamanlı olarak izlenebilir

PLD metodunda yuumlksek guumlccedilluuml lazer atmaları malzemeyi hedeften ayırırken alt

tuumlrlerin yuumlzeyde etkileşmesi sonucu biriken malzemenin stokiyometrisinin korunması

iccedilin buharlaştırmakta kullanılır

Diğer buumlyuumltme youmlntemleri arasında kimyasal buhar biriktirme (CVD)

teknolojisi bilhassa ilgi ccedilekmektedir Ccediluumlnkuuml yuumlksek kalitede filmler buumlyuumltmenin yanı

sıra geniş oumllccedilekte uumlretime uygundur Bu teknik değişik GaN tabanlı optoelektronik

1GİRİŞ

4

cihazların uumlretiminde kullanılan epitaksiyel filmlerin uumlretiminde yaygın olarak

kullanılmaktadır ve bu eğilim ZnOnun gelecek uygulamalarında beklenmektedir Bu

teknikle buumlyuumltuumllen ZnO filmler yuumlksek kristallik elektrik ve ışıma oumlzelliği

goumlstermektedirler

ZnOnun kırıcılık indisi gibi optik oumlzellikleri ve işlemleri yıllar oumlnce

araştırılmaya başlandı ZnOya ilginin tekrar uyanmasının nedenleri direkt geniş bant

aralığı (300 Kde Eg=33 eV) yuumlksek eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) ve etkin

ışımalı yeniden birleşmedir Eksiton bağlanma enerjisi goumlreceli olarak geniştir (ZnO

iccedilin 60 meV GaN iccedilin 25 meV) Geniş eksiton bağlanma enerjisi oda sıcaklığında hatta

daha yuumlksek sıcaklıklarda yoğun yakın bant kenarı eksitonik emisyon yolunu

accedilmaktadır Ccediluumlnkuuml bu değer oda sıcaklığı termal enerji değerinin (kBT=25 meV) 24

katıdır (Vanmaekelbergh ve van Vugt 2011)

ZnOda optik geccedilişler optik absorbsiyon iletim yansıma spektroskopik

elipsometri fotoluumlminisans kalorimetrik elipsometri vb gibi youmlntemlerle belirlenir

İletim oumllccediluumlmlerinden Muth ve ark (1999) epitaksiyel PLD ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO

filmlerin absorbsiyon katsayısını bant aralığını ve eksiton bağlanma enerjilerini

hesapladılar

Yarıiletken ZnO kristalinin eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) teknolojide

geniş kullanım alanına sahip diğer yarıiletken malzemelerden (20 meV ZnSe ve 25 meV

olan GaN) ccedilok daha buumlyuumlktuumlr Bunun yanı sıra ZnO ZnSe ve GaNrsquoa goumlre ccedilok daha

duumlşuumlk sıcaklıklarda hazırlanabilmektedir Bu yuumlzden de optoelektronik uygulamalar iccedilin

son derece oumlnem taşımaktadır Tmasymp2268 K yuumlksek erime sıcaklığına sahip ve

bozulmaksızın yuumlksek akım taşıma kapasitesi olan sağlam bir malzeme olup dielektrik

sabiti =85rsquotir (Carlsson 2002)

Tek boyutlu yarı iletken nano teller ve nano ccedilubuklar elektronik kuantum taşıma

ve yuumlklerin arttırılmış ışınımsal yeniden birleşmeleri gibi kuantum sınırlamasından

gelen fiziksel oumlzellikleri nedeniyle ilgi ccedilekmektedirler Nano teller kısa dalga nano

lazerler alan etkili transistorlar ccedilok hassas nano boyutlu gaz sensorları nano

rezonatoumlrler transduumlserler nano destek kolları ve alan emisyonları gibi uygulamalar

iccedilin temel taşıdırlar (Wang 2004 Pan ve ark 2001 Heo ve ark 2004)

Şu accedilıktır ki ccedilok ccedileşitli nano yapılar ZnO kullanılarak goumlreceli basit sentez

AHMET TOMBAK

5

metotlarıyla uumlretilebilir Bu nano yapılar kesinlikle nano boyutlarda temel fizik

ccedilalışmaları iccedilin kullanılabilir

IIIndashV ve IIndashVI grup duumlşuumlk etkili manyetik yarı iletkenler spine bağımlı manyetik

olay bu duumlşuumlk boyutlu manyetik ince filmlerin spin temelli belli yeteneklerinin

potansiyel olarak değiştirilebilmesinden dolayı oldukccedila ilgi ccedilekmektedir (Liu ve ark

2005)

ldquoAlZnO ince filmlerin optik ve elektriksel oumlzelliklerine gama ışınlarının

etkilerirdquo başlıklı ccedilalışmamda yuumlksek enerjili gama ışınlarının ZnO kristal yapısına

dolayısıyla elektrik ve optik oumlzelliklerine katkısını inceledim Bu konuda yapılan

ccedilalışmaların azlığı dolayısıyla literatuumlre katkıda bulunmayı amaccedilladım

1GİRİŞ

6

AHMET TOMBAK

7

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

Thomas ve Lander (1957) ZnO tek kristallerinin iletkenliklerinin ccedilinko buharı ve

hidrojene maruz kaldığında buumlyuumlk miktarda arttığını goumlsterdiler Fazla miktarda oksijen

ise oda sıcaklığında iletkenliği azaltmaktadır Yuumlzey iletkenliği beklendiği gibi kristal

ccedilapıyla değişmektedir

Medved (1961) ZnO fotoiletkenliğinin tuumlkenim kinetiklerini ışığın şiddeti ve

oksijenin basıncının bir fonksiyonu olarak alan bir model kullanarak inceledi Bu model

genelleştirilmiş Elovich denklemini ccedilıkartmada kullanılır

Azınlık yuumlk taşıyıcı akımlarının oumllccediluumlmleri ve bir yarıiletken elektrottaki uzay

yuumlkuuml kapasitesi elektrot yuumlzeyindeki kimyasal reaksiyonların adımları hakkında bilgi

almada kullanılır Morrison ve Freund (1968) azınlık akım reaksiyonlarının ZnO

kristallerinin yuumlzeyinde oluşan akımları iki katına ccedilıkardığını kapasite oumllccediluumlmleriyle

goumlsterdiler

Heiland ve Kunstmann (1969) kutupsal yuumlzeyleri yarma youmlntemiyle ccedilok duumlşuumlk

basınccedil altında hazırladılar ve geniş sıcaklık aralığında (90minus600 K) yuumlzeydeki elektriksel

iletkenliği incelediler Vakum ortamında tavlamanın ve hidrojen ya da oksijen

soğurmasının sonucunda değişiklikler goumlzlediler Optik oumllccediluumlmlerle bulugularını teyit

ettiler

Uematsu ve Hashimoto (1977) ZnO katalizoumlrlerde aşırı elektron

konsantrasyonunu hidrojenleştirme metodunun yanında tek ve uumlccedilluuml katyon katkısıyla

belirlediler Katkılı ve katkısız ZnOlarda aşırı elektron miktarının vakumda 300 degC

uumlstuumlnde arttığını goumlsterdiler

Optik katı hal lazerlerinin gelişmesi yavaş ve kademeli olmuştur İlk katı hal

lazerinden ışık goumlruumllmesi 1960rsquolarda olmuştur Ccedilok geccedilmeden 1966 yakın UV

boumllgesinde ccedilalışan ZnOlsquodan yapılmış ilk yarı iletken lazer goumlsterildi ZnOrsquonun optik

oumlzelliklerinin araştırıldığı bir ccedilalışmada 1995 yılında oda sıcaklığında ccedilalışan bir lazer

uumlretildi Bu tarihten sonra tek boyutlu ZnO nano teller hakkındaki araştırmalar

araştırmaların odak noktası haline geldi

Epitaksiyel AZO ince filmler tek kristal safir (0001) altlık uumlzerine atmalı lazer

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

8

biriktirme (PLD) youmlntemiyle buumlyuumltuumllduuml (Kim Horwitz ve ark 2002)

Czternastek (2004) Al katkılı ve katkısız ZnO filmleri yuumlksek basınccedillı DC

magnetron saccediltırma cam altlıklar uumlzerine buumlyuumlttuuml Plazma salınım goumlzlemini reaksiyon

odasına akan oksijen miktarını istikrarlı hale getirmek iccedilin kullandı Biriktirme sırasında

toplam basınccedil ve katkı seviyesinin elektrik ve optik oumlzelliklere etkisini inceledi Daha

yuumlksek katkı seviyelerinde tercihli youmlnelimin derece derece azaldığı taşıyıcı

konsantrasyonu ufak miktarlarda arttığı fakat Hall hareketliliğinin iyonlaşmış

safsızlıkların ccedilarpışmasından ve youmlnelimli buumlyuumlme noksanlığından dolayı ciddi

miktarda azaldığını goumlrduuml

Choi Kim ve ark (2005) Al ve F katkılı 200 nm kalınlıklı ZnO filmler ZnF ve

Al2O3 hedeflerle eş zamanlı olarak saccediltırma ile buumlyuumlttuumller XRD oumllccediluumlmlerinden F

katkısının ZnO filmlerinin kristalliğini geliştirdiğini buldular Elektriksel iletkenlik ve

optik absorpsiyon katsayısının tavlama ile arttığını goumlsterdiler

Dong Zhu ve ark (2007) p-GaAs altlıklar uumlzerinde ZnO p-n eklemi ile metal

organik kimyasal buhar biriktirme youmlntemiyle LED diyotlar oluşturdular Oda

sıcaklığında elektroluumlminisans (EL) ve fotoluumlminisans (PL) oumllccediluumlmlerini aldılar

ZnO ışık yayan kaynakların muhtemel uygulamalarında GaNrsquoe karşı avantajları

olduğundan dikkat ccedilekmektedir Hwang Oh ve ark (2007) Epitaksiyel ZnO filmlerde

katkı kontroluuml asitle dağlama ve omik kontak oluşturmayı iccedileren cihaz fabrikasyon

işlemlerini ve son olarak ZnO LED karakteristiklerini incelediler

Senede yuumlz binlerce ton ZnO ccedilimentoya ya da plastiğe katkı malzemesi olarak

kullanılmaktadır Optoelektronik alanında ZnO GaNrsquoe alternatif olarak maviUV

optoelektronik iccedilin ucuzluğu şeffaflığı iletken oksit olması ve elektronik devrelerde

malzeme olma potansiyeli ile dikkat ccedilekmektedir Son doumlnemde ana problem yuumlksek

yeniden uumlretilebilir kararlı p tipi katkılamadır Klingshirn malzeme buumlyuumltme ZnOrsquonun

temel oumlzelikleri ve ZnO temelli nano yapılar ve katkılamanın gelecek uygulamaları

uumlzerinde ccedilalışmıştır (Klingshirn 2007)

AZO filmler şeffaf iletken fonksiyonel guumlneş pillerinde kullanım potansiyeli

olan ve uzay mekiklerinde oksijen direnccedilli sistemlerde kullanılabilen bir malzemedir

Wang ve Wang (2007) yuumlksek performanslı AZO ince filmleri reaktif magnetron

saccediltırma ile hazırlayıp farklı dozlarda gama ışınına maruz bıraktılar Radyasyona maruz

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

IX

OLED Organik ışık yayan diyot

OMVPE Organometalik buhar fazı epitaksi

PET Polyethylene terephthalate

PL Fotoluumlminesans

PLD Atmalı lazer biriktirme

PVD Fiziksel buharlaştırma biriktirme

R Yansıma katsayısı

RF Radyo frekansı

RH Hall katsayısı

RHEED Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

RTF Oda sıcaklığında ferromanyetizm

SEM Taramalı elektron mikroskobu

T Geccedilirgenlik katsayısı

TCO Şeffaf iletken oksit

TE Termiyonik emisyon

USP Ultrasonik sprey piroliz

UV Mor oumltesi

VH Hall potansiyeli

XPS X ışını fotoelektron spektroskopisi

XRD X ışını kırınımı

ZnO Ccedilinko oksit

AHMET TOMBAK

1

1 GİRİŞ

ZnO hakkındaki bilimsel ccedilalışmalar on yıllar oumlncesine dayanmaktadır Bu

konuya ilginin canlanması yuumlksek kaliteli altlıkların kolay elde edilmesi p tipi iletimin

rapor edilmesi piezoelektrik davranış ve ccedileşitli geccediliş elementlerinin katkılanmasıyla

ferromanyetik oumlzelliklerin keşfedilmesi oldu ZnO oumlrguuml parametrelerinin incelenmesi

1935rsquolere dayanır (Bunn 1935) titreşim oumlzellikleri Raman saccedilılmasıyla 1966rsquoda

incelendi (Damen ve ark 1966) detaylı optik oumlzellik incelemesi 1954 yılında (Mollwo

1954) ve kimyasal buhar taşıma youmlntemiyle buumlyuumltme 1970rsquode başarıldı (Galli ve Coker

1970) ZnOZnTe p-n eklemi 1975rsquode yapıldı ve AlAu omik kontaklar 1978rsquode rapor

edildi (Tsurkan ve ark 1978)

Yuumlksek iyoniklikleri ve geniş bant aralıklarının direkt bant aralığı olması

soğurma ve luumlminesans iccedilin yuumlksek optik geccedilirgenlik olasılığına sahip olmaları

nedeniyle periyodik tablonun IIB ve VIA grubu elementlerinin birleşimi ile oluşan IIndash

VI bileşiklerine olan ilgi buumlyuumlktuumlr Bu bileşiklere CdS CdZnS ZnS ve ZnO gibi

bileşikler oumlrnek olarak verilebilir IIndashVI bileşiklerinin yasak enerji aralığı 18ndash4 eV

civarındadır Bu bileşikler kızıloumltesi dedektoumlrler guumlneş pilleri lazerler ve ccedileşitli

diyotların uumlretiminde oldukccedila yaygın bir şekilde kullanılmaktadır (Fahrenbruch 1977)

Direk ve geniş bant aralıklı materyal olan ZnO ccedileşitli elektronik ve

optoelektronik uygulamalar iccedilin ccedilok ccedilekici bir materyaldir (Reynolds ve Collins 1969)

Son yıllarda geniş bant aralığına sahip yarıiletken malzemelerin teknoloji ve

elektronik biliminde kullanım alanları genişlemiştir Bu malzemelerin teknolojide geniş

ccedilapta kullanılması nedeniyle birbirinden uumlstuumln yanlarının ve daha ucuz elde edilebilme

yollarının araştırılması hız kazanmıştır ZnO ZnS ZnSe GaAs GaN gibi yarıiletkenler

yuumlksek sıcaklık ve yuumlksek ışıma guumlcuuml gerektiren elektronik biliminde LED ve lazer

diyotları gibi kısa dalga boylu (UV ve şiddetli mavindashyeşil) ışık yayan optik aletlerde

kullanılmakta ve daha iyi sonuccedilların elde edilebilmesi iccedilin araştırılmaktadır

Elektromanyetik spektrumun goumlruumlnuumlr boumllgesinde geccedilirgen olan geniş bant

aralığına sahip yarıiletkenler elektronik ve optoelektronik aygıtların uumlretiminde oumlnemli

rol oynamaktadır Geccedilirgen iletken ve yarıiletken oksitlerin en oumlnemli avantajları

kimyasal olarak kararlı olmaları ve farklı altlıklar uumlzerine kolayca depolanabilmeleridir

1GİRİŞ

2

(Minami 2005)

ZnO IIndashVI grup iyonikliği kovalent ve iyonik yarı iletkenler arasında sınırda

olan yarı iletken bir bileşiktir ZnOnun kristal yapıları uumlccedil faz iccedilin vurtzit ccedilinko suumllfuumlr

(blend) ve kaya tuzudur Şekil 1de ZnO molekuumlluumlnuumln farklı kristal yapıları

goumlruumllmektedir Hava ortamında termodinamik olarak kararlı faz vurtzit simetrisidir

Ccedilinko suumllfuumlr yapı ZnO sadece kuumlbik altlık uumlzerine buumlyuumltuumlluumlrse kararlı hale

getirilebilirler

Şekil 11 ZnO kristal yapıları (a) kuumlbik kaya tuzu (b) kuumlbik ccedilinko suumllfuumlr (c) altıgen vuumlrtzit

ZnOnun kristal yapıları teorik hesaplamalarla ve deneysel olarak araştırılıp

rapor edilmiştir Ccedilizelge 11de bazı teorik ve deneysel ccedilalışmaların sonuccedilları

goumlruumllmektedir

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar

Deneysel sonuccedillar Teorik hesaplamalar

Bates ve ark

(1962)

Gerward ve ark (1995)

Desgreniers (1998)

Ahuja ve ark (1998)

Liu ve ark (1986)

Zaoui ve Sekkal

(2002)

Vuumlrtzit

hacim (Aring3)

2382 2378 2379 2360 2383 2383

Kaya tuzu

hacim(Aring3)

1960 1960 1948 1951 1904 1904

Burulma

basıncı

(GPa)

950 900 870 932 932 1045

AHMET TOMBAK

3

ZnO filmlerin ccedileşitli tekniklerle buumlyuumltuumllmesi ve akustik ve optik cihazlarda

kullanılması gibi uygulamalar ilgi ccedileken araştırma konularından bir tanesidir

Uygulamalar uumlzerinde yapılan araştırmalar daha ccedilok ZnOnun muumlkemmel piezoelektrik

oumlzellikleri ve cam safir ve elmas altlıklar uumlzerinde guumlccedilluuml (0001) tercihli youmlnelimle

buumlyuumlme eğiliminde yoğunlaşmaktadır ZnO ince film buumlyuumltmede eski ccedilalışmalarda

magnetron saccediltırma kimyasal buhar biriktirme yaygındı Fakat bu buumlyuumltmelerde filmler

ccediloklu kristal yapıdaydılar Sonraki ccedilalışmalarda yuumlksek kalitede tek kristal filmler radyo

frekansı magnetron saccediltırma ile hazırlandı ve biriktirme işleminin kontrolluuml olarak

gerccedilekleştiği diğer buumlyuumltme teknikleri kullanıldı Bunlar arasında molekuumller demet

epitaksi atmalı lazer biriktirme organometalik buhar fazı epitaksi sayılabilir

Heteroeklem ZnO tabakaları CaF2 (Ma Du ve ark 2005) Si (Dhananjay

Nagaraju ve ark 2007) GaAs (Nag ve Bhattacharya 2010) ve GaN (Asil Gur ve ark

2009) gibi altlıklar uumlzerine de buumlyuumltuumllduuml

Geniş alan ve yuumlksek kalitede ZnO kristallerinin buumlyuumltuumllmesi sadece temel

araştırmalar iccedilin değil aynı zamanda cihaz uygulamaları iccedilin de oumlnemlidir Geniş alan

ve yuumlksek kalitede ZnO tek kristalleri tek kristal katmanın potansiyel avantajlarından

dolayı UV ve mavi UV ışık yayan cihazlar iccedilin faydalıdır

RF magnetron saccediltırma duumlşuumlk veya yuumlksek sıcaklıklarda ccedilalışılabildiğinden ve

filmlerin makul seviyedeki kalitesinden dolayı tercih edilmektedir

Safir altlıklar benzer kafes oumlrguuml yapıları ve ulaşılabilirliğinden dolayı oldukccedila

popuumllerken diğer altlıklar da değişik cihaz uygulamalarında kullanılmaktadır

MBEnin temel avantajı buumlyuumltme parametrelerinin tam kontroluuml ve buumlyuumltme

ortamında filmi inceleme yeterliliğidir Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

(RHEED) geri beslemesiyle ZnO epi katmanları gerccedilek zamanlı olarak izlenebilir

PLD metodunda yuumlksek guumlccedilluuml lazer atmaları malzemeyi hedeften ayırırken alt

tuumlrlerin yuumlzeyde etkileşmesi sonucu biriken malzemenin stokiyometrisinin korunması

iccedilin buharlaştırmakta kullanılır

Diğer buumlyuumltme youmlntemleri arasında kimyasal buhar biriktirme (CVD)

teknolojisi bilhassa ilgi ccedilekmektedir Ccediluumlnkuuml yuumlksek kalitede filmler buumlyuumltmenin yanı

sıra geniş oumllccedilekte uumlretime uygundur Bu teknik değişik GaN tabanlı optoelektronik

1GİRİŞ

4

cihazların uumlretiminde kullanılan epitaksiyel filmlerin uumlretiminde yaygın olarak

kullanılmaktadır ve bu eğilim ZnOnun gelecek uygulamalarında beklenmektedir Bu

teknikle buumlyuumltuumllen ZnO filmler yuumlksek kristallik elektrik ve ışıma oumlzelliği

goumlstermektedirler

ZnOnun kırıcılık indisi gibi optik oumlzellikleri ve işlemleri yıllar oumlnce

araştırılmaya başlandı ZnOya ilginin tekrar uyanmasının nedenleri direkt geniş bant

aralığı (300 Kde Eg=33 eV) yuumlksek eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) ve etkin

ışımalı yeniden birleşmedir Eksiton bağlanma enerjisi goumlreceli olarak geniştir (ZnO

iccedilin 60 meV GaN iccedilin 25 meV) Geniş eksiton bağlanma enerjisi oda sıcaklığında hatta

daha yuumlksek sıcaklıklarda yoğun yakın bant kenarı eksitonik emisyon yolunu

accedilmaktadır Ccediluumlnkuuml bu değer oda sıcaklığı termal enerji değerinin (kBT=25 meV) 24

katıdır (Vanmaekelbergh ve van Vugt 2011)

ZnOda optik geccedilişler optik absorbsiyon iletim yansıma spektroskopik

elipsometri fotoluumlminisans kalorimetrik elipsometri vb gibi youmlntemlerle belirlenir

İletim oumllccediluumlmlerinden Muth ve ark (1999) epitaksiyel PLD ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO

filmlerin absorbsiyon katsayısını bant aralığını ve eksiton bağlanma enerjilerini

hesapladılar

Yarıiletken ZnO kristalinin eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) teknolojide

geniş kullanım alanına sahip diğer yarıiletken malzemelerden (20 meV ZnSe ve 25 meV

olan GaN) ccedilok daha buumlyuumlktuumlr Bunun yanı sıra ZnO ZnSe ve GaNrsquoa goumlre ccedilok daha

duumlşuumlk sıcaklıklarda hazırlanabilmektedir Bu yuumlzden de optoelektronik uygulamalar iccedilin

son derece oumlnem taşımaktadır Tmasymp2268 K yuumlksek erime sıcaklığına sahip ve

bozulmaksızın yuumlksek akım taşıma kapasitesi olan sağlam bir malzeme olup dielektrik

sabiti =85rsquotir (Carlsson 2002)

Tek boyutlu yarı iletken nano teller ve nano ccedilubuklar elektronik kuantum taşıma

ve yuumlklerin arttırılmış ışınımsal yeniden birleşmeleri gibi kuantum sınırlamasından

gelen fiziksel oumlzellikleri nedeniyle ilgi ccedilekmektedirler Nano teller kısa dalga nano

lazerler alan etkili transistorlar ccedilok hassas nano boyutlu gaz sensorları nano

rezonatoumlrler transduumlserler nano destek kolları ve alan emisyonları gibi uygulamalar

iccedilin temel taşıdırlar (Wang 2004 Pan ve ark 2001 Heo ve ark 2004)

Şu accedilıktır ki ccedilok ccedileşitli nano yapılar ZnO kullanılarak goumlreceli basit sentez

AHMET TOMBAK

5

metotlarıyla uumlretilebilir Bu nano yapılar kesinlikle nano boyutlarda temel fizik

ccedilalışmaları iccedilin kullanılabilir

IIIndashV ve IIndashVI grup duumlşuumlk etkili manyetik yarı iletkenler spine bağımlı manyetik

olay bu duumlşuumlk boyutlu manyetik ince filmlerin spin temelli belli yeteneklerinin

potansiyel olarak değiştirilebilmesinden dolayı oldukccedila ilgi ccedilekmektedir (Liu ve ark

2005)

ldquoAlZnO ince filmlerin optik ve elektriksel oumlzelliklerine gama ışınlarının

etkilerirdquo başlıklı ccedilalışmamda yuumlksek enerjili gama ışınlarının ZnO kristal yapısına

dolayısıyla elektrik ve optik oumlzelliklerine katkısını inceledim Bu konuda yapılan

ccedilalışmaların azlığı dolayısıyla literatuumlre katkıda bulunmayı amaccedilladım

1GİRİŞ

6

AHMET TOMBAK

7

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

Thomas ve Lander (1957) ZnO tek kristallerinin iletkenliklerinin ccedilinko buharı ve

hidrojene maruz kaldığında buumlyuumlk miktarda arttığını goumlsterdiler Fazla miktarda oksijen

ise oda sıcaklığında iletkenliği azaltmaktadır Yuumlzey iletkenliği beklendiği gibi kristal

ccedilapıyla değişmektedir

Medved (1961) ZnO fotoiletkenliğinin tuumlkenim kinetiklerini ışığın şiddeti ve

oksijenin basıncının bir fonksiyonu olarak alan bir model kullanarak inceledi Bu model

genelleştirilmiş Elovich denklemini ccedilıkartmada kullanılır

Azınlık yuumlk taşıyıcı akımlarının oumllccediluumlmleri ve bir yarıiletken elektrottaki uzay

yuumlkuuml kapasitesi elektrot yuumlzeyindeki kimyasal reaksiyonların adımları hakkında bilgi

almada kullanılır Morrison ve Freund (1968) azınlık akım reaksiyonlarının ZnO

kristallerinin yuumlzeyinde oluşan akımları iki katına ccedilıkardığını kapasite oumllccediluumlmleriyle

goumlsterdiler

Heiland ve Kunstmann (1969) kutupsal yuumlzeyleri yarma youmlntemiyle ccedilok duumlşuumlk

basınccedil altında hazırladılar ve geniş sıcaklık aralığında (90minus600 K) yuumlzeydeki elektriksel

iletkenliği incelediler Vakum ortamında tavlamanın ve hidrojen ya da oksijen

soğurmasının sonucunda değişiklikler goumlzlediler Optik oumllccediluumlmlerle bulugularını teyit

ettiler

Uematsu ve Hashimoto (1977) ZnO katalizoumlrlerde aşırı elektron

konsantrasyonunu hidrojenleştirme metodunun yanında tek ve uumlccedilluuml katyon katkısıyla

belirlediler Katkılı ve katkısız ZnOlarda aşırı elektron miktarının vakumda 300 degC

uumlstuumlnde arttığını goumlsterdiler

Optik katı hal lazerlerinin gelişmesi yavaş ve kademeli olmuştur İlk katı hal

lazerinden ışık goumlruumllmesi 1960rsquolarda olmuştur Ccedilok geccedilmeden 1966 yakın UV

boumllgesinde ccedilalışan ZnOlsquodan yapılmış ilk yarı iletken lazer goumlsterildi ZnOrsquonun optik

oumlzelliklerinin araştırıldığı bir ccedilalışmada 1995 yılında oda sıcaklığında ccedilalışan bir lazer

uumlretildi Bu tarihten sonra tek boyutlu ZnO nano teller hakkındaki araştırmalar

araştırmaların odak noktası haline geldi

Epitaksiyel AZO ince filmler tek kristal safir (0001) altlık uumlzerine atmalı lazer

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

8

biriktirme (PLD) youmlntemiyle buumlyuumltuumllduuml (Kim Horwitz ve ark 2002)

Czternastek (2004) Al katkılı ve katkısız ZnO filmleri yuumlksek basınccedillı DC

magnetron saccediltırma cam altlıklar uumlzerine buumlyuumlttuuml Plazma salınım goumlzlemini reaksiyon

odasına akan oksijen miktarını istikrarlı hale getirmek iccedilin kullandı Biriktirme sırasında

toplam basınccedil ve katkı seviyesinin elektrik ve optik oumlzelliklere etkisini inceledi Daha

yuumlksek katkı seviyelerinde tercihli youmlnelimin derece derece azaldığı taşıyıcı

konsantrasyonu ufak miktarlarda arttığı fakat Hall hareketliliğinin iyonlaşmış

safsızlıkların ccedilarpışmasından ve youmlnelimli buumlyuumlme noksanlığından dolayı ciddi

miktarda azaldığını goumlrduuml

Choi Kim ve ark (2005) Al ve F katkılı 200 nm kalınlıklı ZnO filmler ZnF ve

Al2O3 hedeflerle eş zamanlı olarak saccediltırma ile buumlyuumlttuumller XRD oumllccediluumlmlerinden F

katkısının ZnO filmlerinin kristalliğini geliştirdiğini buldular Elektriksel iletkenlik ve

optik absorpsiyon katsayısının tavlama ile arttığını goumlsterdiler

Dong Zhu ve ark (2007) p-GaAs altlıklar uumlzerinde ZnO p-n eklemi ile metal

organik kimyasal buhar biriktirme youmlntemiyle LED diyotlar oluşturdular Oda

sıcaklığında elektroluumlminisans (EL) ve fotoluumlminisans (PL) oumllccediluumlmlerini aldılar

ZnO ışık yayan kaynakların muhtemel uygulamalarında GaNrsquoe karşı avantajları

olduğundan dikkat ccedilekmektedir Hwang Oh ve ark (2007) Epitaksiyel ZnO filmlerde

katkı kontroluuml asitle dağlama ve omik kontak oluşturmayı iccedileren cihaz fabrikasyon

işlemlerini ve son olarak ZnO LED karakteristiklerini incelediler

Senede yuumlz binlerce ton ZnO ccedilimentoya ya da plastiğe katkı malzemesi olarak

kullanılmaktadır Optoelektronik alanında ZnO GaNrsquoe alternatif olarak maviUV

optoelektronik iccedilin ucuzluğu şeffaflığı iletken oksit olması ve elektronik devrelerde

malzeme olma potansiyeli ile dikkat ccedilekmektedir Son doumlnemde ana problem yuumlksek

yeniden uumlretilebilir kararlı p tipi katkılamadır Klingshirn malzeme buumlyuumltme ZnOrsquonun

temel oumlzelikleri ve ZnO temelli nano yapılar ve katkılamanın gelecek uygulamaları

uumlzerinde ccedilalışmıştır (Klingshirn 2007)

AZO filmler şeffaf iletken fonksiyonel guumlneş pillerinde kullanım potansiyeli

olan ve uzay mekiklerinde oksijen direnccedilli sistemlerde kullanılabilen bir malzemedir

Wang ve Wang (2007) yuumlksek performanslı AZO ince filmleri reaktif magnetron

saccediltırma ile hazırlayıp farklı dozlarda gama ışınına maruz bıraktılar Radyasyona maruz

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

1

1 GİRİŞ

ZnO hakkındaki bilimsel ccedilalışmalar on yıllar oumlncesine dayanmaktadır Bu

konuya ilginin canlanması yuumlksek kaliteli altlıkların kolay elde edilmesi p tipi iletimin

rapor edilmesi piezoelektrik davranış ve ccedileşitli geccediliş elementlerinin katkılanmasıyla

ferromanyetik oumlzelliklerin keşfedilmesi oldu ZnO oumlrguuml parametrelerinin incelenmesi

1935rsquolere dayanır (Bunn 1935) titreşim oumlzellikleri Raman saccedilılmasıyla 1966rsquoda

incelendi (Damen ve ark 1966) detaylı optik oumlzellik incelemesi 1954 yılında (Mollwo

1954) ve kimyasal buhar taşıma youmlntemiyle buumlyuumltme 1970rsquode başarıldı (Galli ve Coker

1970) ZnOZnTe p-n eklemi 1975rsquode yapıldı ve AlAu omik kontaklar 1978rsquode rapor

edildi (Tsurkan ve ark 1978)

Yuumlksek iyoniklikleri ve geniş bant aralıklarının direkt bant aralığı olması

soğurma ve luumlminesans iccedilin yuumlksek optik geccedilirgenlik olasılığına sahip olmaları

nedeniyle periyodik tablonun IIB ve VIA grubu elementlerinin birleşimi ile oluşan IIndash

VI bileşiklerine olan ilgi buumlyuumlktuumlr Bu bileşiklere CdS CdZnS ZnS ve ZnO gibi

bileşikler oumlrnek olarak verilebilir IIndashVI bileşiklerinin yasak enerji aralığı 18ndash4 eV

civarındadır Bu bileşikler kızıloumltesi dedektoumlrler guumlneş pilleri lazerler ve ccedileşitli

diyotların uumlretiminde oldukccedila yaygın bir şekilde kullanılmaktadır (Fahrenbruch 1977)

Direk ve geniş bant aralıklı materyal olan ZnO ccedileşitli elektronik ve

optoelektronik uygulamalar iccedilin ccedilok ccedilekici bir materyaldir (Reynolds ve Collins 1969)

Son yıllarda geniş bant aralığına sahip yarıiletken malzemelerin teknoloji ve

elektronik biliminde kullanım alanları genişlemiştir Bu malzemelerin teknolojide geniş

ccedilapta kullanılması nedeniyle birbirinden uumlstuumln yanlarının ve daha ucuz elde edilebilme

yollarının araştırılması hız kazanmıştır ZnO ZnS ZnSe GaAs GaN gibi yarıiletkenler

yuumlksek sıcaklık ve yuumlksek ışıma guumlcuuml gerektiren elektronik biliminde LED ve lazer

diyotları gibi kısa dalga boylu (UV ve şiddetli mavindashyeşil) ışık yayan optik aletlerde

kullanılmakta ve daha iyi sonuccedilların elde edilebilmesi iccedilin araştırılmaktadır

Elektromanyetik spektrumun goumlruumlnuumlr boumllgesinde geccedilirgen olan geniş bant

aralığına sahip yarıiletkenler elektronik ve optoelektronik aygıtların uumlretiminde oumlnemli

rol oynamaktadır Geccedilirgen iletken ve yarıiletken oksitlerin en oumlnemli avantajları

kimyasal olarak kararlı olmaları ve farklı altlıklar uumlzerine kolayca depolanabilmeleridir

1GİRİŞ

2

(Minami 2005)

ZnO IIndashVI grup iyonikliği kovalent ve iyonik yarı iletkenler arasında sınırda

olan yarı iletken bir bileşiktir ZnOnun kristal yapıları uumlccedil faz iccedilin vurtzit ccedilinko suumllfuumlr

(blend) ve kaya tuzudur Şekil 1de ZnO molekuumlluumlnuumln farklı kristal yapıları

goumlruumllmektedir Hava ortamında termodinamik olarak kararlı faz vurtzit simetrisidir

Ccedilinko suumllfuumlr yapı ZnO sadece kuumlbik altlık uumlzerine buumlyuumltuumlluumlrse kararlı hale

getirilebilirler

Şekil 11 ZnO kristal yapıları (a) kuumlbik kaya tuzu (b) kuumlbik ccedilinko suumllfuumlr (c) altıgen vuumlrtzit

ZnOnun kristal yapıları teorik hesaplamalarla ve deneysel olarak araştırılıp

rapor edilmiştir Ccedilizelge 11de bazı teorik ve deneysel ccedilalışmaların sonuccedilları

goumlruumllmektedir

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar

Deneysel sonuccedillar Teorik hesaplamalar

Bates ve ark

(1962)

Gerward ve ark (1995)

Desgreniers (1998)

Ahuja ve ark (1998)

Liu ve ark (1986)

Zaoui ve Sekkal

(2002)

Vuumlrtzit

hacim (Aring3)

2382 2378 2379 2360 2383 2383

Kaya tuzu

hacim(Aring3)

1960 1960 1948 1951 1904 1904

Burulma

basıncı

(GPa)

950 900 870 932 932 1045

AHMET TOMBAK

3

ZnO filmlerin ccedileşitli tekniklerle buumlyuumltuumllmesi ve akustik ve optik cihazlarda

kullanılması gibi uygulamalar ilgi ccedileken araştırma konularından bir tanesidir

Uygulamalar uumlzerinde yapılan araştırmalar daha ccedilok ZnOnun muumlkemmel piezoelektrik

oumlzellikleri ve cam safir ve elmas altlıklar uumlzerinde guumlccedilluuml (0001) tercihli youmlnelimle

buumlyuumlme eğiliminde yoğunlaşmaktadır ZnO ince film buumlyuumltmede eski ccedilalışmalarda

magnetron saccediltırma kimyasal buhar biriktirme yaygındı Fakat bu buumlyuumltmelerde filmler

ccediloklu kristal yapıdaydılar Sonraki ccedilalışmalarda yuumlksek kalitede tek kristal filmler radyo

frekansı magnetron saccediltırma ile hazırlandı ve biriktirme işleminin kontrolluuml olarak

gerccedilekleştiği diğer buumlyuumltme teknikleri kullanıldı Bunlar arasında molekuumller demet

epitaksi atmalı lazer biriktirme organometalik buhar fazı epitaksi sayılabilir

Heteroeklem ZnO tabakaları CaF2 (Ma Du ve ark 2005) Si (Dhananjay

Nagaraju ve ark 2007) GaAs (Nag ve Bhattacharya 2010) ve GaN (Asil Gur ve ark

2009) gibi altlıklar uumlzerine de buumlyuumltuumllduuml

Geniş alan ve yuumlksek kalitede ZnO kristallerinin buumlyuumltuumllmesi sadece temel

araştırmalar iccedilin değil aynı zamanda cihaz uygulamaları iccedilin de oumlnemlidir Geniş alan

ve yuumlksek kalitede ZnO tek kristalleri tek kristal katmanın potansiyel avantajlarından

dolayı UV ve mavi UV ışık yayan cihazlar iccedilin faydalıdır

RF magnetron saccediltırma duumlşuumlk veya yuumlksek sıcaklıklarda ccedilalışılabildiğinden ve

filmlerin makul seviyedeki kalitesinden dolayı tercih edilmektedir

Safir altlıklar benzer kafes oumlrguuml yapıları ve ulaşılabilirliğinden dolayı oldukccedila

popuumllerken diğer altlıklar da değişik cihaz uygulamalarında kullanılmaktadır

MBEnin temel avantajı buumlyuumltme parametrelerinin tam kontroluuml ve buumlyuumltme

ortamında filmi inceleme yeterliliğidir Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

(RHEED) geri beslemesiyle ZnO epi katmanları gerccedilek zamanlı olarak izlenebilir

PLD metodunda yuumlksek guumlccedilluuml lazer atmaları malzemeyi hedeften ayırırken alt

tuumlrlerin yuumlzeyde etkileşmesi sonucu biriken malzemenin stokiyometrisinin korunması

iccedilin buharlaştırmakta kullanılır

Diğer buumlyuumltme youmlntemleri arasında kimyasal buhar biriktirme (CVD)

teknolojisi bilhassa ilgi ccedilekmektedir Ccediluumlnkuuml yuumlksek kalitede filmler buumlyuumltmenin yanı

sıra geniş oumllccedilekte uumlretime uygundur Bu teknik değişik GaN tabanlı optoelektronik

1GİRİŞ

4

cihazların uumlretiminde kullanılan epitaksiyel filmlerin uumlretiminde yaygın olarak

kullanılmaktadır ve bu eğilim ZnOnun gelecek uygulamalarında beklenmektedir Bu

teknikle buumlyuumltuumllen ZnO filmler yuumlksek kristallik elektrik ve ışıma oumlzelliği

goumlstermektedirler

ZnOnun kırıcılık indisi gibi optik oumlzellikleri ve işlemleri yıllar oumlnce

araştırılmaya başlandı ZnOya ilginin tekrar uyanmasının nedenleri direkt geniş bant

aralığı (300 Kde Eg=33 eV) yuumlksek eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) ve etkin

ışımalı yeniden birleşmedir Eksiton bağlanma enerjisi goumlreceli olarak geniştir (ZnO

iccedilin 60 meV GaN iccedilin 25 meV) Geniş eksiton bağlanma enerjisi oda sıcaklığında hatta

daha yuumlksek sıcaklıklarda yoğun yakın bant kenarı eksitonik emisyon yolunu

accedilmaktadır Ccediluumlnkuuml bu değer oda sıcaklığı termal enerji değerinin (kBT=25 meV) 24

katıdır (Vanmaekelbergh ve van Vugt 2011)

ZnOda optik geccedilişler optik absorbsiyon iletim yansıma spektroskopik

elipsometri fotoluumlminisans kalorimetrik elipsometri vb gibi youmlntemlerle belirlenir

İletim oumllccediluumlmlerinden Muth ve ark (1999) epitaksiyel PLD ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO

filmlerin absorbsiyon katsayısını bant aralığını ve eksiton bağlanma enerjilerini

hesapladılar

Yarıiletken ZnO kristalinin eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) teknolojide

geniş kullanım alanına sahip diğer yarıiletken malzemelerden (20 meV ZnSe ve 25 meV

olan GaN) ccedilok daha buumlyuumlktuumlr Bunun yanı sıra ZnO ZnSe ve GaNrsquoa goumlre ccedilok daha

duumlşuumlk sıcaklıklarda hazırlanabilmektedir Bu yuumlzden de optoelektronik uygulamalar iccedilin

son derece oumlnem taşımaktadır Tmasymp2268 K yuumlksek erime sıcaklığına sahip ve

bozulmaksızın yuumlksek akım taşıma kapasitesi olan sağlam bir malzeme olup dielektrik

sabiti =85rsquotir (Carlsson 2002)

Tek boyutlu yarı iletken nano teller ve nano ccedilubuklar elektronik kuantum taşıma

ve yuumlklerin arttırılmış ışınımsal yeniden birleşmeleri gibi kuantum sınırlamasından

gelen fiziksel oumlzellikleri nedeniyle ilgi ccedilekmektedirler Nano teller kısa dalga nano

lazerler alan etkili transistorlar ccedilok hassas nano boyutlu gaz sensorları nano

rezonatoumlrler transduumlserler nano destek kolları ve alan emisyonları gibi uygulamalar

iccedilin temel taşıdırlar (Wang 2004 Pan ve ark 2001 Heo ve ark 2004)

Şu accedilıktır ki ccedilok ccedileşitli nano yapılar ZnO kullanılarak goumlreceli basit sentez

AHMET TOMBAK

5

metotlarıyla uumlretilebilir Bu nano yapılar kesinlikle nano boyutlarda temel fizik

ccedilalışmaları iccedilin kullanılabilir

IIIndashV ve IIndashVI grup duumlşuumlk etkili manyetik yarı iletkenler spine bağımlı manyetik

olay bu duumlşuumlk boyutlu manyetik ince filmlerin spin temelli belli yeteneklerinin

potansiyel olarak değiştirilebilmesinden dolayı oldukccedila ilgi ccedilekmektedir (Liu ve ark

2005)

ldquoAlZnO ince filmlerin optik ve elektriksel oumlzelliklerine gama ışınlarının

etkilerirdquo başlıklı ccedilalışmamda yuumlksek enerjili gama ışınlarının ZnO kristal yapısına

dolayısıyla elektrik ve optik oumlzelliklerine katkısını inceledim Bu konuda yapılan

ccedilalışmaların azlığı dolayısıyla literatuumlre katkıda bulunmayı amaccedilladım

1GİRİŞ

6

AHMET TOMBAK

7

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

Thomas ve Lander (1957) ZnO tek kristallerinin iletkenliklerinin ccedilinko buharı ve

hidrojene maruz kaldığında buumlyuumlk miktarda arttığını goumlsterdiler Fazla miktarda oksijen

ise oda sıcaklığında iletkenliği azaltmaktadır Yuumlzey iletkenliği beklendiği gibi kristal

ccedilapıyla değişmektedir

Medved (1961) ZnO fotoiletkenliğinin tuumlkenim kinetiklerini ışığın şiddeti ve

oksijenin basıncının bir fonksiyonu olarak alan bir model kullanarak inceledi Bu model

genelleştirilmiş Elovich denklemini ccedilıkartmada kullanılır

Azınlık yuumlk taşıyıcı akımlarının oumllccediluumlmleri ve bir yarıiletken elektrottaki uzay

yuumlkuuml kapasitesi elektrot yuumlzeyindeki kimyasal reaksiyonların adımları hakkında bilgi

almada kullanılır Morrison ve Freund (1968) azınlık akım reaksiyonlarının ZnO

kristallerinin yuumlzeyinde oluşan akımları iki katına ccedilıkardığını kapasite oumllccediluumlmleriyle

goumlsterdiler

Heiland ve Kunstmann (1969) kutupsal yuumlzeyleri yarma youmlntemiyle ccedilok duumlşuumlk

basınccedil altında hazırladılar ve geniş sıcaklık aralığında (90minus600 K) yuumlzeydeki elektriksel

iletkenliği incelediler Vakum ortamında tavlamanın ve hidrojen ya da oksijen

soğurmasının sonucunda değişiklikler goumlzlediler Optik oumllccediluumlmlerle bulugularını teyit

ettiler

Uematsu ve Hashimoto (1977) ZnO katalizoumlrlerde aşırı elektron

konsantrasyonunu hidrojenleştirme metodunun yanında tek ve uumlccedilluuml katyon katkısıyla

belirlediler Katkılı ve katkısız ZnOlarda aşırı elektron miktarının vakumda 300 degC

uumlstuumlnde arttığını goumlsterdiler

Optik katı hal lazerlerinin gelişmesi yavaş ve kademeli olmuştur İlk katı hal

lazerinden ışık goumlruumllmesi 1960rsquolarda olmuştur Ccedilok geccedilmeden 1966 yakın UV

boumllgesinde ccedilalışan ZnOlsquodan yapılmış ilk yarı iletken lazer goumlsterildi ZnOrsquonun optik

oumlzelliklerinin araştırıldığı bir ccedilalışmada 1995 yılında oda sıcaklığında ccedilalışan bir lazer

uumlretildi Bu tarihten sonra tek boyutlu ZnO nano teller hakkındaki araştırmalar

araştırmaların odak noktası haline geldi

Epitaksiyel AZO ince filmler tek kristal safir (0001) altlık uumlzerine atmalı lazer

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

8

biriktirme (PLD) youmlntemiyle buumlyuumltuumllduuml (Kim Horwitz ve ark 2002)

Czternastek (2004) Al katkılı ve katkısız ZnO filmleri yuumlksek basınccedillı DC

magnetron saccediltırma cam altlıklar uumlzerine buumlyuumlttuuml Plazma salınım goumlzlemini reaksiyon

odasına akan oksijen miktarını istikrarlı hale getirmek iccedilin kullandı Biriktirme sırasında

toplam basınccedil ve katkı seviyesinin elektrik ve optik oumlzelliklere etkisini inceledi Daha

yuumlksek katkı seviyelerinde tercihli youmlnelimin derece derece azaldığı taşıyıcı

konsantrasyonu ufak miktarlarda arttığı fakat Hall hareketliliğinin iyonlaşmış

safsızlıkların ccedilarpışmasından ve youmlnelimli buumlyuumlme noksanlığından dolayı ciddi

miktarda azaldığını goumlrduuml

Choi Kim ve ark (2005) Al ve F katkılı 200 nm kalınlıklı ZnO filmler ZnF ve

Al2O3 hedeflerle eş zamanlı olarak saccediltırma ile buumlyuumlttuumller XRD oumllccediluumlmlerinden F

katkısının ZnO filmlerinin kristalliğini geliştirdiğini buldular Elektriksel iletkenlik ve

optik absorpsiyon katsayısının tavlama ile arttığını goumlsterdiler

Dong Zhu ve ark (2007) p-GaAs altlıklar uumlzerinde ZnO p-n eklemi ile metal

organik kimyasal buhar biriktirme youmlntemiyle LED diyotlar oluşturdular Oda

sıcaklığında elektroluumlminisans (EL) ve fotoluumlminisans (PL) oumllccediluumlmlerini aldılar

ZnO ışık yayan kaynakların muhtemel uygulamalarında GaNrsquoe karşı avantajları

olduğundan dikkat ccedilekmektedir Hwang Oh ve ark (2007) Epitaksiyel ZnO filmlerde

katkı kontroluuml asitle dağlama ve omik kontak oluşturmayı iccedileren cihaz fabrikasyon

işlemlerini ve son olarak ZnO LED karakteristiklerini incelediler

Senede yuumlz binlerce ton ZnO ccedilimentoya ya da plastiğe katkı malzemesi olarak

kullanılmaktadır Optoelektronik alanında ZnO GaNrsquoe alternatif olarak maviUV

optoelektronik iccedilin ucuzluğu şeffaflığı iletken oksit olması ve elektronik devrelerde

malzeme olma potansiyeli ile dikkat ccedilekmektedir Son doumlnemde ana problem yuumlksek

yeniden uumlretilebilir kararlı p tipi katkılamadır Klingshirn malzeme buumlyuumltme ZnOrsquonun

temel oumlzelikleri ve ZnO temelli nano yapılar ve katkılamanın gelecek uygulamaları

uumlzerinde ccedilalışmıştır (Klingshirn 2007)

AZO filmler şeffaf iletken fonksiyonel guumlneş pillerinde kullanım potansiyeli

olan ve uzay mekiklerinde oksijen direnccedilli sistemlerde kullanılabilen bir malzemedir

Wang ve Wang (2007) yuumlksek performanslı AZO ince filmleri reaktif magnetron

saccediltırma ile hazırlayıp farklı dozlarda gama ışınına maruz bıraktılar Radyasyona maruz

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

1GİRİŞ

2

(Minami 2005)

ZnO IIndashVI grup iyonikliği kovalent ve iyonik yarı iletkenler arasında sınırda

olan yarı iletken bir bileşiktir ZnOnun kristal yapıları uumlccedil faz iccedilin vurtzit ccedilinko suumllfuumlr

(blend) ve kaya tuzudur Şekil 1de ZnO molekuumlluumlnuumln farklı kristal yapıları

goumlruumllmektedir Hava ortamında termodinamik olarak kararlı faz vurtzit simetrisidir

Ccedilinko suumllfuumlr yapı ZnO sadece kuumlbik altlık uumlzerine buumlyuumltuumlluumlrse kararlı hale

getirilebilirler

Şekil 11 ZnO kristal yapıları (a) kuumlbik kaya tuzu (b) kuumlbik ccedilinko suumllfuumlr (c) altıgen vuumlrtzit

ZnOnun kristal yapıları teorik hesaplamalarla ve deneysel olarak araştırılıp

rapor edilmiştir Ccedilizelge 11de bazı teorik ve deneysel ccedilalışmaların sonuccedilları

goumlruumllmektedir

Ccedilizelge 11 ZnO yapısı ilgili literatuumlrde mevcut ccedilalışmalar

Deneysel sonuccedillar Teorik hesaplamalar

Bates ve ark

(1962)

Gerward ve ark (1995)

Desgreniers (1998)

Ahuja ve ark (1998)

Liu ve ark (1986)

Zaoui ve Sekkal

(2002)

Vuumlrtzit

hacim (Aring3)

2382 2378 2379 2360 2383 2383

Kaya tuzu

hacim(Aring3)

1960 1960 1948 1951 1904 1904

Burulma

basıncı

(GPa)

950 900 870 932 932 1045

AHMET TOMBAK

3

ZnO filmlerin ccedileşitli tekniklerle buumlyuumltuumllmesi ve akustik ve optik cihazlarda

kullanılması gibi uygulamalar ilgi ccedileken araştırma konularından bir tanesidir

Uygulamalar uumlzerinde yapılan araştırmalar daha ccedilok ZnOnun muumlkemmel piezoelektrik

oumlzellikleri ve cam safir ve elmas altlıklar uumlzerinde guumlccedilluuml (0001) tercihli youmlnelimle

buumlyuumlme eğiliminde yoğunlaşmaktadır ZnO ince film buumlyuumltmede eski ccedilalışmalarda

magnetron saccediltırma kimyasal buhar biriktirme yaygındı Fakat bu buumlyuumltmelerde filmler

ccediloklu kristal yapıdaydılar Sonraki ccedilalışmalarda yuumlksek kalitede tek kristal filmler radyo

frekansı magnetron saccediltırma ile hazırlandı ve biriktirme işleminin kontrolluuml olarak

gerccedilekleştiği diğer buumlyuumltme teknikleri kullanıldı Bunlar arasında molekuumller demet

epitaksi atmalı lazer biriktirme organometalik buhar fazı epitaksi sayılabilir

Heteroeklem ZnO tabakaları CaF2 (Ma Du ve ark 2005) Si (Dhananjay

Nagaraju ve ark 2007) GaAs (Nag ve Bhattacharya 2010) ve GaN (Asil Gur ve ark

2009) gibi altlıklar uumlzerine de buumlyuumltuumllduuml

Geniş alan ve yuumlksek kalitede ZnO kristallerinin buumlyuumltuumllmesi sadece temel

araştırmalar iccedilin değil aynı zamanda cihaz uygulamaları iccedilin de oumlnemlidir Geniş alan

ve yuumlksek kalitede ZnO tek kristalleri tek kristal katmanın potansiyel avantajlarından

dolayı UV ve mavi UV ışık yayan cihazlar iccedilin faydalıdır

RF magnetron saccediltırma duumlşuumlk veya yuumlksek sıcaklıklarda ccedilalışılabildiğinden ve

filmlerin makul seviyedeki kalitesinden dolayı tercih edilmektedir

Safir altlıklar benzer kafes oumlrguuml yapıları ve ulaşılabilirliğinden dolayı oldukccedila

popuumllerken diğer altlıklar da değişik cihaz uygulamalarında kullanılmaktadır

MBEnin temel avantajı buumlyuumltme parametrelerinin tam kontroluuml ve buumlyuumltme

ortamında filmi inceleme yeterliliğidir Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

(RHEED) geri beslemesiyle ZnO epi katmanları gerccedilek zamanlı olarak izlenebilir

PLD metodunda yuumlksek guumlccedilluuml lazer atmaları malzemeyi hedeften ayırırken alt

tuumlrlerin yuumlzeyde etkileşmesi sonucu biriken malzemenin stokiyometrisinin korunması

iccedilin buharlaştırmakta kullanılır

Diğer buumlyuumltme youmlntemleri arasında kimyasal buhar biriktirme (CVD)

teknolojisi bilhassa ilgi ccedilekmektedir Ccediluumlnkuuml yuumlksek kalitede filmler buumlyuumltmenin yanı

sıra geniş oumllccedilekte uumlretime uygundur Bu teknik değişik GaN tabanlı optoelektronik

1GİRİŞ

4

cihazların uumlretiminde kullanılan epitaksiyel filmlerin uumlretiminde yaygın olarak

kullanılmaktadır ve bu eğilim ZnOnun gelecek uygulamalarında beklenmektedir Bu

teknikle buumlyuumltuumllen ZnO filmler yuumlksek kristallik elektrik ve ışıma oumlzelliği

goumlstermektedirler

ZnOnun kırıcılık indisi gibi optik oumlzellikleri ve işlemleri yıllar oumlnce

araştırılmaya başlandı ZnOya ilginin tekrar uyanmasının nedenleri direkt geniş bant

aralığı (300 Kde Eg=33 eV) yuumlksek eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) ve etkin

ışımalı yeniden birleşmedir Eksiton bağlanma enerjisi goumlreceli olarak geniştir (ZnO

iccedilin 60 meV GaN iccedilin 25 meV) Geniş eksiton bağlanma enerjisi oda sıcaklığında hatta

daha yuumlksek sıcaklıklarda yoğun yakın bant kenarı eksitonik emisyon yolunu

accedilmaktadır Ccediluumlnkuuml bu değer oda sıcaklığı termal enerji değerinin (kBT=25 meV) 24

katıdır (Vanmaekelbergh ve van Vugt 2011)

ZnOda optik geccedilişler optik absorbsiyon iletim yansıma spektroskopik

elipsometri fotoluumlminisans kalorimetrik elipsometri vb gibi youmlntemlerle belirlenir

İletim oumllccediluumlmlerinden Muth ve ark (1999) epitaksiyel PLD ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO

filmlerin absorbsiyon katsayısını bant aralığını ve eksiton bağlanma enerjilerini

hesapladılar

Yarıiletken ZnO kristalinin eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) teknolojide

geniş kullanım alanına sahip diğer yarıiletken malzemelerden (20 meV ZnSe ve 25 meV

olan GaN) ccedilok daha buumlyuumlktuumlr Bunun yanı sıra ZnO ZnSe ve GaNrsquoa goumlre ccedilok daha

duumlşuumlk sıcaklıklarda hazırlanabilmektedir Bu yuumlzden de optoelektronik uygulamalar iccedilin

son derece oumlnem taşımaktadır Tmasymp2268 K yuumlksek erime sıcaklığına sahip ve

bozulmaksızın yuumlksek akım taşıma kapasitesi olan sağlam bir malzeme olup dielektrik

sabiti =85rsquotir (Carlsson 2002)

Tek boyutlu yarı iletken nano teller ve nano ccedilubuklar elektronik kuantum taşıma

ve yuumlklerin arttırılmış ışınımsal yeniden birleşmeleri gibi kuantum sınırlamasından

gelen fiziksel oumlzellikleri nedeniyle ilgi ccedilekmektedirler Nano teller kısa dalga nano

lazerler alan etkili transistorlar ccedilok hassas nano boyutlu gaz sensorları nano

rezonatoumlrler transduumlserler nano destek kolları ve alan emisyonları gibi uygulamalar

iccedilin temel taşıdırlar (Wang 2004 Pan ve ark 2001 Heo ve ark 2004)

Şu accedilıktır ki ccedilok ccedileşitli nano yapılar ZnO kullanılarak goumlreceli basit sentez

AHMET TOMBAK

5

metotlarıyla uumlretilebilir Bu nano yapılar kesinlikle nano boyutlarda temel fizik

ccedilalışmaları iccedilin kullanılabilir

IIIndashV ve IIndashVI grup duumlşuumlk etkili manyetik yarı iletkenler spine bağımlı manyetik

olay bu duumlşuumlk boyutlu manyetik ince filmlerin spin temelli belli yeteneklerinin

potansiyel olarak değiştirilebilmesinden dolayı oldukccedila ilgi ccedilekmektedir (Liu ve ark

2005)

ldquoAlZnO ince filmlerin optik ve elektriksel oumlzelliklerine gama ışınlarının

etkilerirdquo başlıklı ccedilalışmamda yuumlksek enerjili gama ışınlarının ZnO kristal yapısına

dolayısıyla elektrik ve optik oumlzelliklerine katkısını inceledim Bu konuda yapılan

ccedilalışmaların azlığı dolayısıyla literatuumlre katkıda bulunmayı amaccedilladım

1GİRİŞ

6

AHMET TOMBAK

7

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

Thomas ve Lander (1957) ZnO tek kristallerinin iletkenliklerinin ccedilinko buharı ve

hidrojene maruz kaldığında buumlyuumlk miktarda arttığını goumlsterdiler Fazla miktarda oksijen

ise oda sıcaklığında iletkenliği azaltmaktadır Yuumlzey iletkenliği beklendiği gibi kristal

ccedilapıyla değişmektedir

Medved (1961) ZnO fotoiletkenliğinin tuumlkenim kinetiklerini ışığın şiddeti ve

oksijenin basıncının bir fonksiyonu olarak alan bir model kullanarak inceledi Bu model

genelleştirilmiş Elovich denklemini ccedilıkartmada kullanılır

Azınlık yuumlk taşıyıcı akımlarının oumllccediluumlmleri ve bir yarıiletken elektrottaki uzay

yuumlkuuml kapasitesi elektrot yuumlzeyindeki kimyasal reaksiyonların adımları hakkında bilgi

almada kullanılır Morrison ve Freund (1968) azınlık akım reaksiyonlarının ZnO

kristallerinin yuumlzeyinde oluşan akımları iki katına ccedilıkardığını kapasite oumllccediluumlmleriyle

goumlsterdiler

Heiland ve Kunstmann (1969) kutupsal yuumlzeyleri yarma youmlntemiyle ccedilok duumlşuumlk

basınccedil altında hazırladılar ve geniş sıcaklık aralığında (90minus600 K) yuumlzeydeki elektriksel

iletkenliği incelediler Vakum ortamında tavlamanın ve hidrojen ya da oksijen

soğurmasının sonucunda değişiklikler goumlzlediler Optik oumllccediluumlmlerle bulugularını teyit

ettiler

Uematsu ve Hashimoto (1977) ZnO katalizoumlrlerde aşırı elektron

konsantrasyonunu hidrojenleştirme metodunun yanında tek ve uumlccedilluuml katyon katkısıyla

belirlediler Katkılı ve katkısız ZnOlarda aşırı elektron miktarının vakumda 300 degC

uumlstuumlnde arttığını goumlsterdiler

Optik katı hal lazerlerinin gelişmesi yavaş ve kademeli olmuştur İlk katı hal

lazerinden ışık goumlruumllmesi 1960rsquolarda olmuştur Ccedilok geccedilmeden 1966 yakın UV

boumllgesinde ccedilalışan ZnOlsquodan yapılmış ilk yarı iletken lazer goumlsterildi ZnOrsquonun optik

oumlzelliklerinin araştırıldığı bir ccedilalışmada 1995 yılında oda sıcaklığında ccedilalışan bir lazer

uumlretildi Bu tarihten sonra tek boyutlu ZnO nano teller hakkındaki araştırmalar

araştırmaların odak noktası haline geldi

Epitaksiyel AZO ince filmler tek kristal safir (0001) altlık uumlzerine atmalı lazer

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

8

biriktirme (PLD) youmlntemiyle buumlyuumltuumllduuml (Kim Horwitz ve ark 2002)

Czternastek (2004) Al katkılı ve katkısız ZnO filmleri yuumlksek basınccedillı DC

magnetron saccediltırma cam altlıklar uumlzerine buumlyuumlttuuml Plazma salınım goumlzlemini reaksiyon

odasına akan oksijen miktarını istikrarlı hale getirmek iccedilin kullandı Biriktirme sırasında

toplam basınccedil ve katkı seviyesinin elektrik ve optik oumlzelliklere etkisini inceledi Daha

yuumlksek katkı seviyelerinde tercihli youmlnelimin derece derece azaldığı taşıyıcı

konsantrasyonu ufak miktarlarda arttığı fakat Hall hareketliliğinin iyonlaşmış

safsızlıkların ccedilarpışmasından ve youmlnelimli buumlyuumlme noksanlığından dolayı ciddi

miktarda azaldığını goumlrduuml

Choi Kim ve ark (2005) Al ve F katkılı 200 nm kalınlıklı ZnO filmler ZnF ve

Al2O3 hedeflerle eş zamanlı olarak saccediltırma ile buumlyuumlttuumller XRD oumllccediluumlmlerinden F

katkısının ZnO filmlerinin kristalliğini geliştirdiğini buldular Elektriksel iletkenlik ve

optik absorpsiyon katsayısının tavlama ile arttığını goumlsterdiler

Dong Zhu ve ark (2007) p-GaAs altlıklar uumlzerinde ZnO p-n eklemi ile metal

organik kimyasal buhar biriktirme youmlntemiyle LED diyotlar oluşturdular Oda

sıcaklığında elektroluumlminisans (EL) ve fotoluumlminisans (PL) oumllccediluumlmlerini aldılar

ZnO ışık yayan kaynakların muhtemel uygulamalarında GaNrsquoe karşı avantajları

olduğundan dikkat ccedilekmektedir Hwang Oh ve ark (2007) Epitaksiyel ZnO filmlerde

katkı kontroluuml asitle dağlama ve omik kontak oluşturmayı iccedileren cihaz fabrikasyon

işlemlerini ve son olarak ZnO LED karakteristiklerini incelediler

Senede yuumlz binlerce ton ZnO ccedilimentoya ya da plastiğe katkı malzemesi olarak

kullanılmaktadır Optoelektronik alanında ZnO GaNrsquoe alternatif olarak maviUV

optoelektronik iccedilin ucuzluğu şeffaflığı iletken oksit olması ve elektronik devrelerde

malzeme olma potansiyeli ile dikkat ccedilekmektedir Son doumlnemde ana problem yuumlksek

yeniden uumlretilebilir kararlı p tipi katkılamadır Klingshirn malzeme buumlyuumltme ZnOrsquonun

temel oumlzelikleri ve ZnO temelli nano yapılar ve katkılamanın gelecek uygulamaları

uumlzerinde ccedilalışmıştır (Klingshirn 2007)

AZO filmler şeffaf iletken fonksiyonel guumlneş pillerinde kullanım potansiyeli

olan ve uzay mekiklerinde oksijen direnccedilli sistemlerde kullanılabilen bir malzemedir

Wang ve Wang (2007) yuumlksek performanslı AZO ince filmleri reaktif magnetron

saccediltırma ile hazırlayıp farklı dozlarda gama ışınına maruz bıraktılar Radyasyona maruz

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

3

ZnO filmlerin ccedileşitli tekniklerle buumlyuumltuumllmesi ve akustik ve optik cihazlarda

kullanılması gibi uygulamalar ilgi ccedileken araştırma konularından bir tanesidir

Uygulamalar uumlzerinde yapılan araştırmalar daha ccedilok ZnOnun muumlkemmel piezoelektrik

oumlzellikleri ve cam safir ve elmas altlıklar uumlzerinde guumlccedilluuml (0001) tercihli youmlnelimle

buumlyuumlme eğiliminde yoğunlaşmaktadır ZnO ince film buumlyuumltmede eski ccedilalışmalarda

magnetron saccediltırma kimyasal buhar biriktirme yaygındı Fakat bu buumlyuumltmelerde filmler

ccediloklu kristal yapıdaydılar Sonraki ccedilalışmalarda yuumlksek kalitede tek kristal filmler radyo

frekansı magnetron saccediltırma ile hazırlandı ve biriktirme işleminin kontrolluuml olarak

gerccedilekleştiği diğer buumlyuumltme teknikleri kullanıldı Bunlar arasında molekuumller demet

epitaksi atmalı lazer biriktirme organometalik buhar fazı epitaksi sayılabilir

Heteroeklem ZnO tabakaları CaF2 (Ma Du ve ark 2005) Si (Dhananjay

Nagaraju ve ark 2007) GaAs (Nag ve Bhattacharya 2010) ve GaN (Asil Gur ve ark

2009) gibi altlıklar uumlzerine de buumlyuumltuumllduuml

Geniş alan ve yuumlksek kalitede ZnO kristallerinin buumlyuumltuumllmesi sadece temel

araştırmalar iccedilin değil aynı zamanda cihaz uygulamaları iccedilin de oumlnemlidir Geniş alan

ve yuumlksek kalitede ZnO tek kristalleri tek kristal katmanın potansiyel avantajlarından

dolayı UV ve mavi UV ışık yayan cihazlar iccedilin faydalıdır

RF magnetron saccediltırma duumlşuumlk veya yuumlksek sıcaklıklarda ccedilalışılabildiğinden ve

filmlerin makul seviyedeki kalitesinden dolayı tercih edilmektedir

Safir altlıklar benzer kafes oumlrguuml yapıları ve ulaşılabilirliğinden dolayı oldukccedila

popuumllerken diğer altlıklar da değişik cihaz uygulamalarında kullanılmaktadır

MBEnin temel avantajı buumlyuumltme parametrelerinin tam kontroluuml ve buumlyuumltme

ortamında filmi inceleme yeterliliğidir Yuumlksek enerjili elektron kırınım yansıması

(RHEED) geri beslemesiyle ZnO epi katmanları gerccedilek zamanlı olarak izlenebilir

PLD metodunda yuumlksek guumlccedilluuml lazer atmaları malzemeyi hedeften ayırırken alt

tuumlrlerin yuumlzeyde etkileşmesi sonucu biriken malzemenin stokiyometrisinin korunması

iccedilin buharlaştırmakta kullanılır

Diğer buumlyuumltme youmlntemleri arasında kimyasal buhar biriktirme (CVD)

teknolojisi bilhassa ilgi ccedilekmektedir Ccediluumlnkuuml yuumlksek kalitede filmler buumlyuumltmenin yanı

sıra geniş oumllccedilekte uumlretime uygundur Bu teknik değişik GaN tabanlı optoelektronik

1GİRİŞ

4

cihazların uumlretiminde kullanılan epitaksiyel filmlerin uumlretiminde yaygın olarak

kullanılmaktadır ve bu eğilim ZnOnun gelecek uygulamalarında beklenmektedir Bu

teknikle buumlyuumltuumllen ZnO filmler yuumlksek kristallik elektrik ve ışıma oumlzelliği

goumlstermektedirler

ZnOnun kırıcılık indisi gibi optik oumlzellikleri ve işlemleri yıllar oumlnce

araştırılmaya başlandı ZnOya ilginin tekrar uyanmasının nedenleri direkt geniş bant

aralığı (300 Kde Eg=33 eV) yuumlksek eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) ve etkin

ışımalı yeniden birleşmedir Eksiton bağlanma enerjisi goumlreceli olarak geniştir (ZnO

iccedilin 60 meV GaN iccedilin 25 meV) Geniş eksiton bağlanma enerjisi oda sıcaklığında hatta

daha yuumlksek sıcaklıklarda yoğun yakın bant kenarı eksitonik emisyon yolunu

accedilmaktadır Ccediluumlnkuuml bu değer oda sıcaklığı termal enerji değerinin (kBT=25 meV) 24

katıdır (Vanmaekelbergh ve van Vugt 2011)

ZnOda optik geccedilişler optik absorbsiyon iletim yansıma spektroskopik

elipsometri fotoluumlminisans kalorimetrik elipsometri vb gibi youmlntemlerle belirlenir

İletim oumllccediluumlmlerinden Muth ve ark (1999) epitaksiyel PLD ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO

filmlerin absorbsiyon katsayısını bant aralığını ve eksiton bağlanma enerjilerini

hesapladılar

Yarıiletken ZnO kristalinin eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) teknolojide

geniş kullanım alanına sahip diğer yarıiletken malzemelerden (20 meV ZnSe ve 25 meV

olan GaN) ccedilok daha buumlyuumlktuumlr Bunun yanı sıra ZnO ZnSe ve GaNrsquoa goumlre ccedilok daha

duumlşuumlk sıcaklıklarda hazırlanabilmektedir Bu yuumlzden de optoelektronik uygulamalar iccedilin

son derece oumlnem taşımaktadır Tmasymp2268 K yuumlksek erime sıcaklığına sahip ve

bozulmaksızın yuumlksek akım taşıma kapasitesi olan sağlam bir malzeme olup dielektrik

sabiti =85rsquotir (Carlsson 2002)

Tek boyutlu yarı iletken nano teller ve nano ccedilubuklar elektronik kuantum taşıma

ve yuumlklerin arttırılmış ışınımsal yeniden birleşmeleri gibi kuantum sınırlamasından

gelen fiziksel oumlzellikleri nedeniyle ilgi ccedilekmektedirler Nano teller kısa dalga nano

lazerler alan etkili transistorlar ccedilok hassas nano boyutlu gaz sensorları nano

rezonatoumlrler transduumlserler nano destek kolları ve alan emisyonları gibi uygulamalar

iccedilin temel taşıdırlar (Wang 2004 Pan ve ark 2001 Heo ve ark 2004)

Şu accedilıktır ki ccedilok ccedileşitli nano yapılar ZnO kullanılarak goumlreceli basit sentez

AHMET TOMBAK

5

metotlarıyla uumlretilebilir Bu nano yapılar kesinlikle nano boyutlarda temel fizik

ccedilalışmaları iccedilin kullanılabilir

IIIndashV ve IIndashVI grup duumlşuumlk etkili manyetik yarı iletkenler spine bağımlı manyetik

olay bu duumlşuumlk boyutlu manyetik ince filmlerin spin temelli belli yeteneklerinin

potansiyel olarak değiştirilebilmesinden dolayı oldukccedila ilgi ccedilekmektedir (Liu ve ark

2005)

ldquoAlZnO ince filmlerin optik ve elektriksel oumlzelliklerine gama ışınlarının

etkilerirdquo başlıklı ccedilalışmamda yuumlksek enerjili gama ışınlarının ZnO kristal yapısına

dolayısıyla elektrik ve optik oumlzelliklerine katkısını inceledim Bu konuda yapılan

ccedilalışmaların azlığı dolayısıyla literatuumlre katkıda bulunmayı amaccedilladım

1GİRİŞ

6

AHMET TOMBAK

7

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

Thomas ve Lander (1957) ZnO tek kristallerinin iletkenliklerinin ccedilinko buharı ve

hidrojene maruz kaldığında buumlyuumlk miktarda arttığını goumlsterdiler Fazla miktarda oksijen

ise oda sıcaklığında iletkenliği azaltmaktadır Yuumlzey iletkenliği beklendiği gibi kristal

ccedilapıyla değişmektedir

Medved (1961) ZnO fotoiletkenliğinin tuumlkenim kinetiklerini ışığın şiddeti ve

oksijenin basıncının bir fonksiyonu olarak alan bir model kullanarak inceledi Bu model

genelleştirilmiş Elovich denklemini ccedilıkartmada kullanılır

Azınlık yuumlk taşıyıcı akımlarının oumllccediluumlmleri ve bir yarıiletken elektrottaki uzay

yuumlkuuml kapasitesi elektrot yuumlzeyindeki kimyasal reaksiyonların adımları hakkında bilgi

almada kullanılır Morrison ve Freund (1968) azınlık akım reaksiyonlarının ZnO

kristallerinin yuumlzeyinde oluşan akımları iki katına ccedilıkardığını kapasite oumllccediluumlmleriyle

goumlsterdiler

Heiland ve Kunstmann (1969) kutupsal yuumlzeyleri yarma youmlntemiyle ccedilok duumlşuumlk

basınccedil altında hazırladılar ve geniş sıcaklık aralığında (90minus600 K) yuumlzeydeki elektriksel

iletkenliği incelediler Vakum ortamında tavlamanın ve hidrojen ya da oksijen

soğurmasının sonucunda değişiklikler goumlzlediler Optik oumllccediluumlmlerle bulugularını teyit

ettiler

Uematsu ve Hashimoto (1977) ZnO katalizoumlrlerde aşırı elektron

konsantrasyonunu hidrojenleştirme metodunun yanında tek ve uumlccedilluuml katyon katkısıyla

belirlediler Katkılı ve katkısız ZnOlarda aşırı elektron miktarının vakumda 300 degC

uumlstuumlnde arttığını goumlsterdiler

Optik katı hal lazerlerinin gelişmesi yavaş ve kademeli olmuştur İlk katı hal

lazerinden ışık goumlruumllmesi 1960rsquolarda olmuştur Ccedilok geccedilmeden 1966 yakın UV

boumllgesinde ccedilalışan ZnOlsquodan yapılmış ilk yarı iletken lazer goumlsterildi ZnOrsquonun optik

oumlzelliklerinin araştırıldığı bir ccedilalışmada 1995 yılında oda sıcaklığında ccedilalışan bir lazer

uumlretildi Bu tarihten sonra tek boyutlu ZnO nano teller hakkındaki araştırmalar

araştırmaların odak noktası haline geldi

Epitaksiyel AZO ince filmler tek kristal safir (0001) altlık uumlzerine atmalı lazer

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

8

biriktirme (PLD) youmlntemiyle buumlyuumltuumllduuml (Kim Horwitz ve ark 2002)

Czternastek (2004) Al katkılı ve katkısız ZnO filmleri yuumlksek basınccedillı DC

magnetron saccediltırma cam altlıklar uumlzerine buumlyuumlttuuml Plazma salınım goumlzlemini reaksiyon

odasına akan oksijen miktarını istikrarlı hale getirmek iccedilin kullandı Biriktirme sırasında

toplam basınccedil ve katkı seviyesinin elektrik ve optik oumlzelliklere etkisini inceledi Daha

yuumlksek katkı seviyelerinde tercihli youmlnelimin derece derece azaldığı taşıyıcı

konsantrasyonu ufak miktarlarda arttığı fakat Hall hareketliliğinin iyonlaşmış

safsızlıkların ccedilarpışmasından ve youmlnelimli buumlyuumlme noksanlığından dolayı ciddi

miktarda azaldığını goumlrduuml

Choi Kim ve ark (2005) Al ve F katkılı 200 nm kalınlıklı ZnO filmler ZnF ve

Al2O3 hedeflerle eş zamanlı olarak saccediltırma ile buumlyuumlttuumller XRD oumllccediluumlmlerinden F

katkısının ZnO filmlerinin kristalliğini geliştirdiğini buldular Elektriksel iletkenlik ve

optik absorpsiyon katsayısının tavlama ile arttığını goumlsterdiler

Dong Zhu ve ark (2007) p-GaAs altlıklar uumlzerinde ZnO p-n eklemi ile metal

organik kimyasal buhar biriktirme youmlntemiyle LED diyotlar oluşturdular Oda

sıcaklığında elektroluumlminisans (EL) ve fotoluumlminisans (PL) oumllccediluumlmlerini aldılar

ZnO ışık yayan kaynakların muhtemel uygulamalarında GaNrsquoe karşı avantajları

olduğundan dikkat ccedilekmektedir Hwang Oh ve ark (2007) Epitaksiyel ZnO filmlerde

katkı kontroluuml asitle dağlama ve omik kontak oluşturmayı iccedileren cihaz fabrikasyon

işlemlerini ve son olarak ZnO LED karakteristiklerini incelediler

Senede yuumlz binlerce ton ZnO ccedilimentoya ya da plastiğe katkı malzemesi olarak

kullanılmaktadır Optoelektronik alanında ZnO GaNrsquoe alternatif olarak maviUV

optoelektronik iccedilin ucuzluğu şeffaflığı iletken oksit olması ve elektronik devrelerde

malzeme olma potansiyeli ile dikkat ccedilekmektedir Son doumlnemde ana problem yuumlksek

yeniden uumlretilebilir kararlı p tipi katkılamadır Klingshirn malzeme buumlyuumltme ZnOrsquonun

temel oumlzelikleri ve ZnO temelli nano yapılar ve katkılamanın gelecek uygulamaları

uumlzerinde ccedilalışmıştır (Klingshirn 2007)

AZO filmler şeffaf iletken fonksiyonel guumlneş pillerinde kullanım potansiyeli

olan ve uzay mekiklerinde oksijen direnccedilli sistemlerde kullanılabilen bir malzemedir

Wang ve Wang (2007) yuumlksek performanslı AZO ince filmleri reaktif magnetron

saccediltırma ile hazırlayıp farklı dozlarda gama ışınına maruz bıraktılar Radyasyona maruz

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

1GİRİŞ

4

cihazların uumlretiminde kullanılan epitaksiyel filmlerin uumlretiminde yaygın olarak

kullanılmaktadır ve bu eğilim ZnOnun gelecek uygulamalarında beklenmektedir Bu

teknikle buumlyuumltuumllen ZnO filmler yuumlksek kristallik elektrik ve ışıma oumlzelliği

goumlstermektedirler

ZnOnun kırıcılık indisi gibi optik oumlzellikleri ve işlemleri yıllar oumlnce

araştırılmaya başlandı ZnOya ilginin tekrar uyanmasının nedenleri direkt geniş bant

aralığı (300 Kde Eg=33 eV) yuumlksek eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) ve etkin

ışımalı yeniden birleşmedir Eksiton bağlanma enerjisi goumlreceli olarak geniştir (ZnO

iccedilin 60 meV GaN iccedilin 25 meV) Geniş eksiton bağlanma enerjisi oda sıcaklığında hatta

daha yuumlksek sıcaklıklarda yoğun yakın bant kenarı eksitonik emisyon yolunu

accedilmaktadır Ccediluumlnkuuml bu değer oda sıcaklığı termal enerji değerinin (kBT=25 meV) 24

katıdır (Vanmaekelbergh ve van Vugt 2011)

ZnOda optik geccedilişler optik absorbsiyon iletim yansıma spektroskopik

elipsometri fotoluumlminisans kalorimetrik elipsometri vb gibi youmlntemlerle belirlenir

İletim oumllccediluumlmlerinden Muth ve ark (1999) epitaksiyel PLD ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO

filmlerin absorbsiyon katsayısını bant aralığını ve eksiton bağlanma enerjilerini

hesapladılar

Yarıiletken ZnO kristalinin eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) teknolojide

geniş kullanım alanına sahip diğer yarıiletken malzemelerden (20 meV ZnSe ve 25 meV

olan GaN) ccedilok daha buumlyuumlktuumlr Bunun yanı sıra ZnO ZnSe ve GaNrsquoa goumlre ccedilok daha

duumlşuumlk sıcaklıklarda hazırlanabilmektedir Bu yuumlzden de optoelektronik uygulamalar iccedilin

son derece oumlnem taşımaktadır Tmasymp2268 K yuumlksek erime sıcaklığına sahip ve

bozulmaksızın yuumlksek akım taşıma kapasitesi olan sağlam bir malzeme olup dielektrik

sabiti =85rsquotir (Carlsson 2002)

Tek boyutlu yarı iletken nano teller ve nano ccedilubuklar elektronik kuantum taşıma

ve yuumlklerin arttırılmış ışınımsal yeniden birleşmeleri gibi kuantum sınırlamasından

gelen fiziksel oumlzellikleri nedeniyle ilgi ccedilekmektedirler Nano teller kısa dalga nano

lazerler alan etkili transistorlar ccedilok hassas nano boyutlu gaz sensorları nano

rezonatoumlrler transduumlserler nano destek kolları ve alan emisyonları gibi uygulamalar

iccedilin temel taşıdırlar (Wang 2004 Pan ve ark 2001 Heo ve ark 2004)

Şu accedilıktır ki ccedilok ccedileşitli nano yapılar ZnO kullanılarak goumlreceli basit sentez

AHMET TOMBAK

5

metotlarıyla uumlretilebilir Bu nano yapılar kesinlikle nano boyutlarda temel fizik

ccedilalışmaları iccedilin kullanılabilir

IIIndashV ve IIndashVI grup duumlşuumlk etkili manyetik yarı iletkenler spine bağımlı manyetik

olay bu duumlşuumlk boyutlu manyetik ince filmlerin spin temelli belli yeteneklerinin

potansiyel olarak değiştirilebilmesinden dolayı oldukccedila ilgi ccedilekmektedir (Liu ve ark

2005)

ldquoAlZnO ince filmlerin optik ve elektriksel oumlzelliklerine gama ışınlarının

etkilerirdquo başlıklı ccedilalışmamda yuumlksek enerjili gama ışınlarının ZnO kristal yapısına

dolayısıyla elektrik ve optik oumlzelliklerine katkısını inceledim Bu konuda yapılan

ccedilalışmaların azlığı dolayısıyla literatuumlre katkıda bulunmayı amaccedilladım

1GİRİŞ

6

AHMET TOMBAK

7

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

Thomas ve Lander (1957) ZnO tek kristallerinin iletkenliklerinin ccedilinko buharı ve

hidrojene maruz kaldığında buumlyuumlk miktarda arttığını goumlsterdiler Fazla miktarda oksijen

ise oda sıcaklığında iletkenliği azaltmaktadır Yuumlzey iletkenliği beklendiği gibi kristal

ccedilapıyla değişmektedir

Medved (1961) ZnO fotoiletkenliğinin tuumlkenim kinetiklerini ışığın şiddeti ve

oksijenin basıncının bir fonksiyonu olarak alan bir model kullanarak inceledi Bu model

genelleştirilmiş Elovich denklemini ccedilıkartmada kullanılır

Azınlık yuumlk taşıyıcı akımlarının oumllccediluumlmleri ve bir yarıiletken elektrottaki uzay

yuumlkuuml kapasitesi elektrot yuumlzeyindeki kimyasal reaksiyonların adımları hakkında bilgi

almada kullanılır Morrison ve Freund (1968) azınlık akım reaksiyonlarının ZnO

kristallerinin yuumlzeyinde oluşan akımları iki katına ccedilıkardığını kapasite oumllccediluumlmleriyle

goumlsterdiler

Heiland ve Kunstmann (1969) kutupsal yuumlzeyleri yarma youmlntemiyle ccedilok duumlşuumlk

basınccedil altında hazırladılar ve geniş sıcaklık aralığında (90minus600 K) yuumlzeydeki elektriksel

iletkenliği incelediler Vakum ortamında tavlamanın ve hidrojen ya da oksijen

soğurmasının sonucunda değişiklikler goumlzlediler Optik oumllccediluumlmlerle bulugularını teyit

ettiler

Uematsu ve Hashimoto (1977) ZnO katalizoumlrlerde aşırı elektron

konsantrasyonunu hidrojenleştirme metodunun yanında tek ve uumlccedilluuml katyon katkısıyla

belirlediler Katkılı ve katkısız ZnOlarda aşırı elektron miktarının vakumda 300 degC

uumlstuumlnde arttığını goumlsterdiler

Optik katı hal lazerlerinin gelişmesi yavaş ve kademeli olmuştur İlk katı hal

lazerinden ışık goumlruumllmesi 1960rsquolarda olmuştur Ccedilok geccedilmeden 1966 yakın UV

boumllgesinde ccedilalışan ZnOlsquodan yapılmış ilk yarı iletken lazer goumlsterildi ZnOrsquonun optik

oumlzelliklerinin araştırıldığı bir ccedilalışmada 1995 yılında oda sıcaklığında ccedilalışan bir lazer

uumlretildi Bu tarihten sonra tek boyutlu ZnO nano teller hakkındaki araştırmalar

araştırmaların odak noktası haline geldi

Epitaksiyel AZO ince filmler tek kristal safir (0001) altlık uumlzerine atmalı lazer

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

8

biriktirme (PLD) youmlntemiyle buumlyuumltuumllduuml (Kim Horwitz ve ark 2002)

Czternastek (2004) Al katkılı ve katkısız ZnO filmleri yuumlksek basınccedillı DC

magnetron saccediltırma cam altlıklar uumlzerine buumlyuumlttuuml Plazma salınım goumlzlemini reaksiyon

odasına akan oksijen miktarını istikrarlı hale getirmek iccedilin kullandı Biriktirme sırasında

toplam basınccedil ve katkı seviyesinin elektrik ve optik oumlzelliklere etkisini inceledi Daha

yuumlksek katkı seviyelerinde tercihli youmlnelimin derece derece azaldığı taşıyıcı

konsantrasyonu ufak miktarlarda arttığı fakat Hall hareketliliğinin iyonlaşmış

safsızlıkların ccedilarpışmasından ve youmlnelimli buumlyuumlme noksanlığından dolayı ciddi

miktarda azaldığını goumlrduuml

Choi Kim ve ark (2005) Al ve F katkılı 200 nm kalınlıklı ZnO filmler ZnF ve

Al2O3 hedeflerle eş zamanlı olarak saccediltırma ile buumlyuumlttuumller XRD oumllccediluumlmlerinden F

katkısının ZnO filmlerinin kristalliğini geliştirdiğini buldular Elektriksel iletkenlik ve

optik absorpsiyon katsayısının tavlama ile arttığını goumlsterdiler

Dong Zhu ve ark (2007) p-GaAs altlıklar uumlzerinde ZnO p-n eklemi ile metal

organik kimyasal buhar biriktirme youmlntemiyle LED diyotlar oluşturdular Oda

sıcaklığında elektroluumlminisans (EL) ve fotoluumlminisans (PL) oumllccediluumlmlerini aldılar

ZnO ışık yayan kaynakların muhtemel uygulamalarında GaNrsquoe karşı avantajları

olduğundan dikkat ccedilekmektedir Hwang Oh ve ark (2007) Epitaksiyel ZnO filmlerde

katkı kontroluuml asitle dağlama ve omik kontak oluşturmayı iccedileren cihaz fabrikasyon

işlemlerini ve son olarak ZnO LED karakteristiklerini incelediler

Senede yuumlz binlerce ton ZnO ccedilimentoya ya da plastiğe katkı malzemesi olarak

kullanılmaktadır Optoelektronik alanında ZnO GaNrsquoe alternatif olarak maviUV

optoelektronik iccedilin ucuzluğu şeffaflığı iletken oksit olması ve elektronik devrelerde

malzeme olma potansiyeli ile dikkat ccedilekmektedir Son doumlnemde ana problem yuumlksek

yeniden uumlretilebilir kararlı p tipi katkılamadır Klingshirn malzeme buumlyuumltme ZnOrsquonun

temel oumlzelikleri ve ZnO temelli nano yapılar ve katkılamanın gelecek uygulamaları

uumlzerinde ccedilalışmıştır (Klingshirn 2007)

AZO filmler şeffaf iletken fonksiyonel guumlneş pillerinde kullanım potansiyeli

olan ve uzay mekiklerinde oksijen direnccedilli sistemlerde kullanılabilen bir malzemedir

Wang ve Wang (2007) yuumlksek performanslı AZO ince filmleri reaktif magnetron

saccediltırma ile hazırlayıp farklı dozlarda gama ışınına maruz bıraktılar Radyasyona maruz

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

5

metotlarıyla uumlretilebilir Bu nano yapılar kesinlikle nano boyutlarda temel fizik

ccedilalışmaları iccedilin kullanılabilir

IIIndashV ve IIndashVI grup duumlşuumlk etkili manyetik yarı iletkenler spine bağımlı manyetik

olay bu duumlşuumlk boyutlu manyetik ince filmlerin spin temelli belli yeteneklerinin

potansiyel olarak değiştirilebilmesinden dolayı oldukccedila ilgi ccedilekmektedir (Liu ve ark

2005)

ldquoAlZnO ince filmlerin optik ve elektriksel oumlzelliklerine gama ışınlarının

etkilerirdquo başlıklı ccedilalışmamda yuumlksek enerjili gama ışınlarının ZnO kristal yapısına

dolayısıyla elektrik ve optik oumlzelliklerine katkısını inceledim Bu konuda yapılan

ccedilalışmaların azlığı dolayısıyla literatuumlre katkıda bulunmayı amaccedilladım

1GİRİŞ

6

AHMET TOMBAK

7

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

Thomas ve Lander (1957) ZnO tek kristallerinin iletkenliklerinin ccedilinko buharı ve

hidrojene maruz kaldığında buumlyuumlk miktarda arttığını goumlsterdiler Fazla miktarda oksijen

ise oda sıcaklığında iletkenliği azaltmaktadır Yuumlzey iletkenliği beklendiği gibi kristal

ccedilapıyla değişmektedir

Medved (1961) ZnO fotoiletkenliğinin tuumlkenim kinetiklerini ışığın şiddeti ve

oksijenin basıncının bir fonksiyonu olarak alan bir model kullanarak inceledi Bu model

genelleştirilmiş Elovich denklemini ccedilıkartmada kullanılır

Azınlık yuumlk taşıyıcı akımlarının oumllccediluumlmleri ve bir yarıiletken elektrottaki uzay

yuumlkuuml kapasitesi elektrot yuumlzeyindeki kimyasal reaksiyonların adımları hakkında bilgi

almada kullanılır Morrison ve Freund (1968) azınlık akım reaksiyonlarının ZnO

kristallerinin yuumlzeyinde oluşan akımları iki katına ccedilıkardığını kapasite oumllccediluumlmleriyle

goumlsterdiler

Heiland ve Kunstmann (1969) kutupsal yuumlzeyleri yarma youmlntemiyle ccedilok duumlşuumlk

basınccedil altında hazırladılar ve geniş sıcaklık aralığında (90minus600 K) yuumlzeydeki elektriksel

iletkenliği incelediler Vakum ortamında tavlamanın ve hidrojen ya da oksijen

soğurmasının sonucunda değişiklikler goumlzlediler Optik oumllccediluumlmlerle bulugularını teyit

ettiler

Uematsu ve Hashimoto (1977) ZnO katalizoumlrlerde aşırı elektron

konsantrasyonunu hidrojenleştirme metodunun yanında tek ve uumlccedilluuml katyon katkısıyla

belirlediler Katkılı ve katkısız ZnOlarda aşırı elektron miktarının vakumda 300 degC

uumlstuumlnde arttığını goumlsterdiler

Optik katı hal lazerlerinin gelişmesi yavaş ve kademeli olmuştur İlk katı hal

lazerinden ışık goumlruumllmesi 1960rsquolarda olmuştur Ccedilok geccedilmeden 1966 yakın UV

boumllgesinde ccedilalışan ZnOlsquodan yapılmış ilk yarı iletken lazer goumlsterildi ZnOrsquonun optik

oumlzelliklerinin araştırıldığı bir ccedilalışmada 1995 yılında oda sıcaklığında ccedilalışan bir lazer

uumlretildi Bu tarihten sonra tek boyutlu ZnO nano teller hakkındaki araştırmalar

araştırmaların odak noktası haline geldi

Epitaksiyel AZO ince filmler tek kristal safir (0001) altlık uumlzerine atmalı lazer

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

8

biriktirme (PLD) youmlntemiyle buumlyuumltuumllduuml (Kim Horwitz ve ark 2002)

Czternastek (2004) Al katkılı ve katkısız ZnO filmleri yuumlksek basınccedillı DC

magnetron saccediltırma cam altlıklar uumlzerine buumlyuumlttuuml Plazma salınım goumlzlemini reaksiyon

odasına akan oksijen miktarını istikrarlı hale getirmek iccedilin kullandı Biriktirme sırasında

toplam basınccedil ve katkı seviyesinin elektrik ve optik oumlzelliklere etkisini inceledi Daha

yuumlksek katkı seviyelerinde tercihli youmlnelimin derece derece azaldığı taşıyıcı

konsantrasyonu ufak miktarlarda arttığı fakat Hall hareketliliğinin iyonlaşmış

safsızlıkların ccedilarpışmasından ve youmlnelimli buumlyuumlme noksanlığından dolayı ciddi

miktarda azaldığını goumlrduuml

Choi Kim ve ark (2005) Al ve F katkılı 200 nm kalınlıklı ZnO filmler ZnF ve

Al2O3 hedeflerle eş zamanlı olarak saccediltırma ile buumlyuumlttuumller XRD oumllccediluumlmlerinden F

katkısının ZnO filmlerinin kristalliğini geliştirdiğini buldular Elektriksel iletkenlik ve

optik absorpsiyon katsayısının tavlama ile arttığını goumlsterdiler

Dong Zhu ve ark (2007) p-GaAs altlıklar uumlzerinde ZnO p-n eklemi ile metal

organik kimyasal buhar biriktirme youmlntemiyle LED diyotlar oluşturdular Oda

sıcaklığında elektroluumlminisans (EL) ve fotoluumlminisans (PL) oumllccediluumlmlerini aldılar

ZnO ışık yayan kaynakların muhtemel uygulamalarında GaNrsquoe karşı avantajları

olduğundan dikkat ccedilekmektedir Hwang Oh ve ark (2007) Epitaksiyel ZnO filmlerde

katkı kontroluuml asitle dağlama ve omik kontak oluşturmayı iccedileren cihaz fabrikasyon

işlemlerini ve son olarak ZnO LED karakteristiklerini incelediler

Senede yuumlz binlerce ton ZnO ccedilimentoya ya da plastiğe katkı malzemesi olarak

kullanılmaktadır Optoelektronik alanında ZnO GaNrsquoe alternatif olarak maviUV

optoelektronik iccedilin ucuzluğu şeffaflığı iletken oksit olması ve elektronik devrelerde

malzeme olma potansiyeli ile dikkat ccedilekmektedir Son doumlnemde ana problem yuumlksek

yeniden uumlretilebilir kararlı p tipi katkılamadır Klingshirn malzeme buumlyuumltme ZnOrsquonun

temel oumlzelikleri ve ZnO temelli nano yapılar ve katkılamanın gelecek uygulamaları

uumlzerinde ccedilalışmıştır (Klingshirn 2007)

AZO filmler şeffaf iletken fonksiyonel guumlneş pillerinde kullanım potansiyeli

olan ve uzay mekiklerinde oksijen direnccedilli sistemlerde kullanılabilen bir malzemedir

Wang ve Wang (2007) yuumlksek performanslı AZO ince filmleri reaktif magnetron

saccediltırma ile hazırlayıp farklı dozlarda gama ışınına maruz bıraktılar Radyasyona maruz

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

1GİRİŞ

6

AHMET TOMBAK

7

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

Thomas ve Lander (1957) ZnO tek kristallerinin iletkenliklerinin ccedilinko buharı ve

hidrojene maruz kaldığında buumlyuumlk miktarda arttığını goumlsterdiler Fazla miktarda oksijen

ise oda sıcaklığında iletkenliği azaltmaktadır Yuumlzey iletkenliği beklendiği gibi kristal

ccedilapıyla değişmektedir

Medved (1961) ZnO fotoiletkenliğinin tuumlkenim kinetiklerini ışığın şiddeti ve

oksijenin basıncının bir fonksiyonu olarak alan bir model kullanarak inceledi Bu model

genelleştirilmiş Elovich denklemini ccedilıkartmada kullanılır

Azınlık yuumlk taşıyıcı akımlarının oumllccediluumlmleri ve bir yarıiletken elektrottaki uzay

yuumlkuuml kapasitesi elektrot yuumlzeyindeki kimyasal reaksiyonların adımları hakkında bilgi

almada kullanılır Morrison ve Freund (1968) azınlık akım reaksiyonlarının ZnO

kristallerinin yuumlzeyinde oluşan akımları iki katına ccedilıkardığını kapasite oumllccediluumlmleriyle

goumlsterdiler

Heiland ve Kunstmann (1969) kutupsal yuumlzeyleri yarma youmlntemiyle ccedilok duumlşuumlk

basınccedil altında hazırladılar ve geniş sıcaklık aralığında (90minus600 K) yuumlzeydeki elektriksel

iletkenliği incelediler Vakum ortamında tavlamanın ve hidrojen ya da oksijen

soğurmasının sonucunda değişiklikler goumlzlediler Optik oumllccediluumlmlerle bulugularını teyit

ettiler

Uematsu ve Hashimoto (1977) ZnO katalizoumlrlerde aşırı elektron

konsantrasyonunu hidrojenleştirme metodunun yanında tek ve uumlccedilluuml katyon katkısıyla

belirlediler Katkılı ve katkısız ZnOlarda aşırı elektron miktarının vakumda 300 degC

uumlstuumlnde arttığını goumlsterdiler

Optik katı hal lazerlerinin gelişmesi yavaş ve kademeli olmuştur İlk katı hal

lazerinden ışık goumlruumllmesi 1960rsquolarda olmuştur Ccedilok geccedilmeden 1966 yakın UV

boumllgesinde ccedilalışan ZnOlsquodan yapılmış ilk yarı iletken lazer goumlsterildi ZnOrsquonun optik

oumlzelliklerinin araştırıldığı bir ccedilalışmada 1995 yılında oda sıcaklığında ccedilalışan bir lazer

uumlretildi Bu tarihten sonra tek boyutlu ZnO nano teller hakkındaki araştırmalar

araştırmaların odak noktası haline geldi

Epitaksiyel AZO ince filmler tek kristal safir (0001) altlık uumlzerine atmalı lazer

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

8

biriktirme (PLD) youmlntemiyle buumlyuumltuumllduuml (Kim Horwitz ve ark 2002)

Czternastek (2004) Al katkılı ve katkısız ZnO filmleri yuumlksek basınccedillı DC

magnetron saccediltırma cam altlıklar uumlzerine buumlyuumlttuuml Plazma salınım goumlzlemini reaksiyon

odasına akan oksijen miktarını istikrarlı hale getirmek iccedilin kullandı Biriktirme sırasında

toplam basınccedil ve katkı seviyesinin elektrik ve optik oumlzelliklere etkisini inceledi Daha

yuumlksek katkı seviyelerinde tercihli youmlnelimin derece derece azaldığı taşıyıcı

konsantrasyonu ufak miktarlarda arttığı fakat Hall hareketliliğinin iyonlaşmış

safsızlıkların ccedilarpışmasından ve youmlnelimli buumlyuumlme noksanlığından dolayı ciddi

miktarda azaldığını goumlrduuml

Choi Kim ve ark (2005) Al ve F katkılı 200 nm kalınlıklı ZnO filmler ZnF ve

Al2O3 hedeflerle eş zamanlı olarak saccediltırma ile buumlyuumlttuumller XRD oumllccediluumlmlerinden F

katkısının ZnO filmlerinin kristalliğini geliştirdiğini buldular Elektriksel iletkenlik ve

optik absorpsiyon katsayısının tavlama ile arttığını goumlsterdiler

Dong Zhu ve ark (2007) p-GaAs altlıklar uumlzerinde ZnO p-n eklemi ile metal

organik kimyasal buhar biriktirme youmlntemiyle LED diyotlar oluşturdular Oda

sıcaklığında elektroluumlminisans (EL) ve fotoluumlminisans (PL) oumllccediluumlmlerini aldılar

ZnO ışık yayan kaynakların muhtemel uygulamalarında GaNrsquoe karşı avantajları

olduğundan dikkat ccedilekmektedir Hwang Oh ve ark (2007) Epitaksiyel ZnO filmlerde

katkı kontroluuml asitle dağlama ve omik kontak oluşturmayı iccedileren cihaz fabrikasyon

işlemlerini ve son olarak ZnO LED karakteristiklerini incelediler

Senede yuumlz binlerce ton ZnO ccedilimentoya ya da plastiğe katkı malzemesi olarak

kullanılmaktadır Optoelektronik alanında ZnO GaNrsquoe alternatif olarak maviUV

optoelektronik iccedilin ucuzluğu şeffaflığı iletken oksit olması ve elektronik devrelerde

malzeme olma potansiyeli ile dikkat ccedilekmektedir Son doumlnemde ana problem yuumlksek

yeniden uumlretilebilir kararlı p tipi katkılamadır Klingshirn malzeme buumlyuumltme ZnOrsquonun

temel oumlzelikleri ve ZnO temelli nano yapılar ve katkılamanın gelecek uygulamaları

uumlzerinde ccedilalışmıştır (Klingshirn 2007)

AZO filmler şeffaf iletken fonksiyonel guumlneş pillerinde kullanım potansiyeli

olan ve uzay mekiklerinde oksijen direnccedilli sistemlerde kullanılabilen bir malzemedir

Wang ve Wang (2007) yuumlksek performanslı AZO ince filmleri reaktif magnetron

saccediltırma ile hazırlayıp farklı dozlarda gama ışınına maruz bıraktılar Radyasyona maruz

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

7

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

Thomas ve Lander (1957) ZnO tek kristallerinin iletkenliklerinin ccedilinko buharı ve

hidrojene maruz kaldığında buumlyuumlk miktarda arttığını goumlsterdiler Fazla miktarda oksijen

ise oda sıcaklığında iletkenliği azaltmaktadır Yuumlzey iletkenliği beklendiği gibi kristal

ccedilapıyla değişmektedir

Medved (1961) ZnO fotoiletkenliğinin tuumlkenim kinetiklerini ışığın şiddeti ve

oksijenin basıncının bir fonksiyonu olarak alan bir model kullanarak inceledi Bu model

genelleştirilmiş Elovich denklemini ccedilıkartmada kullanılır

Azınlık yuumlk taşıyıcı akımlarının oumllccediluumlmleri ve bir yarıiletken elektrottaki uzay

yuumlkuuml kapasitesi elektrot yuumlzeyindeki kimyasal reaksiyonların adımları hakkında bilgi

almada kullanılır Morrison ve Freund (1968) azınlık akım reaksiyonlarının ZnO

kristallerinin yuumlzeyinde oluşan akımları iki katına ccedilıkardığını kapasite oumllccediluumlmleriyle

goumlsterdiler

Heiland ve Kunstmann (1969) kutupsal yuumlzeyleri yarma youmlntemiyle ccedilok duumlşuumlk

basınccedil altında hazırladılar ve geniş sıcaklık aralığında (90minus600 K) yuumlzeydeki elektriksel

iletkenliği incelediler Vakum ortamında tavlamanın ve hidrojen ya da oksijen

soğurmasının sonucunda değişiklikler goumlzlediler Optik oumllccediluumlmlerle bulugularını teyit

ettiler

Uematsu ve Hashimoto (1977) ZnO katalizoumlrlerde aşırı elektron

konsantrasyonunu hidrojenleştirme metodunun yanında tek ve uumlccedilluuml katyon katkısıyla

belirlediler Katkılı ve katkısız ZnOlarda aşırı elektron miktarının vakumda 300 degC

uumlstuumlnde arttığını goumlsterdiler

Optik katı hal lazerlerinin gelişmesi yavaş ve kademeli olmuştur İlk katı hal

lazerinden ışık goumlruumllmesi 1960rsquolarda olmuştur Ccedilok geccedilmeden 1966 yakın UV

boumllgesinde ccedilalışan ZnOlsquodan yapılmış ilk yarı iletken lazer goumlsterildi ZnOrsquonun optik

oumlzelliklerinin araştırıldığı bir ccedilalışmada 1995 yılında oda sıcaklığında ccedilalışan bir lazer

uumlretildi Bu tarihten sonra tek boyutlu ZnO nano teller hakkındaki araştırmalar

araştırmaların odak noktası haline geldi

Epitaksiyel AZO ince filmler tek kristal safir (0001) altlık uumlzerine atmalı lazer

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

8

biriktirme (PLD) youmlntemiyle buumlyuumltuumllduuml (Kim Horwitz ve ark 2002)

Czternastek (2004) Al katkılı ve katkısız ZnO filmleri yuumlksek basınccedillı DC

magnetron saccediltırma cam altlıklar uumlzerine buumlyuumlttuuml Plazma salınım goumlzlemini reaksiyon

odasına akan oksijen miktarını istikrarlı hale getirmek iccedilin kullandı Biriktirme sırasında

toplam basınccedil ve katkı seviyesinin elektrik ve optik oumlzelliklere etkisini inceledi Daha

yuumlksek katkı seviyelerinde tercihli youmlnelimin derece derece azaldığı taşıyıcı

konsantrasyonu ufak miktarlarda arttığı fakat Hall hareketliliğinin iyonlaşmış

safsızlıkların ccedilarpışmasından ve youmlnelimli buumlyuumlme noksanlığından dolayı ciddi

miktarda azaldığını goumlrduuml

Choi Kim ve ark (2005) Al ve F katkılı 200 nm kalınlıklı ZnO filmler ZnF ve

Al2O3 hedeflerle eş zamanlı olarak saccediltırma ile buumlyuumlttuumller XRD oumllccediluumlmlerinden F

katkısının ZnO filmlerinin kristalliğini geliştirdiğini buldular Elektriksel iletkenlik ve

optik absorpsiyon katsayısının tavlama ile arttığını goumlsterdiler

Dong Zhu ve ark (2007) p-GaAs altlıklar uumlzerinde ZnO p-n eklemi ile metal

organik kimyasal buhar biriktirme youmlntemiyle LED diyotlar oluşturdular Oda

sıcaklığında elektroluumlminisans (EL) ve fotoluumlminisans (PL) oumllccediluumlmlerini aldılar

ZnO ışık yayan kaynakların muhtemel uygulamalarında GaNrsquoe karşı avantajları

olduğundan dikkat ccedilekmektedir Hwang Oh ve ark (2007) Epitaksiyel ZnO filmlerde

katkı kontroluuml asitle dağlama ve omik kontak oluşturmayı iccedileren cihaz fabrikasyon

işlemlerini ve son olarak ZnO LED karakteristiklerini incelediler

Senede yuumlz binlerce ton ZnO ccedilimentoya ya da plastiğe katkı malzemesi olarak

kullanılmaktadır Optoelektronik alanında ZnO GaNrsquoe alternatif olarak maviUV

optoelektronik iccedilin ucuzluğu şeffaflığı iletken oksit olması ve elektronik devrelerde

malzeme olma potansiyeli ile dikkat ccedilekmektedir Son doumlnemde ana problem yuumlksek

yeniden uumlretilebilir kararlı p tipi katkılamadır Klingshirn malzeme buumlyuumltme ZnOrsquonun

temel oumlzelikleri ve ZnO temelli nano yapılar ve katkılamanın gelecek uygulamaları

uumlzerinde ccedilalışmıştır (Klingshirn 2007)

AZO filmler şeffaf iletken fonksiyonel guumlneş pillerinde kullanım potansiyeli

olan ve uzay mekiklerinde oksijen direnccedilli sistemlerde kullanılabilen bir malzemedir

Wang ve Wang (2007) yuumlksek performanslı AZO ince filmleri reaktif magnetron

saccediltırma ile hazırlayıp farklı dozlarda gama ışınına maruz bıraktılar Radyasyona maruz

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

8

biriktirme (PLD) youmlntemiyle buumlyuumltuumllduuml (Kim Horwitz ve ark 2002)

Czternastek (2004) Al katkılı ve katkısız ZnO filmleri yuumlksek basınccedillı DC

magnetron saccediltırma cam altlıklar uumlzerine buumlyuumlttuuml Plazma salınım goumlzlemini reaksiyon

odasına akan oksijen miktarını istikrarlı hale getirmek iccedilin kullandı Biriktirme sırasında

toplam basınccedil ve katkı seviyesinin elektrik ve optik oumlzelliklere etkisini inceledi Daha

yuumlksek katkı seviyelerinde tercihli youmlnelimin derece derece azaldığı taşıyıcı

konsantrasyonu ufak miktarlarda arttığı fakat Hall hareketliliğinin iyonlaşmış

safsızlıkların ccedilarpışmasından ve youmlnelimli buumlyuumlme noksanlığından dolayı ciddi

miktarda azaldığını goumlrduuml

Choi Kim ve ark (2005) Al ve F katkılı 200 nm kalınlıklı ZnO filmler ZnF ve

Al2O3 hedeflerle eş zamanlı olarak saccediltırma ile buumlyuumlttuumller XRD oumllccediluumlmlerinden F

katkısının ZnO filmlerinin kristalliğini geliştirdiğini buldular Elektriksel iletkenlik ve

optik absorpsiyon katsayısının tavlama ile arttığını goumlsterdiler

Dong Zhu ve ark (2007) p-GaAs altlıklar uumlzerinde ZnO p-n eklemi ile metal

organik kimyasal buhar biriktirme youmlntemiyle LED diyotlar oluşturdular Oda

sıcaklığında elektroluumlminisans (EL) ve fotoluumlminisans (PL) oumllccediluumlmlerini aldılar

ZnO ışık yayan kaynakların muhtemel uygulamalarında GaNrsquoe karşı avantajları

olduğundan dikkat ccedilekmektedir Hwang Oh ve ark (2007) Epitaksiyel ZnO filmlerde

katkı kontroluuml asitle dağlama ve omik kontak oluşturmayı iccedileren cihaz fabrikasyon

işlemlerini ve son olarak ZnO LED karakteristiklerini incelediler

Senede yuumlz binlerce ton ZnO ccedilimentoya ya da plastiğe katkı malzemesi olarak

kullanılmaktadır Optoelektronik alanında ZnO GaNrsquoe alternatif olarak maviUV

optoelektronik iccedilin ucuzluğu şeffaflığı iletken oksit olması ve elektronik devrelerde

malzeme olma potansiyeli ile dikkat ccedilekmektedir Son doumlnemde ana problem yuumlksek

yeniden uumlretilebilir kararlı p tipi katkılamadır Klingshirn malzeme buumlyuumltme ZnOrsquonun

temel oumlzelikleri ve ZnO temelli nano yapılar ve katkılamanın gelecek uygulamaları

uumlzerinde ccedilalışmıştır (Klingshirn 2007)

AZO filmler şeffaf iletken fonksiyonel guumlneş pillerinde kullanım potansiyeli

olan ve uzay mekiklerinde oksijen direnccedilli sistemlerde kullanılabilen bir malzemedir

Wang ve Wang (2007) yuumlksek performanslı AZO ince filmleri reaktif magnetron

saccediltırma ile hazırlayıp farklı dozlarda gama ışınına maruz bıraktılar Radyasyona maruz

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

9

bırakılmış ve maruz bırakılmamış filmleri XRD SEM ve Hall etkisi oumllccediluumlmuuml ile yapısal

ve elektriksel parametreleri farklı dozlara maruz bırakılma uumlzerinden incelediler Bu

ccedilalışmada gama ışınlarının yuumlkleri uyardığı ve az da olsa Zn-O bağlarını bozarak

kristalliği azalttığı ve AZO filmlerde negatif boşluk bozukluklarına accedilık bir etkisinin

olmadığı goumlzlediler (Lao Kuang ve ark 2007)

Gomez Maldonado ve ark (2007) kimyasal spreylenmiş Al katkılı ccedilinko oksit

filmleri cam altlık uumlzerine buumlyuumlttuumller Filmler iki ccedilinko rektantndashccedilinko asetat A(Zn) ve

ccedilinko pentanedionate P(Zn) kullanılarak hazırlandı Sonuccedillar katkılamanın ve

tavlamanın ZnO filmlerin elektriksel oumlzelliklerini geliştirdiğini goumlsterdi Tavlamanın

optik oumlzelliklere katkısında oumlnemli bir değişim olmadı

GaN uumlzerine duumlşuumlk sıcaklıkta ccediloumlzelti metodu ve iki aşamalı ndashtermal tavlama ve

azot plazmasına maruz bırakılma ile buumlyuumltuumllmuumlş ZnO nano ccedilubuklar iyi optik oumlzellik

goumlsterdiler Quang ve Jin (2008) ZnO nano ccedilubuk yapıların oda sıcaklığında PLsini

aldılar ve azot plazmasına maruz bırakılmış ZnO nano ccedilubukların guumlccedilluuml UV emisyon

pikleri verdiğini goumlrduumller X ışını foto elektron spektroskopisi (XPS) ZnO nano

ccedilubukların iccedilinde azot bulunduğunu goumlsterdi Akım-gerilim oumllccediluumlmleri kuumlccediluumlk bir eşik

voltajına sahip doğrultucu oumlzellik goumlsterdi

Brandt von Wenckstern ve ark (2008) oumln tavlamalı hidrotermal buumlyuumltuumllmuumlş tek

kristal ZnO uumlzerine atmalı lazer biriktirme youmlntemiyle fosfor katkılı ZnO ince filmler

oluşturdular ZnOP ince filmleri AFM yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml x ışınımı kırınımı ve

Rutherford geri saccedilılma spektroskopisi sonuccedillarına goumlre iyi yapısal ve morfolojik

oumlzellikleri doğrulandı Hall etkisi oumllccediluumlmleri goumlsterdi ki hazırdaki buumlyuumltme koşullarıyla

buumltuumln filmler n tipi iletkenliğe sahiptirler

ZnO nano teller sıradışı oumlzellikleri ve goumlze ccedilarpan nanoelektronik uygulamaların

ortaya ccedilıkmasından dolayı ilgi odağı haline geldi Bu ccedilalışmalar daha ccedilok alan etkili

transistoumlrlerin temel elektriksel oumlzellikleri uumlzerinde yoğunlaştı (Chang ve Lu 2008)

Huang Zhao ve ark (2008) Cu katkılı ZnO yapının kusur yuumlk durumunun

manyetikliğe etkisini araştırdılar P tipi ZnOCu yapının ferromanyetik oumlzelliğinin

bulunduğunu fakat n tipi ZnOCursquonın yerel manyetik momentinin olmadığını buldular

Vurtzit ZnO malzeme simetrik olmayan yapısından dolayı (0001) youmlnuumlnde

muumlkemmel piezoelektrik oumlzellik goumlstermektedir Tipik bir II-VI geniş bant bileşik

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

10

olduğu iccedilin piezoelektrik oumlzelliği ccedilokccedila araştırılmıştır Bazı pratik nano cihaz

uygulamaları duyurulmuştur (Kou Guo ve ark 2008)

Esnek elektronik cihazların yaygınlaştığı guumlnuumlmuumlzde Kwon Hong ve ark

(2008) esnek plastik altlıklar uumlzerine ZnO ve In2O3 nano tellerle inorganik alan etkili

transistor yaptılar Buumlkuumllmuumlş nano tel transistorların elektriksel oumlzelliklerini

piezoelektrik etkiyle ve nano tel ve polimer dielektrik malzeme ara yuumlzeyinde elektron

tuzaklama ile accedilıkladılar (Kwon Hong ve ark 2008)

Takahata Saiki ve ark (2009) CuAlO2 p tipi şeffaf iletken oksit (TCO) film ve

bir n tipi ZnO film kullanarak helikon dalga uyarmalı plazma saccediltırma metodu ile

heteroeklem diyot oluşturdular Heteroeklemin yakın kızıloumltesi boumllgede yaklaşık 80

ışık geccedilirgenliğine sahip olduğunu goumlrduumller

Lu Song ve ark (2009) silikon altlık uumlzerine buumlyuumltuumllmuumlş P katkılı ZnO nano tel

dizilerini ve p tipi ZnO nano telleri kulanarak enerji doumlnuumlşuumlmuumlnuuml ilk defa goumlsterdiler

Ahn Han ve ark (2009) bir ZnO şablon uumlzerine ısısal buharlaştırma ile dikey iyi

hizalanmış değişik oranlarda Ga katkılanmış ZnO nano ccedilubuklar buumlyuumlttuumller Zn iccedileriğe

oranla 50 Ga iccedileren Ga katkılı ZnO nano ccedilubuklar ZnO şablona goumlreceli olarak

minimum baskın stres goumlsterdiler ki bu da depolanan zorlama enerjisinin hızla serbest

bırakılmasından dolayı c ekseni youmlnuumlnde hızlı buumlyuumlmeye neden olmuştur

ZnO temelli hafif manyetik yarı iletkenlerin oda sıcaklığında ferromanyetizm

(RTF) koumlkeni tartışmalıdır Chen Suzuki ve ark (2009) deneysel olarak oumlğuumltuumllmuumlş

(ZnO)(1-x)Al(x) yapıda herhangi bir manyetik katkı olmadan RTF etkisinin muumlmkuumln

olduğunu goumlsterdiler Ccedilalışmalarında (ZnO)1-xAlx (x = 0-05) yapısını elde etmek iccedilin

yuumlksek saflıkta ZnO ve Al tozlarını 8 saat suumlreyle karıştırdılar XPS oumllccediluumlmlerinde Zn2+

iyonlarının bir kısmının daha duumlşuumlk iyonik durumuna geccediltiğini goumlrduumller Numunelerde

herhangi bir manyetik katkı olmadığı halde ferromanyetik oumlzelliği oumlğuumltuumllmuumlş nano

parccedilacıkların ara yuumlzeylerinde Zn ve Al arasındaki yuumlk transferine atfettiler

Gao Wu ve ark (2011) Al katkılanmış ZnO (AZO) filmleri uygun tavlama

youmlntemleriyle sol-jel metoduyla hazırladılar Buumlyuumltme sonrası tavlama sırasında

normalde ihmal edilen ısıtma hızının AZO film oumlzelliklerinin geliştirilmesinde oumlnemli

bir rol oynadığını buldular Yuumlksek hızda bir ısıtmayla nano ccedilubuk yapılı AZO filmler

elde ettiler Hidrojene maruz bıraktıktan sonra AZO nano ccedilubukların 14times10-3

Ωcm gibi

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

11

duumlşuumlk bir dirence sahip olduklarını goumlrduumller

Oh No ve ark (2011) cam altlık uumlzerine radyo frekansı magnetron saccediltırma

youmlntemiyle AZO filmler buumlyuumlttuumller Cam uumlzerindeki AZO ince filmlerin x ışını kırınımı

(XRD) deseni goumlsterdi ki (0002) pikinin yarı maksimumunun tam genişliği tavlama

sıcaklığı arttıkccedila azalmaktadır bu da AZO ince filmin kristal kalitesinin arttığını

goumlsterir Aynı zamanda atomik kuvvet mikroskobu (AFM) imajlarından filmlerin

ortalama puumlruumlzluumlluumlğuumlnuumln ortalama karekoumlkuuml tavlama sıcaklığıyla birlikte artmaktadır

Maeng Lee ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri atomik katman

biriktirme (ALD) youmlntemiyle buumlyuumlttuumller Elektriksel yapısal ve optik oumlzelliklerin Al

katkı oranına ve biriktirme sıcaklığına bağlı değişimini incelediler En iyi dirence ve

ışık geccedilirgenliğine 250 degC 25 katkı oranında ulaştılar Biriktirme sıcaklığı ve

katkılama oranı arttıkccedila yuumlk yoğunluğunda da bir artış olduğunu goumlzlediler Bunu

katmanlı yapının etkili alan modeline atfettiler Ayrıca katkılama yoğunluğunun

artmasıyla hareketliliğin geliştirilmesini tanecik sınırı ccedilarpışması ve işleme iletkenlik

mekanizması uumlzerinden incelediler

Shim Kim ve ark (2011) polyethylene terephthalate (PET) altlık uumlzerine

katkılanmamış ZnO nano tel dizileri ve Al katkılı ZnO nano teller ve nano yaprak gibi

nano yapıları hızlı hidrotermal sentezleme yoluyla sentezlediler Katkısız ZnO nano tel

dizileri c ekseni youmlnelimle ve iyi tanımlanmış altıgen kesiminde (001) yakın hizalı bir

dizilim goumlsterdiler Al iyonlarının katkılanmasıyla hem nano teller hem nano yapraklar

goumlzlediler

Jeong Shin ve ark (2010) PET altlık uumlzerine organik ışık yayan diyotlarda

(OLED) esnek şeffaf elektrot olarak kullanılmak uumlzere plazma zararsız duumlz yuumlzluuml hedef

saccediltırma (LFTS) youmlntemiyle AZO film hazırladılar LFTS youmlntemiyle buumlyuumltuumllmuumlş

esnek AZO elektrotların elektriksel yapısal ve optik oumlzellikleri doğru akım guumlcuuml

uumlzerinden araştırdılar Birbirine bakan AZO hedeflerin arasındaki yuumlksek yoğunluklu

plazmanın etkili sınırlandırılmasından dolayı PET uumlzerine buumlyuumltuumllen AZO filmler hem

plazmadan zarar goumlrmedi hem de yuumlksek enerjili parccedilacıkların ccedilarpışmasından doğacak

ısı problemi gidrilmiş oldu Uumlstelik AZOPET altlık uumlzerine yapılan esnek OLED daha

duumlşuumlk iş fonksiyonuna rağmen ITOPET uumlzerine yapılan OLEDrsquoe benzer performans

goumlsterdi Bu da goumlsteriyor ki LFTS makul maliyetli esnek OLEDrsquolerde indiyum katkısız

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

12

AZO elektrotların yapılabilmesi iccedilin uumlmit verici bir youmlntemdir

Kim Sohn ve ark (2012) ZnO tek kristallerinin Ag Schottky polar-ccedilinko ve Ag

Schottky polar-oksijen kontaklarının akım taşıma mekanizmalarını belirli bir sıcaklık

aralığında incelediler Termiyonik emisyon (TE) modelini kullanarak Schottky ndashpolar-

ccedilinko yuumlzuumlnuumln Schottky polar-oksijen yuumlzuumlnden daha yuumlksek engel yuumlksekliğine sahip

olduğunu buldular N tipi ZnOrsquonun teorik değeriyle karşılaştırıldığında her iki polar yuumlz

iccedilin duumlzenlenmiş Richardson ccediliziminden daha yuumlksek bir Richardson sabiti buldular ki

bu da engel homojensizliğini dikkate alan TE modelinin akım taşımasını yeterince

accedilıklayamadığını goumlsterir Sıcaklığa bağımlı tuumlnelleme oumlzelliği tuumlnelleme akımının

polar ccedilinko yuumlz iccedilin baskın olduğunu goumlsterir

Kumar Kumar ve ark (2010) Al ve N birlikte katkılanmış ZnO ince filmleri n-

Si (100) altlık uumlzerine saccediltırma tekniğiyle buumlyuumlttuumller Hall etkisi oumllccediluumlmleri n tipi iletim

goumlstermesine rağmen 500 degCrsquode Ar ortamında tavlanmış filmler p tipi iletim goumlsterdiler

Ccedilift katkılanmış ZnO filmlerin c ekseni youmlnuumlnde iyi kristal yapısı goumlsterdiğini buldular

Bir doğal bağlı akseptoumlr eksitonu ve oda sıcaklığında ortaya ccedilıkan donoumlr akseptoumlr

salınımlarının fotoluumlminisans oumllccediluumlmuuml Al ve N ccedilift katkılı ZnOrsquonun p tipi iletim

goumlsterdiğini doğruladılar P-n heteroeklemi akım gerilim karakteristiği diyot gibi

doğrultma goumlsterdi

Znaidi Touam ve ark (2012) katkısız ve Al katkılı ZnO filmleri sol-jel işlemi

yardımıyla hazırladılar ZnO iccedilinde Al atomik olarak oranı 1 ya da 2 olacak şekilde

eklediler Ccedilok katmanlı ince filmleri cam altlık uumlzerine doumlnel kaplama ile oluşturdular

Filmlerin youmlnelimi tercih edilen c ekseni youmlnuumlndeydi Yapının morfolojik ve optik

oumlzelliklerini Al katkı miktarı uumlzerinden x ışını kırılması (XRD) atomik kuvvet

mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) incelediler

Yang Zeng ve ark (2011) yuumlksek kalitede Al katkılı ZnO filmleri RF

magnetron saccediltırma ile cam altlık uumlzerine farklı kalınlıklarda buumlyuumlterek film kalınlığının

yapısal elektriksel ve optik oumlzelliklerinin değişimini incelediler XRD sonuccedillarına goumlre

filmlerin kalınlığı ne olursa olsun ccedilok kristalli yapıya sahiptiler ve kuvvetli tercihli

youmlnelimleri altlık duumlzlemine dik (002) youmlnelimindeydi Optik bant aralığının film

kalınlığı arttıkccedila 341 eVrsquoden 330 eVrsquoye gerilediğini goumlzlemlediler

Aghamalyan Hovsepyan ve ark (2010) şeffaf iletken ve saf elektron demeti (e-

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

13

beam) buharlaştırmasıyla hazırlanan Ga katkılı ZnO filmleri oda sıcaklığında değişik

dozlarda 60

Co radyasyon kaynağına maruz bıraktılar ZnO filmlerin enerji bant aralığı

elektriksel direnccedil taşıyıcı yoğunluğu kadar da yapısal parametrelerini katkı iccedileriğine

gtoumlre belirlediler Ayrıca elektro-optik cihazlarda şeffaf elektrot olarak kullanılan ZnO

temelli filmlerin gama dozuyla radyasyon etkili yok etme miktarını belirlediler

Abduev Akhmedov ve ark (2010) cam altlıklar uumlzerine iletken seramik hedefler

kullanarak magnetron saccediltırma ile Ga katkılı ZnO filmler oluşturdular

Alarcon Ponce ve ark (2011) gama ışınına maruz bırakılmış tohumlar iccedileren

duumlz bir altlık uumlzerinde ZnO nano ccedilubukların buumlyuumlmesini ve sudaki Escherichia coli

bakterisinin foto katalitik olarak elimine etmesini incelediler Tohum tabakasını sprey

piroliz tekniğiyle ccedilinko asetat ccediloumlzeltisini gama ışımasına maruz bırakarak elde ettiler

Kristal yapının bakterileri yok etme oranına pozitif bir etkisinin olduğunu goumlrduumller

Karagoz Ozdemir ve ark (2011) Al katkılı ZnO ince filmlerindeki yapısal

değişikliği Cs-137 gama radyoizotop kaynağı kullanarak gama geccedilirim tekniğiyle

incelediler Boumlylelikle Al katkılı ZnO filmlerin yoğunluğunu oumllccedilebildiler

Yarıiletken aygıtlarda katkı maddelerinin oynadığı kritik roluumln ortaya ccedilıkması

yarıiletken nano kristallerin potansiyel uygulamaları ve oumlzelliklerinin araştırılmasını

teşvik etmiştir Bundan dolayı katkı oranının yarıiletken nano parccedilacıkların oumlzelliklerine

etkisinin araştırılması uygulamaları kadar temel fizik bakış accedilısında da oumlnemlidir

Kumar Sathyamoorthy ve ark (2011) basit ıslak kimyasal yolla AZO nano

parccedilacıklar sentezlediler Nano parccedilacıkların yapısal ve morfolojik oumlzellikleri XRD ve

SEM ile analiz ettiler SEM analizi sonucunda ccediliccedilek yapısında altıgen vurtzit

kuumlmelerden oluşan ccediloklu nano ccedilubuklar goumlrduumller Enerji dağıtıcı spektrumu (EDS) ZnO

boşluklarına Al dolduğunu goumlsterdi Optik soğurma kuantum sınırlaması etkisi

nedeniyle bant aralığının genişlediğini goumlsterdi

Banerjee Lee ve ark (2010) ZnO iccediline ccedileşitli oranlarda 150 degCde quartz altlık

uumlzerine ALD depolamayla Al katkılayarak AZO filmler oluşturdular Duumlşuumlk Al

katkılamada youmlnelim (100) iken yuumlksek Al oranında filmler amorf kaldılar

Gledhill Grimm ve ark (2011) yuumlksek şeffaflıkta iletken ZnO filmleri ccedilinko

asetat temelli ccediloumlzelti ile sprey ısısal ccediloumlzuumllme ile biriktirdiler Damlacık biriktirmeli

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

14

sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniğinden daha ccedilok aerosol yardımıyla kimyasal buhar

biriktirmeye benzer şekilde kaliteli filmler oluşturdular Filmlerin oumlzellikleri temel

ccediloumlzeltiye eklenenler tarafından belirlendi

Sprey ısısal ccediloumlzuumllme tekniği gayet pratik ev yapımı sistemlerle uygulanabilir

Buna benzer bir uygulamayı Ikhmayies Abu El-Haija ve ark (2010) ev yapımı sprey

sistemiyle goumlreceli yuumlksek sıcaklıkta (450 degC) cam altlıklar uumlzerine yuumlksek şeffaflıkta

iletken AZO filmler oluşturdular Azot ortamında tavlama oumlncesi ve sonrası elektrik ve

optik oumlzelliklerin değişimini incelediler Elektriksel oumlzellikleri akım gerilim

oumllccediluumlmlerinden tayin ettiler Optik oumlzellikleri optik bant aralığını bulmak iccedilin kullanılan

ışık geccedilirgenliği eğrilerinden elde ettiler Elektro optik oumlzellikler Al katkısı ve azot

ortamında tavlamayla gelişti

Dong Pei ve ark (2011) şeffaf ve iletken AZO filmleri değişen sıcaklıklara

sahip amorf cam altlıklara ultrasonik sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla buumlyuumlttuumller Altlık

sıcaklığının ve katkı seviyesinin filmlerin elektrik ve optik oumlzelliklerine etkisini

araştırdılar Bant aralığı ve Urbach parametresi optik absorpsiyon kenarından ccedilıkarıldı

ve azalan Al katkı seviyesiyle arttığı goumlzlendi

Bhattacharyya ve Majumder (2010) sol-jel youmlntemiyle hazırladıkları AZO

filmlerin optik oumlzelliklerini duumlzenlemiş KramersndashKronig modeliyle değişen Al

oranlarına goumlre incelemişlerdir

Ali ve Chakrabarti (2010) ZnO temelli UV foto detektoumlrlerin uumlretimini

goumlsterdiler karakterizasyonunu yaptılar e termal dayanıklılığını test ettiler Schottky

engel foto detektoumlr karakteristiği idealite faktoumlruuml sızma akımı ve engel yuumlksekliği oda

sıcaklığında akım-gerilim oumllccediluumlmlerinden ccedilıkarıldı 100 degC den 200 degCye kadar

ccedilıkarıldığında cihazın termal kararlılığını koruduğunu goumlzlediler

Abdullah Selmani ve ark (2011) kalay katkılı polikristal ZnO filmleri sol-jel

işlemiyle buumlyuumlttuumller Ccediloumlzelti ccedilinko asetat dehidrat ve kalay kloruumlr kullandılar Değişik

oranlarda kalay katkılı filmleri değişik sıcaklıklarda tavladılar Filmlerin kırınım

piklerinden bir altıgen vurtzit yapısının (100) (002) ve (101) youmlnelimlere sahip

olduğunu buldular Kalay katkı miktarı arttıkccedila bant aralığının arttığını goumlzlemlediler

Bant aralığının artması yansıma oumlnleyici kaplama olarak kullanılabileceğini boumlylece bu

filmlerin silikon guumlneş pillerine uygulanabileceğini goumlsterdiler

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

15

Bantounas Goumri-Said ve ark (2011) GdxZn1-xO x=0625 katkılı

yarıiletkenin manyetik oumlzelliklerini tam potansiyel (lineerleşmiş) arttırılmış duumlzlem

dalga artı yerel metodu kullanarak incelediler GdxZn1-xO uumlzerinde spin kutuplanmış

hesaplamalar goumlsterdi ki hatta eğer ferromanyetik taban seviye durumu dikkate

alınsaydı muumlkemmel ZnO vurtzit kafes iccedilindeki Gdnin manyetik etkisi yuumlksek oranda

yerelleşti ve en yakın ilk uumlccedil komşu O atomlarına sınırlandı Yerelleşmiş Gd etkili

kutuplanmanın kusursuz bir ZnO vurtzit kafesindeki uzun alan manyetik sıralamayı

accedilıklamakta kullanılamayacağını duumlşuumlnduumller

Chattopadhyay Nath ve ark (2011) manyetik Fe iyonları katkılanmış ZnO epi

filmlerin oda sıcaklığında ferromanyetik duumlzen goumlsterdiğini buldular Akım etkili oda

sıcaklığı ferromagnetizm iccedilin beklendiği gibi taşıyıcı sayısının verici sayısına oranıyla

geccediliş elementi başına duumlşen magnetizasyon arasında accedilık bir bağlantı buldular

Guskos Glenis ve ark (2010) Fe2O3ZnO yapısını ıslak kimyasal metotla elde

ettiler Malzemenin manyetik oumlzelliklerinin ferromagnetik rezonans (FMR) metoduyla

sıvı helyum sıcaklığından oda sıcaklığına kadar değişen sıcaklılarda incelediler

Hao Lou ve ark (2012) hidrotermal yaklaşımla uumlccedil boyutlu Zn098Mn002O

hiyerarşik iccedili boş mikro kuumlreler sentezlediler İlgili manyetik değerlendirme

mekanizmasını tavlama işleminden gelen oksijen boşluklarıyla ilişkilendirdiler

Jayakumar Achary ve ark (2010) Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) nano

parccedilacıkları sol-jeli takip eden sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla sentezlediler

Zn095Co005O nano parccedilacıklar oda sıcaklığında diamanyetik oumlzellik goumlsterdi Fakat Al

ile birlikte Co katkılanmış Zn095-xCo005AlxO (x = 00rsquo den 01rsquoe) yapıda x=007

değerine kadar ferromanyetik momentte sistemli artış goumlzlediler Yuumlksek Al katkısının

ferromanyetik duumlzeni etkileyen boumlluumlnme değişimi azaltılmaktadır

Jia Shi ve ark (2011) AZO nano parccedilacıkları Zn(AC)22H2O ve Al(NO3)3

9H2Orsquodan homojen ccediloumlktuumlrme youmlntemiyle sentezlediler XRD verileri AZO nano

parccedilacıkların altıgen vurtzit yapıya iyi uyduğu ve Al3+

iyonlarının ZnO kristaline

girerek Zn2+

iyonlarının yerine geccediltiğini goumlsterdi AZO parccedilacıkların elektromanyetik

oumlzelliklerini Al katkı miktarına goumlre incelediler

Kim Kim ve ark (2010) Cu katkılı ZnO (ZnOCu) yapısının elektriksel

iletkenliğin manyetik davranışlar uumlzerindeki etkisini incelediler Cu katkı miktarını

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

16

değiştirerek elektriksel oumlzellikleri kontrol ettiler Deşik taşıyıcıları ZnOCursquodaki

ferromanyetik kanalların ccediliftlenmesine yardımcı olurlar

Fang ve Kang (2010) Al katkılı ZnO nano ccedilubukların optik ışıma ve

elektromekanik oumlzelliklerini ve nano ccedilubuklarla yapılan nano jeneratoumlr sistemlerinin

piezoelektrik karakteristiklerini incelediler

Lee Chen ve ark (2012) ZnO nano teli iccedileren bir hibrit-fiber nano jeneratoumlr

dizisini incelediler İnsan kolunun 90deg lik accedilılma ve kapanma hareketi sırasında hibrit

fiber yapıda 01 V gerilim oluştuğunu goumlrduumller Bu hibrit yapı teknolojisinden gelecekte

giyilebilir enerji uumlreten malzemeler uumlretilebilir

Brauer Kuriplach ve ark (2011) optoelektronik uygulamalarda kullanılabilecek

oumlneğin sensoumlr uygulamalarında Schottky kontak oluşumunu incelediler

Allenic Guo ve ark (2007) epitaksiyel ZnO ince filmleri duumlzguumln olarak N

katkılayarak atmalı lazer ısıtması kullanarak buumlyuumlttuumller 300degCrsquode buumlyuumltuumllmuumlş ve

600degCrsquode O2 ortamında tavlanan filmler p tipi iletkenlik goumlsterdiler

Merkezi simetrik olmayan kristaldeki iyonların polarizasyonundan dolayı baskı

altında kristalde piezoelektrik potansiyel oluşur Yarı iletkenlerden ışık salınımı sadece

yuumlk aşılama ve yeniden birleşmenin verimine değil aynı zamanda oumlz verimliliğe de

bağlıdır ZnO gibi yuumlksek bant aralıklı malzemelerin UV emisyonu iccedilin nano teller ince

filmlerden daha yuumlksek oumlz verimliliğe sahiptir Ancak yaygın yaklaşıma goumlre bir p-n

diyot yaparken duumlşuumlk verimle sonuccedillanır Yang Wang ve ark (2011) merkezi olmayan

simetrik doğaya sahip n tipi ZnO nano telp tipi GaN uumlzerine baskı oluşturarak bir

piezoelektrik potansiyeli elde ettiler Bu ccedilalışmalar UV boumllgeden goumlruumlnuumlr boumllgeye

değişik buguumlnuumln guumlvenli yeşil ve yenilenebilir enerji teknolojilerinde kullanılan

optoelektronik cihazların geliştirilebilmesi iccedilin genişletilebilir

Ding Pan ve ark (2012) polar olmayan ZnO ince filmleri r-duumlzlem safir alttaş

uumlstuumlne plazma destekli molekuumller ışın epitaksi ile buumlyuumlttuumller

Jeong Kim ve ark (2011) ZnO nano telde p tipi iletim elde etmek iccedilin Pt kontak

elektrotlu ZnO nano tel alan etkili transistor yaptılar Pt yuumlksek iş fonksiyonuna sahip

ve kimyasal olarak inert olduğundan Fermi seviyesi ZnO nano telin valans bant

tarafıyla yuumlksek Schottky engeli yapacak şekilde hizalanabilir Akım gerilim

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

17

karakteristiğinin ZnO nano tel ve Pt arasındaki yuumlksek Schottky engelinden dolayı

doğrusal davranış goumlstermediğini goumlrduumller ve geccedilit transfer eğrileri zayıf bir p tipi iletim

goumlsterdi

Chavillon Cario ve ark (2012) kararlı p tipi iletim goumlsteren ccedilinkoca zengin

olmayan N katkılı ZnO filmler buumlyuumlttuumller

P tipi iletim sağlamak iccedilin değişik katkı malzemesi kullanılmıştır Lee Cha ve

ark (2011) basit hidrotermal teknikle Li katkılı p tipi ZnO nano teller sentezlediler

Kararlı p tipi ZnOLi nano telleri alan etkili transistoumlr ve aynı-eklem diyot yaparak

goumlsterdiler (Lee Cha ve ark 2011)

Abu El-Fadl El-Maghraby ve ark (2004) Li katkılı ZnO (ZnOLi) filmlerin

absorbsiyon spektrasına ve optik enerji aralığına gama ışımasına maruz bırakmanın

etkilerini araştırdılar Filmlerde direk izinli bantlar arası geccedilişin gama dozu tarafından

etkilendiğini ve hem optik enerji bant aralığının ve hem absorbsiyon katsayısının gama

dozuna bağlı olduğunu goumlsterdiler

Aksoy Cağlar ve ark (2010) cam altlık uumlzerine sprey ısısal ccediloumlzuumllme metoduyla

katkısız ve Sn katkılı ZnO filmler biriktirdiler Katkı kaynağı olarak kalay kloruumlr

kullandılar Optik bant aralığını ve bazı optik oumlzellikleri tayin ettiler

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

2 OumlNCEKİ CcedilALIŞMALAR

18

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

19

3 MATERYAL VE METOT

Bu ccedilalışmada silisyum ve quartz altlıklar uumlzerine Al katkılı metal oksit ince

filmler buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Quartz ve değişik elektrik iletkenliği (p tipi ve n tipi) goumlsteren

yarı iletkenler uumlzerine Al katkılı ZnO ince filmler plazma saccediltırma youmlntemi ile

buumlyuumltuumllmuumlştuumlr Bu filmlerin kristal yapısı Bruker D8 DISCOVER x ışını kırınım cihazı

ile oumllccediluumllmuumlş elektrik iletkenliği taşıyıcı yuumlk yoğunluğu Hall Etkisi Oumllccediluumlm Sistemi

(Ecopia HMS 3000) ile oumllccediluumllmuumlş ve optik oumlzellikleri Shimadzu UVminus3600ndashUVndashVISndash

NIR spektrofotometre ile oumllccediluumllmuumlştuumlr Bazı optik parametreler soğurma ve geccedilirgenlik

verileri kullanılarak teorik olarak hesaplandı İnce filmlere gama ışımasının etkilerini

goumlzlemek iccedilin filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra elektrik ve optik

oumlzellikler tekrar incelendi

Boumlluumlm sonunda ise gerccedilekleştirilen tuumlm deney basamakları sırasıyla

anlatılmıştır

31 ZnO Biriktirme ve İnce Film Kaplama Youmlntemleri

Depolanacak ince filmlerin oumlzellikleri filmlerin kullanım alanları kaynak ve

alttaş malzemelerin sıcaklık optimizasyonu duumlzensellik ve kalınlığın homojenliği

biriktirme hızı ve ticari maliyetler ince film oluşturmada uygun kaplama tekniğinin

belirlenmesini doğrudan etkileyen faktoumlrlerdir Bundan dolayı ince filmlerin arzulanan

bileşimi ve mikro yapısı kaynak ve alttaş malzemelerden kaynaklanan sınırlamalar

dikkate alınarak uygun biriktirme tekniğinin seccedililmesi ile elde edilebilir

İnce filmin kaliteli oluşturulabilmesi iccedilin vakum ortamında gerccedilekleştirilmesi

gereklidir Vakum ortamında gerccedilekleştirilen en eski ve en ccedilok kullanılan youmlntem

fiziksel buhar biriktirme tekniğidir Fiziksel buhar biriktirme metodu (PVD)

malzemelerin buharlaştırılarak ccedileşitli yuumlzeyler uumlzerine biriktirilmesinde kullanılan bir

ccedilok vakum biriktirme youmlntemini kapsayan genel bir tekniktir

Bu kaplama youmlntemi yuumlksek sıcaklık vakum biriktirme veya plazma puumlskuumlrtme

bombardımanı gibi yuumlzeyde kimyasal reaksiyon iccedilermeyen bir kaplama youmlntemidir Bu

youmlntemin kullanımı 1838 yılında Michael Faradayrsquoın ccedilalışmalarına kadar uzanmasına

rağmen fiziksel buhar biriktirme terimi ilk defa 1966 yılında CF Powellrsquoin yazdığı

ldquoBuhar Biriktirmerdquo kitabında kullanılmıştır

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

3MATERYAL VE METOT

20

Bu ccedilalışmada fiziksel buhar biriktirme youmlntemi kullanılmıştır Diğer yaygın ince

film buumlyuumltme teknikleri aşağıda accedilıklanmıştır

311 Plazma Saccediltırma Youmlntemi

PVD teknolojisinde en oumlnemli dallardan biri plazma saccediltırma youmlntemidir 1852

yılında Grove tarafından geliştirilen bir youmlntemdir Bu guumlne kadar bu youmlntem buumlyuumlk

oumllccediluumlde geliştirildi ve 160 yıl boyunca enduumlstride kullanıldı (Ocak 2010)

Saccediltırma tekniği parccedilacıkları kaynaktan ayırıp hedefe ulaştırmak iccedilin termal

işlem yerine bir mekanik aktivasyon sağlar (Ref J S Logan M J Hait H C Jones

G R Firth and D B Thompson J Vac Sci Technol A 7 (1989) 1392) Bu yaklaşımın

buharlaştırılması guumlccedil maddelerin biriktirilebilmesi hususunda

Saccediltırma ile biriktirme youmlntemi bir yuumlzeyden (hedef) buharlaştırılmış

parccedilacıkların fiziksel saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmesidir Fiziksel biriktirme ısısal

olmayan buharlaştırma işlemi olup yuumlzey atomları katı haldeki bir yuumlzeyden atomik

boyutlarda bombardıman yapılarak momentum transferiyle genellikle bir plazmadan

hızlandırılmış gaz iyonları ile fiziksel olarak buharlaştırılır Bu fiziksel buharlaştırma

biriktirme bazen saccediltırma olarak da adlandırılır Genellikle kaynak ve altlık arası mesafe

vakum biriktirmeyle karşılaştırıldığında kısadır Saccediltırma ile biriktirme bir katının

(hedef) yuumlzeyine enerjik iyon bombardımanıyla bir vakum altında iyon tabancası

kullanarak ya da duumlşuumlk basınccedil (lt5 mTorr) plazma ile yapılır Oumlyle ki saccediltırılmış

parccedilacıklar hedefle altlık arasındaki boumllgede ya birkaccedil ccedilarpışma yapar ya da hemen

hemen hiccedil ccedilarpışma yapmazlar Saccediltırma altlık yuumlzeyine ulaşmadan oumlnce gaz fazındaki

ccedilarpışmalarla ısıtılmış enerjik parccedilacıkların saccedilıldığı ya da hedeften yansıma yaptığı

daha yuumlksek basınccedillarda (5ndash30 mTorr) da yapılabilir Saccediltırmada kullanılan plazma

saccediltırma yuumlzeyi yakınlarında hapsedilebilir ya da hedef ile altlık arasındaki boumllgeyi

dolduracak şekilde olabilir

Saccediltırmada kullanılan hedef malzeme bir element alaşım karışım ya da bir

bileşik olabilir ve o malzeme hedefin ham haliyle buharlaştırılır Saccediltırma hedefi uzun

oumlmuumlrluuml bir buharlaştırma kaynağı sağlar Saccediltırma biriktirmesi yaygın olarak yarı

iletken materyal uumlzerine ince film metal biriktirme iccedilin kullanılsa da mimari cam uumlzeri

kaplama yoğun disklerde yansıtıcı yuumlzey olarak kaplama manyetik filmler ıslak film

yağlayıcılar ve dekoratif kaplamalar iccedilin de kullanılır (Mattox 1998)

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

21

Şekil 31 Plazma buhar biriktirme

Bu teknikte hızlandırılmış iyonların kinetik enerjisi hedef malzemenin

parccedilacıklarının bağlanma enerjisinden oumlnemli oumllccediluumlde buumlyuumlk olmalıdır Yeterli

biriktirme oranlarının yakalanabilmesi iccedilin genellikle 2 ya da 3 mertebeden buumlyuumlk enerji

uygulanır Boumlyle enerjiler iccedilin oumln koşul iyonların hızlandırılması iccedilin gerekli serbest yol

mesafesinin olmasıdır ki bu da en az mTorr seviyesinde ya da daha yuumlksek makul

basınccedil gerektirir Ccediluumlnkuuml parccedilacıklar gaz fazında birkaccedil ccedilarpışmaya ancak uğrar onlar

oumlnemli bir kinetik enerjiye sahiptirler ve dar bir accedilısal dağılım goumlsterirler ve boumlylece

hedeften gelen parccedilacık altlık olarak kullanılan maddenin yuumlzeyine gelir ve yuumlzeyde

kimyasal reaksiyonlara sebep olabilecek yeterli enerjiye sahiptir Bu kimyasal

reaksiyonlara oumlrnek olarak yuumlzeydeki parccedilacıkların kopartılması ya da altlık ile

yuumlzeyindeki diğer parccedilacıklar arasındaki kimyasal bağların aktivasyonu soumlylenebilir

Saccediltırma katmanları buharlaştırma youmlntemiyle elde edilen katmanlardan daha iyi

yapışırlar ve yuumlzey kusurlarına karşı daha kararlıdırlar Ancak bu saccediltırma youmlntemi

organik filmlerde olduğu gibi hassas yuumlzeylere yapılan biriktirme katmanları iccedilin uygun

değildir Bu durumda belli bir gaz basıncı altlığın sınırlı bir sıcaklıkta olması ve

biriktirilen parccedilacıkların sınırlı bir enerjiye sahip olması gerekmektedir Oumlzellikle

yuumlksek saccediltırma oranları iccedilin altlığa verilen enerji oumlnemlidir Parccedilacıkların kinetik

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

3MATERYAL VE METOT

22

enerjisinden kaynaklanan enerji plazmadan dolayı genellikle daha fazla olur

Saccediltırılmış ince katmanların puumlruumlzluumlluumlğuuml oda sıcaklığında buharlaştırma iccedilin olanlardan

oumlnemli miktarda daha azdır normal olarak Bu da tam olarak nanoteknoloji

uygulamalarında organik altlık uumlzerine kaplanan ultra ince metal katmanlar iccedilin

saccediltırma işleminin tercih edilmesinin nedenidir Ccedileşitli kalitede filmler elde edebilmek

iccedilin bazı parametreler şunlardır biriktirme işleminin seccedilimi vakum seviyesi parccedilacık

enerjisi ve biriktirme oranıdır (Koumlhler ve Fritzsche 2007)

312 Termal Buharlaştırma Youmlntemi

Vakum ortamında rezistif ısıtıcı ile yapılan termal buharlaştırma tekniği yarı

iletken yuumlzeylerine ince metal filmleri kaplamak iccedilin en yaygın şekilde kullanılan

tekniklerden biridir Kaplanacak olan malzemeler W Mo ve Ta gibi ısıya dayanıklı

ergime noktası ccedilok yuumlksek olan metallerden imal edilmiş potaların iccedilinde veya direkt

olarak ısıtılmış rezistans uumlzerinden buharlaştırılır Kuartz grafit aluumlminyum berilyum

borndashnitrit ve zirkonyumdan imal edilmiş potalar direkt ısıtmada kullanılmaktadır

Şekil 32 Termal buharlaştırma sisteminin şematize edilmiş hali 1Vakum odası 2 Altlık tablası

3 Numune tutucu 4 Buharlaştırılacak metal 5 Isıtıcı filaman 6 Metal Buharı 7

Vakum pompası

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

23

Bu youmlntem diğer tekniklere goumlre daha ucuzdur ancak bazı dezavantajları vardır

Geometrik faktoumlrler sebebiyle buumlyuumlk ccedilaplı uumlretimler ccedilok zordur veya muumlmkuumln değildir

Duumlşuumlk ergime sıcaklığına sahip malzemeler (lt1500 degC) iccedilin kullanılabilir Bazı

durumlarda pota da sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve kaplama bozulabilir

Archibald ve Parent (1976) termal buharlaştırma iccedilin mevcut olan ccedileşitli

kaynakndashbuharlaştırıcıların kaplama karakteristiklerini avantajlarını ve sınırlamalarını

tartışmışlardır Bu teknik iccedilin buharlaşma oranları belli bir sıcaklık ve vakum altında

tutulan buharlaşıcının buhar basıncı ile kontrol edildiği iccedilin başlangıccedil materyalinin

iccedileriğinin aynısına sahip alaşım ve karışımları kaplamak zordur Bununla beraber flaş

buharlaştırma tekniği kullanılarak bu problemin uumlstesinden gelinebilir Bu teknikte

alaşımın veya metalin oldukccedila kuumlccediluumlk boyutlu tozları kontrolluuml bir oranda sıcak olan

buharlaştırma potasına konularak buharlaştırma yapılır boumlylece alaşımdaki oranın

benzeri depozit edilmiş olur

313 Doumlnel (Spin) Kaplama

Spin kaplama son birkaccedil on yıldır ccedilok ince filmler ve goumlrece daha kalın filmlerin

duumlz altlıklar uumlzerinde oluşturulmasında kullanılmaktadır Yarı iletken ccediloumlzeltiler

polimerler ve bazı organikler gibi ccedileşitli malzemeler farklı amaccedillar iccedilin metallere

plastiğe cama ve yarı iletken altlıklara başarıyla kaplanmaktadır Bu teknikte doğal

olarak kaplanacak malzeme sıvı bir ccediloumlzuumlcuumlde ccediloumlzuumlnmuumlş olmalıdır Tipik olarak

kaplanacak altlık motor yardımıyla doumlnduumlruumllen bir platformda tutulur ve kaplama

ccediloumlzeltisi elle ya da otomatik kolla altlığa uygulanır Altlık ccedilok yuumlksek accedilısal hızlarla

(300 devirdak ndash10000 devirdak) doumlnduumlruumllerek ccediloumlzeltinin altlığın yuumlzeyine duumlzguumln

dağılması sağlanır Oluşan filmin kalınlığı tabaka başına 30 nmden birkaccedil mikrona

kadar başarıyla oluşturulabilir Bu kaplama tekniğinin arkasındaki teori hızlı doumlnuumlşuumln

oluşturduğu merkezcil kuvvetle sıvının viskotikliğinin belirlediği viskoz kuvvetlerin

arasındaki dengeye dayanır Film kalınlığı doumlnme hızı suumlresi ve ccediloumlzeltinin viskozluğu

kontrol edilerek ayarlanabilir Doumlnel kaplamanın oumlnemli avantajları yeniden

yapılabilirlik homojen yapılı filmler elde edilmesi basitlik buumltuumlnleşme kolaylığı farklı

altlık uumlzerine uygulanabilme ve duumlşuumlk maliyettir Bu tekniğin ana dezavantajı ise duumlz ve

puumlruumlzsuumlz yuumlzeyler kullanma zorunluluğudur

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

3MATERYAL VE METOT

24

314 Daldırma (Dip) kaplama

Daldırma kaplama bir başka duumlşuumlk maliyetli ccediloumlzelti biriktirme kaplama tekniği

olup yaygın olarak yarı iletken enduumlstrisinde duumlzensiz ve karmaşık şekilli kaplamaların

yapılmasında kullanılır Bu işlemde kompleks kısım ya da altlık kaplama ccediloumlzeltisine

daldırılır ve film ya altlığın ccediloumlzeltiden dikey olarak ccedilıkarılması ya da ccediloumlzeltinin yavaşccedila

sabit bir hızla dışarı alınmasıyla oluşturulur Dip kaplama ya suumlrekli ya da parccedila

işlemlerle uygulanır Ancak daldırma ccedilıkarma film oluşumu ccediloumlzeltinin

buharlaştırılması ve fazla ccediloumlzeltinin suumlrekli olarak tahliye edilmesi gibi anahtar adımlar

uygulanması şarttır Dip kaplamada film oluşmasının arkasındaki fizik viskoz

suumlruumlklenme ccedilekim kuvvetleri ve dışbuumlkey mercek şeklindeki yuumlzeyin gerilimi

arasındaki denge ile ilgilidir Buna goumlre oluşan filmin kalınlığı viskozite ccediloumlzelti

yoğunluğu ve hareket hızına bağlıdır Bu kaplama tekniğinde goumlruumllen yaygın

bozukluklar boşluklar ccedilivi delikleri kalınlığın her yerde aynı olmaması ve dalgalı

yuumlzeylerdir Boşluklar ve ccedilivi delikleri filmin iccedilinde hava hapsolmasından yuumlzey

kirliliklerinden ve toz zerreciklerinden ileri gelir

315 Sprey ısısal ccediloumlzuumllme (piroliz) kaplama

Puumlskuumlrtme kaplama tekniği esas olarak duumlz olmayan vadiler kuyular ve yarı

iletken yongalar uumlzerindeki kuumlmeler yapılabilmesi iccedilin kullanılır Bu teknikte kaplama

ccediloumlzeltisinden puumlskuumlrtuumlcuumller ve nebulizerler kullanarak ccedilok iyi damlacıklar oluşturulur

Dip kaplama ve doumlnel kaplama teknikleriyle karşılaştırıldığında iyi damlacıklar

oluşturmak iccedilin ve iyi sprey işlemi ccediloumlzelti viskozitesinin oumlnemli miktarda azaltılması

gerekir Hazırlanan iyi damlacıklar taşıyıcı bir gaz yardımıyla kaplama odasına taşınır

ve altlığa bir negatif yuumlkluuml damlacıklar topraklanmış altlığa ccedilarptıran bir elektrik alan ya

da yer ccedilekimi etkisiyle kaplanır Elektrostatik puumlskuumlrtme ile kaplamanın geleneksel

yerccedilekimi puumlskuumlrtme kaplamaya avantajları yuumlksek biriktirme oranları ve duumlşuumlk

malzeme kaybıdır Alışılmış kaplama kalitesi damlacıkların boyutu bu boyut ccediloumlzeltinin

akışkanlığının azalmasıyla ve puumlskuumlrtme basıncının artması ile duumlşuumlruumllebilir ile

belirlenir

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

25

32 Yapısal Oumlzellikler

321 X Işınları

Rontgenrsquoin 1885rsquote keşfedişinden bu yana x ışınları oumlnce tıpta tanı amaccedillı

kullanıldı bunu fizik ve malzeme bilimi uygulamaları takip etti ve buguumln hemen hemen

her alanda kullanılmaktadır X ışınları kullanılarak malzeme karakterizasyonu 20

yuumlzyılın başından beri etkin bir biccedilimde araştırılmaktadır

Doğal ve yapay yoldan elde edilen maddeleri anlamak iccedilin onların kristal

yapılarının ayrıntılı biccedilimde anlaşılması gerekmektedir Bu bilgi fizik kimya biyoloji

ve malzeme bilimi araştırmaları iccedilin temeldir Ccedileşitli deneysel metotlar iccedilinde x ışını

kırınımı tekniği anahtar bir seccedilimdir

İnorganik maddelerin ve katı maddelerin ccediloğu kristal yapıdadır X ışınları bir

kristal maddeyle etkileşirse sonucunda kırınım da denilen bir esnek ccedilarpışma meydana

gelir Esnek x ışını saccedilılması klasik elektromanyetik teori ile tam olarak tanımlanabilir

Değişen manyetik alandaki bir elektron alanla aynı frekansta titreşir Bir x ışını bir

atoma ccedilarptığında atomun etrafındaki elektronlar gelen ışınla aynı frekansta titreşmeye

başlarlar Klasik elektromanyetik teoriye goumlre ivmelenen bir yuumlk ndashburada elektronndash

elektromanyetik radyasyon yayar

Yarı iletkenlerin yapısal oumlzelliklerini tayin etmede en kuvvetli tekniklerden bir

tanesi x ışını kırınımı metodudur Bu teknikte bir numune hizalanmış x ışını (dalga boyu

yaklaşık olarak 05 ve 2 Aring seviyesinde) demetine maruz bırakılır ve saccedilılan x ışınları

uygun bir detektoumlrle tespit edilir Numune konumu detektoumlr ve numunenin oumlzel kristal

yapısı gibi faktoumlrlere dayalı olarak XRD deseni kaydedilebilir Boumlyle bir desende

saccedilılma accedilısının bir fonksiyonu olarak saccedilılmış x ışını yoğunluk ccediliziminde pikler vardır

(Bu piklerin saccedilılmış x ışınlarının yapıcı girişimi sonucu olduğuna dikkat edilmelidir)

XRD de x ışınları kristal malzeme iccedilinde Bragg Yasasına goumlre kırınım yapar

Hacirclihazırdaki fazlar kristal yapı kusurlar kristalit boyutları kristal youmlnelimi ve

zor hakkında bilgi edinilebilir Faz belirleme XRDnin rutin uygulamalarından biridir ve

hesaplanmış (ve pik yoğunluğu) kırınım spektroskopisi ile literatuumlrde verilen bilinen

standartlar iccedilin karşılaştırma iccedilerir Tercihli tanecik youmlnelimi kristaloğrafik youmlnlerin

goumlreceli pik yoğunluklarından ccedilıkarılabilir Oysaki zor kırınım piklerinin konumu ve

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

3MATERYAL VE METOT

26

genişliği ile karekterize edilir ve kristalit boyutu kırınım piklerinin genişliğinden

hesaplanabilir XRD metodunun belirli avantajları analiz hava ortamında yapılır geniş

yuumlzeyli oumlrnekler kuumlccediluumlk bir hazırlıkla kullanılabilir ve analizin yıkıcı olmayan doğasıdır

(Yacobi 2003)

X ışını kırınımının keşfinden hemen sonra Laue x ışını kırınımı desenlerini

elektromanyetik dalgaların atomlardaki elektronlar tarafından saccedilılmasını goumlz oumlnuumlne

alarak teorik ccedilıkarımına girişti Bir başka ccedilıkarım x ışınlarının atomik duumlzlemde

yansıtıldığını kabul eden Bragg tarafından yapıldı Lauenin yaklaşımı daha kesin

olmakla birlikte Braggınkiyle aynı sonuccedilları verir

322 Bragg Yasası

Bragg x ışını dalgalarının kristal duumlzlemlerimden yansıtıldığını kabul ederek

kristallerden kırılan x ışını kırınımı iccedilin yasayı belirledi ve bunu yansıyan ışınların

girişimi iccedilin optik yasalara uyguladı

Şekil 33 X ışınlarının atomlar arası duumlzlemde kırılması PP QQ ve RR bir kristalde birbirini takip

eden birbirinden d kadar uzakta paralel atom duumlzlemlerini goumlstermektedir

λ dalga boyuna sahip olan PP duumlzlemine gelen bir AB x ışını θ accedilısıyla

gelmektedir Bu ışın Bden yansıyarak BC doğrultusunda yansıyor Yine bir başka

paralel AB doğrultusunda gelip yan duumlzlemde BC doğrultusunda yansımaktadır BL ve

BMyi Bden normal olarak duumlşuumlnuumlrsek (BL+BM) yol farkı 2dsin θ eşittir

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

27

Bu paralel ışınlar yapıcı girişim yaparlarsa

2d sin θ=nλ (31)

olmalıdır n bir tam sayıdır Işınların θ accedilısıyla kırınıma uğraması Bragg yasası olarak

ifade edilir ve θ Bragg accedilısı olarak bilinir Kırınımın gerccedilekleşebilmesi iccedilin d uzaklığı

λ2den daha kuumlccediluumlk olmalıdır

Eğer duumlzlemlerin Miller indisleri hk ve l ise bir a oumlrguuml sabitine sahip kuumlbik

kristal iccedilin kırınım bağıntısı aşağıdaki gibidir

2 sin θ

2

2

2

(32)

Daha az simetrik kristaller iccedilin bu ilişki daha karmaşıktır

33 Optik Oumlzellikler

331 Soğurma Olayı Doğrudan ve Dolaylı Geccedilişler

Bir kristal duumlzlemine gelen elektromanyetik dalganın kristalde bulunan

elektriksel yuumlklerle etkileşmesi sonucu enerji kaybına uğraması soğurma olarak

adlandırılır Yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıklarını belirlemede en ccedilok kullanılan

youmlntem optik soğurma metodudur Soğurma işleminde yarıiletken malzeme uumlzerine

duumlşuumlruumllen bir foton yarıiletkendeki bir elektronu duumlşuumlk bir enerji seviyesinden daha

yuumlksek bir enerji seviyesine uyarır x kalınlığına sahip bir ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ve

malzemeyi geccedilen ışın şiddeti arasındaki bağıntı

xeII 0

olarak yazılabilir Burada I0 ince film uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın yoğunluğu I ince

filmden geccedilen ışığın yoğunluğu x ışığın ince film iccedilerisinde aldığı yolu (ince film

kalınlığını) ve α ise kullanılan malzemenin (yarıiletkenin) soğurma katsayısıdır

(33)

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

3MATERYAL VE METOT

28

Şekil 34 İnce bir filmdeki soğurma

Kristal ve amorf yarıiletkenlerde iki ccedileşit bant geccedilişi soumlz konusudur Bunlar

Şekilde goumlsterilen doğrudan ve dolaylı bant geccedilişlerdir Doğrudan geccediliş durumu

malzemenin değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumunun aynı

momentuma sahip olması durumunda goumlruumlluumlr Şekil 35rsquode değerlik bandındaki bir

elektron momentum değerinde değişme olmadan bir foton soğurur ve fotondan aldığı

enerji ile iletim bandına geccediler

Dolaylı bant aralığına sahip malzemelerin iletim bandının minimum enerjisi

değerlik bandının maksimumunundakinden farklıdır İletim bandındaki elektronlar hızlı

bir şekilde minimum bant enerjisine inerler Aynı oumllccediluumlde hollerde değerlik bandının

maksimumuna ulaşırlar Bundan dolayı doğrudan geccedilişli bir yarıiletkenin elektron ve

Şekil 35 Doğrudan geccedilişli ve dolaylı geccedilişli bant aralıklarının goumlsterimi

deşiklerin momentumları eşit iken dolaylı geccedilişli yarıiletkenlerin bu momentumları eşit

değildir Bu sonuccedil azınlık taşıyıcıların oumlmuumlrleri ve yarıiletkenlerin optik oumlzelliklerinin

sonucudur

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

29

3311 Doğrudan Bant Geccedilişi

hν enerjiye sahip bir foton doğrudan bant geccedilişli bir yarıiletkene geldiğinde bir

elektronu değerlik bandından iletim bandına geccedilirir Ei yarıiletkende ilk durum Es son

durum enerjisi olmak uumlzere enerji farkı

is EEh (34)

denklemi ile verilmektedir Parabolik bantlarda ise

2

2 e

gsm

pEE

(35)

Ve

2

2 h

im

pE

(36)

ifadeleri ile belirlenir Burada me elektronun etkin kuumltlesi mh holuumln etkin kuumltlesini

goumlstermektedir Denklem 332 333 ve 334 duumlzenlendiğinde

2 11

2 he

gmm

pEh (37)

bağıntısı ile elde edilir Doğrudan bant geccedilişinde α ile ν arasındaki bağıntı

m

gEhh )( (38)

denklemi ile verilir Burada sabit sayı m 12 izinli geccediliş veya 32 yasaklı geccediliş

değerlerini alabilen bir sabittir Ayrıca denklem 38rsquode α ν değerini sıfır yapan değer

yarıiletkenin yasak enerji aralığı değerini vermektedir

3312 Dolaylı bant geccedilişi

Değerlik bandının maksimumu ile iletkenlik bandının minimumunun

momentumlarının farklı olduğundan elektron momentumunun korunması iccedilin foton

soğurma olayı ilave bir parccedilacık iccedilermelidir Bu durumda momentum korunumu iccedilin bir

fotonun emisyonu veya soğurulması gereklidir Fonon soğurulmasında soğurulma

katsayısı

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

3MATERYAL VE METOT

30

1)exp(

)(

kTE

EEhh

ph

m

phg

s

(39)

ve

)exp(1

)(kTE

EEhh

ph

m

phg

e

(310)

olarak yazılabilir Burada s soğurma katsayısı ve e emisyon katsayısı Eph fonon

enerjisidir Her iki olasılıkta imkan dahilinde olduğu iccedilin

)()()( hhh es (311)

olarak yazılabilir Accedilık bir şekilde yazıldığında

)exp(11)exp()(

kTE

EEh

kTE

EEhh

ph

m

phg

ph

m

phg

(312)

halinde yazılır Burada m dolaylı bant geccedilişli bir yarıiletken iccedilin 2 izinli geccediliş veya 3

yasaklı geccediliş değerlerini alabilen bir sabiti goumlstermektedir

332 Geccedilirgenlik

Geccedilirgenlik bir numuneden geccedilen ışığın şiddetinin numuneye gelen ışığın

şiddetine oranı olarak tanımlanmaktadır ve denklem 313 eşitliği ile ifade edilir

(313)

İletim ve bir ortamdan yansıma her ikisi de ortamın kırıcılık ve soğurma

oumlzelliklerine bağlıdır Bu nedenle etkileşimler her zaman zorunlu olarak geccedilirgenlik

yansıma ve soğurma gibi sınıflandırılmaz Geccedilirgenlik accedilıkccedila gazlardaki (reaktoumlr

duvarlarından yansımalar hariccedil) soğurma ile goumlzlenir ( Herman 1996)

Optik geccedilirgenlik ya da soğurma oumllccediluumlmleri optik soğurma katsayıları ve belirli

safsızlıkları belirlemek iccedilin kullanılır Sığ seviye safsızlıkları optik oumllccediluumlmlere karşılık

gelir Belirli safsızlıklar titreşimsel modlardan dolayı karakteristik soğurma ccedilizgilerine

sahiptir oumlrneğin silisyum iccedilindeki oksijen ve karbon gibi Bir yarı iletken iccedilinde

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

31

soğurulan foton belirli safsızlıklar etrafında yerel titreşim modları uumlreterek ani ccedilevresel

değişiklik yapabilir Geccedilirgenlik oumllccediluumlmleri sırasında ışık oumlrneğe gelir ve geccedilirgenlik

dalga boyunun bir fonksiyonu olarak oumllccediluumlluumlr Numunenin yansıma katsayısı R

soğurma katsayısı α kompleks kırıcılık indisi n1ndashjk1 ve kalınlığı x ile karakterize

edilir Soğurma katsayısı soumlnuumlm katsayısına k1 aşağıdaki gibi bağımlıdır

α 4 1

λ

(314)

Yarı iletkenin bant aralığı gelen fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak

soğurma katsayısının oumllccediluumlmuumlnden bulunabilir Bant aralığından daha buumlyuumlk enerji ile

gelen ışık emilir Fakat soğurma ν yakınında optik bant aralığı (Eg) iccedilin makul

sayılacak miktarda duumlşuumlktuumlr Yarı iletkenler enerjisi bant aralığı enerjisinden daha

duumlşuumlk fotonlar iccedilin genellikle şeffaftırlar (αasymp0)

Bir yarı iletken oumlrnek iccedilindeki safsızlıklar soğurma goumlsterebilir Buna oumlrnek

olarak silisyum iccediline nuumlfuz etmiş oksijen ve silisyumla yer değiştirmiş karbon

goumlsterilebilir Onların yoğunluğu belirli dalga boylarındaki soğurma katsayısıyla doğru

orantılıdır

Geccedilirgenlik ve soğurma arasındaki ilişki ise

A = ndashlogT (316)

eşitliği ile verilir Soğurma katsayısının yansıma katsayısı ve geccedilirgenlik

katsayısı ile ilişkisi

α 1

xln

(1 )2

2 (1 )

4

4 2

2

12

(317)

eşitliği ile verilir

Yarıiletken malzeme uumlzerine duumlşuumlruumllen ışığın malzeme ile yaptığı

etkileşmelerden biri de kırılmadır Kırılma olayı ışının yarıiletken malzemeye dik

geldiği durumlarda malzemenin iccediline geccedilerken youmln değiştirmesidir Yarıiletken bir

malzeme iccedilin kompleks kırılma indisi (n) olmak uumlzere

n = no ndash ik (318)

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

3MATERYAL VE METOT

32

eşitliği ile verilir Burada n0 kırılma indisinin gerccedilel kısmı k değeri ise kırılma indisinin

sanal kısmıdır veldquosoumlnuumlm katsayısırdquo olarak ifade edilir Kırılma indisinin yansıma

cinsinden ifadesi denklem 319daki gibidir

n =

ndash

ndash 2ndash

2

(319)

Yarıiletken malzemenin kırılma indisi dalgaboyunun bir fonksiyonudur Yuumlksek kırılma

indisine sahip yarıiletken malzemeler daha fazla yansıtma oumlzelliğine sahip olurlar Atom

numarası arttığında elektron sayısı da artacağından ve kutuplaşma ccediloğalacağından

fotonlar daha fazla etkilenir ve daha fazla kırılmaya uğrarlar Bu nedenle yarıiletken

malzemenin kırılma indisi ve dielektrik sabiti arasında bir ilişki vardır

Yarıiletken bir malzeme iccedilin kompleks dielektrik sabiti (ε) olmak uumlzere

ε = ε1 iε2 (320)

eşitliği ile verilir Yarıiletken bir malzemede yapılan optik oumllccediluumlmler sonucunda yansıma

katsayısı kırılma indisi ve soumlnuumlm katsayısı doğrudan oumllccediluumllebilirken dielektrik sabiti ε

doğrudan oumllccediluumllemez

Dielektrik sabiti ε ve kırılma indisi n arasında

n= (321)

ilişkisi bulunmaktadır Dielektrik sabitinin gerccedilel kısmı

ε1= n2 ndash k

2 (322)

ve sanal kısmı da denklem 323 gibi ifade edilir

ε= 2n (323)

34 Elektriksel Oumlzellikler

341 Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken şekildeki gibi bir manyetik alan iccediline bırakılırsa

manyetik alanın uyguladığı kuvvetten dolayı sapan elektronlar akıma ve manyetik alana

dik bir potansiyel fark oluştururlar Bu olaya Hall etkisi denir ve ilk defa Edwin Hall

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

33

tarafından 1879 yılında keşfedilmiştir Hall etkisi bize taşıyıcı yuumlklerin işareti ve

yoğunluğu hakkında bilgi verdiği gibi manyetik alanın buumlyuumlkluumlğuuml de oumllccediluumllebilir

Yuumlk taşıyıcıları manyetik kuvvetin etkisinde iletkenin kenarlarına doğru itilir

Yuumlklerin kenarlarda toplanması elektriksel kuvvetin manyetik kuvvete eşit hale

gelmesine kadar devam eder Kenarlarda biriken yuumlklerin oluşturduğu potansiyel farka

Hall potansiyeli (VH) denir

Şekil 36 Akım taşıyan iletkene etkiyen manyetik alan ve yuumlklerin durumu

Hall gerilimi

=

n d

(324)

ile ifade edilir

Burada iletkenden geccedilen akım I ile goumlsterilmiştir B uygulanan manyetik alan n

taşıyıcı yoğunluğu ve d ise iletkenin kalınlığıdır Akım Ohm Kanunursquondan

I V R rsquodir Oumlyleyse iletkenin direncini

=

d

(325)

ile ifade edebiliriz Burada iletkenin boyu iletkenin genişliği ve iletkenliktir Bu

direnccedil değeri yine Ohm Kanunursquonda yerine yazılıp akım ccedilekilirse

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- - - - - - - - - - - - - - - - -

-

B

d

VH

b

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

3MATERYAL VE METOT

34

= d

(326)

olur Denklem 326da akım değeri yerine yazılırsa Hall gerilimi denklem 327 gibi

yazılır

=

n

(327)

Buna goumlre VH deneysel olarak oumllccediluumllduumlğuumlnde taşıyıcı yoğunluğu bulunabilir

n

(328)

İletkenlik hesaplanacak olursa

=n =

(329)

Burada Hall katsayısıdır ve denklem 330 gibi yazılır

1

n

(330)

nndashtipi yarıiletkende (n gtgt p)

pndashtipi yarıiletkende (p gtgt n)

Sonuccedil itibariyle Hall katsayısına bakarak malzemenin ne tuumlr bir iletkenlik goumlsterdiğini

bulabiliriz

35 Deneysel İşlemler

351 Altlıkların Temizlenmesi

Bu ccedilalışmada ve 1inccedil 1inccedil kuartz ve University Wafers firmasından alınan 1ndash

10 Ωcm oumlzdirence ve (100) youmlnelimine sahip 2 inccedillik pndashSi ve nndashSi yarı iletkenler

kullanmıştır Yarı iletkeni uumlzerindeki organik kirlerden arındırmak iccedilin oumlnce

trikloroetilenrsquode 10 dakika kaynatılmış ardından sırasıyla aseton ve metanolde 5er

dakika ultrasonik olarak yıkanmıştır Ardından 30 saniye seyreltik HFH2O (110)

ccediloumlzeltisine daldırılmıştır Kuartz malzeme ise sırasıyla aseton ve metanolde 5er dakika

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

35

ultrasonik olarak yıkanmıştır Her basamak sonunda yarı iletken ve cam malzeme 18

MΩ direnccedilli deiyonize suda yıkanmıştır Deiyonize sudan geccedilirilen yarı iletken ve cam

malzeme azot (N2) ortamında kurutulmuş ve vakum odasına yerleştirilmiştir

352 Al katkılı ZnO filmlerin oluşturulması

AZO filmlerin oluşturulması iccedilin Nanovak firmasının uumlrettiği NVTSndash400 bir RF

ve bir DC magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Kullanılan vakum sistemi Şekil

39rsquoda goumlsterilmiştir Bu ccedilalışmada hedef olarak 2 inccedil ccedilapında Kurt Lesker firmasından

alınan ZnO ve Al hedefler kullanılmıştır Vakum odasına yarı iletkenler ve cam altlıklar

konulduktan sonra oumlnce vakum odası basıncı 3times10ndash6

Torr mertebesine duumlşuumlruumllmuumlştuumlr

Daha sonra vakum sisteminden yuumlksek saflıkta Argon gazı geccedilirilerek vakum seviyesi

22times10ndash3

Torr mertebesine getirilmiş ve sırasıyla aşağıdaki işlemler uygulanarak değişik

Al katkı oranına sahip filmler oluşturulmuştur

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

ndashYaklaşık 20 W DC guumlccedil uygulanarak Al film

ndash200 W RF guumlccedil uygulanarak 30 nm kalınlığında ZnO film

Filmlerin kalınlığı saccediltırma sistemine entegre bulunan SQM 160 kalınlık oumllccedilme

sistemi ile kontrol edilmiştir Tavlama oumlncesinde oluşturulan yapı şekil 37de

goumlsterilmiştir

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

3MATERYAL VE METOT

36

Saccediltırma işleminden sonra oluşturulan filmler 500 degCrsquoye ayarlanmış fırın

iccedilerisine konulmuş ve azot ortamında 30 dakika tavlanmıştır Boumlylece Al atomlarının

ZnO katmanlarına nuumlfuz etmeleri sağlanmıştır Elde edilen Al katkılı filmlerden Al

katman kalınlığı 15 nm olan filmler 1AZO katman kalınlığı 3 nm olan filmler 2AZO

olarak kodlanmıştır

Şekil 38 ZnO ve Al katkılama işlemlerinin gerccedilekleştirildiği vakum sistemi

30 nm ZnO Al

Şekil 37 Al katkılı ZnO ince filmlerin yapısı

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

37

353 Yapısal Oumlzelliklerin Belirlenmesi

Yapılan bu ccedilalışmada katkısız ve Al katkılı ZnO filmlerinin xndashışını kırınım

desenleri Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ 15413 Aring dalga boylu CuKα ışını

kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

354 Yuumlk Taşıyıcıların Yoğunluğu ve Oumlzdirencinin Oumllccediluumllmesi

Tavlamadan sonra filmlerin elektrik iletkenliği oumlzdirenci ve taşıyıcı yuumlk

yoğunlukları Ecopia HMS 3000 Hall Measurement System ile oumllccediluumllduuml

Şekil 39 Ecopia Hall etkisi oumllccediluumlm sistemi

355 Optik Parametrelerin Belirlenmesi

Optik oumlzelliklerin tayin edilmesi iccedilin filmlerin geccedilirgenlik ve soğurma oumllccediluumlmleri

Shimadzu UVndash3600ndashUVndashVISndashNIR spektrofotometre ile alındı AZO filmlerin optik

bant genişlikleri soğurma verileri kullanılarak (α ν)2ndashenerji grafiğinden hesaplandı

356 Gama Işını Etkisinin Goumlzlenmesi

Filmler uumlzerine gama ışımasının etkisini goumlrebilmek iccedilin filmler yaklaşık 10 kGy

şiddetinde 60

Co kaynağı altında gama ışımasına maruz bırakıldı Yapılan buumltuumln bu

oumllccediluumlmler filmler gama ışımasına maruz bırakıldıktan sonra tekrar yapıldı

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

3MATERYAL VE METOT

38

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

39

4 BULGULAR ve TARTIŞMA

41 Giriş

Bu boumlluumlmde saf ve ccedileşitli oranlarda Al katkılanmış ZnOrsquoun optik ve elektriksel

karakterizasyonu incelenecektir

42 X Işını Kırınım Oumllccediluumlmleri

İnce filmlerin kristal yapıları Bruker D8 DISCOVER xndashışını cihazında λ=15413

Aring dalga boylu CuKα ışını kullanılarak 20ordm le 2θ le 60ordm sınır değerlerinde incelenmiştir

Şekil 41 Şekil 42 ve Şekil 43te katkılı ve Al katkılı ZnO filmlerin xndashışını kırınım

desenleri goumlsterildi Xndashışını kırınım deseninde goumlzuumlken piklerin youmlnelimleri belirlendi

Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal (wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli

youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı

Şekil 41 Katkısız ZnO filmi x ışını kırınım deseni

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

4BULGULAR VE TARTIŞMA

40

Şekil 42 1AZO x ışını kırınım deseni

Şekil 43 2AZO x ışını kırınım deseni

43 Optik Oumllccediluumlmler

Optik oumlzellikleri incelenen katkısız ve Al katkılı ZnO ince filmler RF ve DC

magnetron saccediltırma youmlntemiyle biriktirilmiştir Filmlerin soğurma spektrumları 220ndash

2600 nm arasında Shimadzu UVndash3600 UVndashVISndashNIR spektrometre cihazında oumllccediluumllduuml

İnce filmlerin soğurma optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinin altlıkların soğurma

optik geccedilirgenlik ve yansıma değerlerinden etkilenmemesi iccedilin kaplanmamış camdan

geccedilen ışın normalize edildi İnce filmlerin soğurma değerlerinin dalga boyuna goumlre

değişimi Şekil 44 Şekil 45 ve Şekil 46deki gibidir ZnO ve 1AZO ve 2AZO iccedilin

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

41

soğurma değerlerinde yaklaşık 370 nmde hızlı bir artış goumlruumllmektedir Grafiklerden

2AZO filminin soğurmasının en fazla değer aldığını ve katkı oranı arttıkccedila soğurma

değerlerinin arttığı goumlruumllduuml Optik soğurma değerlerinin gama radyasyonundan sadece

goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinin mavindashUV boumllgesinde az bir değişime neden olduğu goumlruumllduuml

431 Elde Edilen İnce Filmlerin Yasak Enerji Aralıkları

Bu ccedilalışmada filmlerin yasak enerji aralığının belirlenmesinde optik soğurma

metodundan faydalanılmıştır Optik soğurma metodu yarıiletkenlerin yasak enerji

aralığının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak

kullanılır Elde edilen filmler iccedilin yasak enerji aralıkları yaklaşık aynı olduğundan

sadece katkısız ZnO filmi iccedilin Şekil 47deki grafik ekstrapole edilerek yasak enerji

aralıkları bulunmuş ve bulunan değerler Ccedilizelge 41de verilmiştir Bulunan değerlerden

aluumlminyum katkısının ve gama radyasyonunun ince filmlerin yasak enerji aralıklarına

katkısının ccedilok az olduğu goumlruumllduuml

Ccedilizelge 41 İnce filmlerin yasak enerji aralıkları

ZnO 1AZO 2AZO

Gama Radyasyonu

Oumlncesi Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

Gama Radyasyonu

Sonrası Optik Bant

Aralığı

328 eV 327 eV 328 eV

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

4BULGULAR VE TARTIŞMA

42

Şekil 44 Katkısız ZnO filmi soğurma grafiği

Şekil 45 1AZO soğurma grafiği

Şekil 46 2AZO soğurma grafiği

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

43

Şekil 47 İnce filmlerin iccedilin (α h)2 ndashenerji grafikleri (a) Katkısız ZnO filmi yasak enerji bant aralığı (b)

1AZO filmi yasak enerji bant aralığı (c) 2AZO filmi yasak enerji bant aralığı

İnce filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin dalga boyuna goumlre değişimi Şekil

48 Şekil 49 Şekil 410deki gibidir Goumlruumlnuumlr ışık boumllgesinde Al katkı oranı arttıkccedila

geccedilirgenliğin azaldığı goumlruumllduuml Filmlerin optik geccedilirgenlik değerlerinin katkısız ZnO

1AZO ve 2AZO iccedilin sırasıyla 373 nm 380 nm ve 380 nm değerlerinden itibaren ani

olarak artarken yansımada ise hızlı bir azalış goumlzlendi 400ndash800 nm dalgaboyu

aralığındaki ortalama geccedilirgenlik değerleri ZnO filmi iccedilin 8652 iken 2AZO filmi

iccedilin azalarak 5361 değerine duumlşmuumlştuumlr

Kısa dalga boylarında fotonların enerjilerinde arttığından fotonların elektron

atomlar veya kristal molekuumllleriyle daha fazla etkileşmeleri ve daha fazla yansıtılması

beklenir Aluumlminyum katkı oranı arttıkccedila yansıma değerlerinin arttığı goumlzlenmiştir

Şekil 48 ZnO filmi geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

4BULGULAR VE TARTIŞMA

44

Şekil 49 1AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

Şekil 410 2AZO geccedilirgenlik ve yansıma grafiği

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

45

Geccedilirgenlik ve yansıma spektrumlarından yararlanılarak optik sabitler

hesaplanabilir Denklem 319 eşitliğinden yararlanılarak kırılma indisi n hesaplandı ve

dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 411 Şekil 412 Şekil 413da goumlsterildi Soumlnuumlm

katsayısı k hesaplandı ve optik sabitlerin dalgaboyuna karşı grafikleri Şekil 413 Şekil

414 ve Şekil 415de verilmiştir Gelen fotonun dalga boyu azaldıkccedila (yani fotonun

enerjisi arttıkccedila) soumlnuumlm katsayısının ve kırılma indisinin arttığı goumlruumllmektedir Bunun

nedeni gelen fotonun enerjisinin artmasından dolayı elektronlarla daha fazla

etkileşmesindendir Aluumlminyum katkılandığında kırılma indisi ZnO filme goumlre 1AZO

filmde azalırken 2AZO filmde arttığı goumlzlendi

Şekil 411 ZnO filmi dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 412 1AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

4BULGULAR VE TARTIŞMA

46

Şekil 413 2AZO dalgaboyuna karşı kırılma indisleri grafiği

Şekil 414 ZnO filmi dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

47

Şekil 415 1AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

Şekil 416 2AZO dalgaboyuna karşı soumlnuumlm katsayısı grafiği

44 Elektriksel Oumllccediluumlmler

Filmlerin oumlzdirenccedil değişimleri incelendiğinde ZnO ince filmin oumlzdirencinin Al

katkılı filmlerle karşılaştırıldığında Al katkı miktarı arttıkccedila oumlzdirenccedillerin azaldığı

goumlruumllduuml Bunu Al atomlarının taşıyıcı yuumlk yoğunluğuna katkısına atfedildi Taşıyıcı

yoğunluğu ve mobilitedeki değişimlerin oumlzdirenccedil ile uyum iccedilerisinde olduğu goumlruumllduuml

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

4BULGULAR VE TARTIŞMA

48

Ccedilizelge 42 İnce filmlerin elektriksel oumlzellikleri

Gama radyasyonu oumlncesi Gama radyasyonu sonrası

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Oumlzdirenccedil

(Ωcm)

Taşıyıcı Yuumlk

Yoğunluğu (cm3)

Katkısız ZnO 881E+00 567E+12 257E+02 158E+09

1 AZO 701Endash02 116E+15 231Endash02 472E+13

2 AZO 336Endash04 272E+17 404Endash02 810E+14

Gama radyasyonu sonrası oumlzdirenccedil değerlerinde bir artma goumlzlendi Bunun

sebebinin yuumlksek enerjili gama ışınlarının Zn ve O atomlarının arasındaki bağları

bozmasına kristal yapının bir miktar bozulması sonucu bazı yapı kusurlarının elektrik

iletkenliğini azaltması olduğu kararına varıldı

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

49

5 SONUCcedilLAR ve OumlNERİLER

ZnO ve metal katkılı ZnO yapılar uumlzerine yapılan araştırmalar artarak devam

etmektedir Araştırmaların bir boumlluumlmuuml yeni yarıiletken malzemelerin hazırlanması

youmlnuumlnde gelişirken bir boumlluumlmuuml de bu yarıiletkenlerin elektronik oumlzelliklerinin

belirlenmesi ve bu oumlzelliklerden faydalanılarak yeni şeffaf metalndashyarıiletken devre

elamanları geliştirmeyi amaccedillar

Bu tezde oumlnce elektriksel devre elemanlarının uumlretiminde kullanılmak ve guumlneş

pili uygulamalarında kullanmak amacıyla ccedileşitli altlıklar uumlzerine ince filmler

oluşturulmuştur Bu işlem iccedilin ccedilift magnetronlu saccediltırma sistemi kullanılmıştır Daha

sonra tuumlp fırın iccedilerisinde Argon gazı geccedilirilerek tavlandı Boumlylece Al atomlarının ince

filmde ZnO yapısı iccediline nuumlfuz etmesi sağlandı Sonuccedil olarak pndashSi nndashSi ve quartz

altlıklar uumlzerine 150 nmden 180 nmye değişik kalınlıkta Al katkılı ZnO ince filmi

kaplanmıştır

Yapının karanlıkta elektriksel oumlzellikleri Hall etkisi sistemiyle tayin edildi

Yapılan oumllccediluumlmler sonunda yapının oumlzdirencinin literatuumlrdeki diğer ccedilalışmalarla benzer

oumlzelliklere sahip olduğu goumlruumllmuumlştuumlr Daha sonra Al katkılı ZnO ince filmlerin optik

oumlzelliklerinin tayin edildi Bazı optik parametreler oumllccediluumlm sonuccedillarına dayanarak teorik

olarak hesaplandı Teorik hesaplamaların deneysel sonuccedillarla uyum iccedilinde olduğu

goumlruumllduuml Mevcut filmlerin kristal yapısının belirlenmesi iccedilin x ışını kırınım deseninden

faydalanarak kristal yapısı belirlendi X ışını kırınım deseninden filmin duumlzguumln bir

kristal yapıya sahip olduğu goumlruumllduuml Elde edilen buumltuumln ZnO filmlerinin hekzagonal

(wurtzite) yapıda oldukları ve tercihli youmlnelimlerinin (002) olduğu anlaşıldı Daha oumlnce

yapılan ccedilalışmalarda bu sonuccedillara benzer sonuccedillar elde edilmiştir Filmler tuumlm oumllccediluumlmler

alındıktan sonra gama radyasyonuna maruz bırakılmıştır Gama radyasyonuna maruz

bırakıldıktan sonra elektriksel iletkenliğin azaldığı goumlruumllduuml Optik oumlzellikler bakımından

radyasyon sonucunda oumlnemli bir değişiklik goumlzlenmemiş fakat optik soğurma

değerlerinin radyasyon sonucunda arttığı goumlzlendi

Bu ccedilalışmanın değişik metallerin değişik katkı oranlarıyla tekrarlanması halinde

radyasyona daha dayanıklı şeffaf metal oksitlerin sentezlenebileceği duumlşuumlnuumllmektedir

Bu metal oksitler oumlzellikle uzay mekiklerinin ekipmanlarında kullanılabilir

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

5SONUCcedil VE OumlNERİLER

50

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

51

6 KAYNAKLAR

Abduev A K A K Akhmedov ve ark 2010 Effect of growth temperature on

properties of transparent conducting gallium-doped ZnO films Semiconductors 44(1)

32-36

Abdullah H S Selmani ve ark 2011 ZnOSn Deposition by Sol-gel Method

Effect of Annealing on the Structural Morphology and Optical Properties Sains

Malaysiana 40(3) 245-250

Abu El-Fadl A E M El-Maghraby ve ark 2004 Influence of gamma radiation

on the absorption spectra and optical energy gap of Li-doped ZnO thin films Crystal

Research and Technology 39(2) 143-150

Aghamalyan N R R K Hovsepyan ve ark 2010 Gamma-irradiation effect on

transparent conducting ZnOGa films Journal of Contemporary Physics-Armenian

Academy of Sciences 45(1) 33-41

Ahn C H W S Han ve ark 2009 Ga-doped ZnO nanorod arrays grown by

thermal evaporation and their electrical behavior Nanotechnology 20(1)

Ahuja R Fast L Eriksson O Wills JM ve Johansson B 1998 Elastic and

high pressure properties of ZnO Journal of Applied Physics 83 8065

Aksoy S Y Caglar ve ark 2010 Effect of Sn dopants on the optical and

electrical properties of ZnO films Optica Applicata 40(1) 7-14

Alarcon J S Ponce ve ark 2011 Effect of gamma-irradiation on the growth of

ZnO nanorod films for photocatalytic disinfection of contaminated water Journal of

Colloid and Interface Science 364(1) 49-55

Ali G M ve P Chakrabarti 2010 Performance of ZnO-Based Ultraviolet

Photodetectors Under Varying Thermal Treatment Ieee Photonics Journal 2(5) 784-

793

Allenic A W Guo ve ark 2007 Synthesis and properties of p-type nitrogen-

doped ZnO thin films by pulsed laser ablation of a Zn-rich Zn3N2 target Journal of

Materials Research 22(8) 2339-2344

Archibald P Parent E 1976 Solid State Technology 19 32ndash40

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

6KAYNAKLAR

52

Asil H E Gur ve ark 2009 Electrochemical growth of n-ZnO onto the p-type

GaN substrate p-n heterojunction characteristics Applied Physics Letters 94(25)

Banerjee P W J Lee ve ark 2010 Structural electrical and optical properties

of atomic layer deposition Al-doped ZnO films Journal of Applied Physics 108(4)

Bantounas I S Goumri-Said ve ark 2011 Ab initio investigation on the

magnetic ordering in Gd doped ZnO Journal of Applied Physics 109(8)

Bates CH White WB ve Roy R 1962 New high-pressure polymorph of

zinc oxide Science 137 993

Bhattacharyya S R ve S Majumder 2010 Synthesis Of Al Doped ZnO Films

By Sol-Gel Technique Functional Materials Letters 3(2) 111-114

Brandt M H von Wenckstern ve ark 2008 High electron mobility of

phosphorous-doped homoepitaxial ZnO thin films grown by pulsed-laser deposition

Journal of Applied Physics 104(1)

Brauer G J Kuriplach ve ark 2011 Activities towards p-type doping of ZnO

International Workshop on Positron Studies of Defects (Psd 08) 265

Bunn CW 1935 Proceedings of the Physical Society 47 835

Carlsson JM 2002 A FirstndashPrinciples Study of Interface Systems Electronics

Properties of Metal Quantum Wells and Varistor Materials PhDThesis Goumlteborg

University

Chang P C and J G Lu 2008 ZnO Nanowire Field-Effect Transistors Ieee

Transactions on Electron Devices 55(11) 2977-2987

Chattopadhyay S T K Nath ve ark 2011 Enhancement of room temperature

ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 323(8) 1033-1039

Chavillon B L Cario ve ark 2012 P-Type Nitrogen-Doped ZnO

Nanoparticles Stable under Ambient Conditions Journal of the American Chemical

Society 134(1) 464-470

Chen S J K Suzuki ve ark 2009 Room temperature ferromagnetism in

nanostructured ZnO-Al system Applied Physics Letters 95(17)

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

53

Choi B G I H Kim ve ark 2005 Electrical optical and structural properties

of transparent and conducting ZnO thin films doped with Al and F by rf magnetron

sputter Journal of the European Ceramic Society 25(12) 2161-2165

Czternastek H 2004 ZnO thin films prepared by high pressure magnetron

sputtering Opto-Electronics Review 12(1) 49-52

Damen TC Porto SPS and Tell B 1966 Physical Review 142 570

Desgreniers S 1998 High-density phases of ZnO structural and compressive

parameters Physical Review B Condensed Matter 58 14102

Dhananjay J Nagaraju ve ark 2007 Investigations on zinc oxide thin films

grown on Si(100) by thermal oxidation Materials Science and Engineering B-Solid

State Materials for Advanced Technology 137(1-3) 126-130

Ding P X H Pan ve ark 2012 Growth of p-type a-plane ZnO thin films on r-

plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy Materials Letters

71 18-20

Dong L T F Pei ve ark 2011 Deposition of ZnOAl thin films by ultrasonic

spray pyrolysis Advances in Composites Pts 1 and 2 150-151 1617-1620

Dong X H C Zhu ve ark 2007 ZnO-based homojunction light-emitting

diodes fabricated by metal-organic chemical vapor deposition Semiconductor Science

and Technology 22(10) 1111-1114

Fang T H ve S H Kang 2010 Physical Properties of ZnO Al Nanorods for

Piezoelectric Nanogenerator Application Current Nanoscience 6(5) 505-511

Galli G and Coker JE 1970 Applied Physics Letters 16 439

Gerward L ve Olsen JS 1995 The high-pressure phase of zincite Journal of

Synchrotron Radiation 2 233

Gledhill S A Grimm ve ark 2011 Doping induced structural and

compositional changes in ZnO spray pyrolysed films and the effects on optical and

electrical properties Thin Solid Films 519(13) 4293-4298

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

6KAYNAKLAR

54

Gomez H A Maldonado ve ark 2007 Properties of Al-doped ZnO thin films

deposited by a chemical spray process Materials Characterization 58(8-9) 708-714

Guskos N S Glenis ve ark 2010 Magnetic study of Fe(2)O(3)ZnO

nanocomposites Physica B-Condensed Matter 405(18) 4054-4058

Hao Y M S Y Lou ve ark 2012 Novel magnetic behavior of Mn-doped ZnO

hierarchical hollow spheres Journal of Nanoparticle Research 14(1)

Heiland G and P Kunstmann 1969 Polar surfaces of zinc oxide crystals

Surface Science 13(1) 72-84

Heo YW Norton DP Tien LC Kwon Y Kang BS Ren F Pearton

SJ ve LaRoche JR 2004 Materials Science amp Engineering R-Reports 47 1

Herman I P 1996 Optical Diagnostics for Thin Film Processing Academic

Press Inc San Diego

Huang D Y J Zhao ve ark 2008 Magnetism and clustering in Cu doped ZnO

Applied Physics Letters 92(18)

Hwang D K M S Oh ve ark 2007 ZnO thin films and light-emitting diodes

Journal of Physics D-Applied Physics 40(22) R387-R412

Ikhmayies S J N M Abu El-Haija ve ark 2010 Electrical and optical

properties of ZnOAl thin films prepared by the spray pyrolysis technique Physica

Scripta 81(1)

Jayakumar O D S N Achary ve ark 2010 Experimental and theoretical

investigations on magnetic behavior of (AlCo) co-doped ZnO nanoparticles

Nanoscale 2(8) 1505-1511

Jeong D W J J Kim ve ark 2011 p-type Conduction in ZnO Nanowire

Schottky Field-effect Transistors with Pt Metal Electrodes Journal of the Korean

Physical Society 59(5) 3133-3137

Jeong J A H S Shin ve ark 2010 Flexible Al-doped ZnO films grown on

PET substrates using linear facing target sputtering for flexible OLEDs Journal of

Physics D-Applied Physics 43(46)

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

55

Jia Y Q D M Shi ve ark 2011 Synthesis of Al-doped ZnO Nanoparticles

and its Electromagnetic Performance Smart Materials and Intelligent Systems Pts 1

and 2 143-144 271-276

Karagoz B O Ozdemir ve ark 2011 Determination of Gamma Transmittance

and Density Assessment for Al Doped ZnO Thin Films By using Gamma Transmission

Technique Diffusion in Solids and Liquids Vi Pts 1 and 2 312-315 830-835

Kim C O S Kim ve ark 2010 Effect of electrical conduction properties on

magnetic behaviors of Cu-doped ZnO thin films Physica B-Condensed Matter

405(22) 4678-4681

Kim H A Sohn ve ark 2012 Silver Schottky contacts to Zn-polar and O-polar

bulk ZnO grown by pressurized melt-growth method Semiconductor Science and

Technology 27(3)

Kim H J S Horwitz ve ark 2002 Epitaxial growth of Al-doped ZnO thin

films grown by pulsed laser deposition Thin Solid Films 420 107-111

Klingshirn C 2007 ZnO From basics towards applications Physica Status

Solidi B-Basic Solid State Physics 244(9) 3027-3073

Kou L Z W L Guo ve ark 2008 Piezoelectricity of Zno and Its

Nanostructures Proceedings of the 2008 Symposium on Piezoelectricity Acoustic

Waves and Device Applications 354-359

Koumlhler M Fritzsche W 2007 Nanotechnology An Introduction to

Nanostructuring Techniques Second Edition Wiley-VCH Weinheim

Kumar A M Kumar ve ark 2010 Induction of p-type conduction in sputtered

deposited Al-N codoped ZnO thin films Optics Communications 283(20) 3994-3997

Kumar R S R Sathyamoorthy ve ark 2011 Effect of aluminum doping on the

structural and luminescent properties of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical

method Physica E-Low-Dimensional Systems amp Nanostructures 43(6) 1166-1170

Kwon S S W K Hong ve ark 2008 Piezoelectric Effect on the Electronic

Transport Characteristics of ZnO Nanowire Field-Effect Transistors on Bent Flexible

Substrates Advanced Materials 20(23) 4557-4562

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

6KAYNAKLAR

56

Lee J S Cha ve ark 2011 p-Type Conduction Characteristics of Lithium-

Doped ZnO Nanowires Advanced Materials 23(36) 4183-+

Lee M C Y Chen ve ark (2012) A Hybrid Piezoelectric Structure for

Wearable Nanogenerators Advanced Materials 24(13) 1759-1764

Liu C Yun F and Morkoccedil H 2005 Critical review of ferromagnetism in ZnO

and GaN Journal of Material Science Materials in Electronics (JMS MEL) 16 555

Liu L G ve Bassett WA 1986 Elements Oxides and Silicates High-

Pressure Phases with Implications for the Earthrsquos Interior Oxford University Press

New York

Lu M P J Song ve ark 2009 Piezoelectric Nanogenerator Using p-Type ZnO

Nanowire Arrays Nano Letters 9(3) 1223-1227

Ma Y G Du ve ark 2005 Growth and characteristics of ZnO thin film on

CaF2 (11-21) substrate by metalorganic vapor phase epitaxy Applied Surface Science

243(1-4) 24-29

Maeng W J J W Lee ve ark (2011) Studies on optical structural and

electrical properties of atomic layer deposited Al-doped ZnO thin films with various Al

concentrations and deposition temperatures Journal of Physics D-Applied Physics

44(44)

Mattox D M 1998 Handbook Of Physical Vapor Deposition (Pvd) Processing

Film Formation Adhesion Surface Preparation and Contamination Control Noyes

Publications Westwood

Medved D B 1961 Photoconductivity and chemisorption kinetics in sintered

zinc oxide semiconductor Journal of Physics and Chemistry of Solids 20(3ndash4) 255-

267

Minami T 2005 Semicond Sci Technol 20 35

Mollwo E 1954 Zeitschrift fur Angewandte Physik 6 257

Morrison S R and T Freund 1968 Chemical reactions of electrons and holes

at the ZnOelectrolyte-solution interface Electrochimica Acta 13(6) 1343-1349

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

57

Muth JF Kolbas RM Sharma AK Oktyabrsky S and Narayan J 1999

Journal of Applied Physics 85 7884

Nag S and D P Bhattacharya 2010 Effects of screening of the interaction

potential on the mobility characteristics of degenerate surface layers in compound

semiconductors at low lattice temperatures Superlattices and Microstructures 48(1) 72-

84

Ocak Y S 2010 ‟Organikndashİnorganik Hibrit Yapıların Elektriksel ve

Fotoelektriksel Karakterizasyonu Doktora Tezi Dicle Uumlniversitesi Fen Bilimleri

Enstituumlsuuml Diyarbakır

Ocak YS Kulakci M Turan R KılıccediloğluT Guumllluuml Ouml 2011 Analysis of

electrical and photoelectrical properties of ZnOpndashInP heterojunction Journal of Alloys

and Compounds 509 6631ndash6634

Oh D H No Y S Kim S Y Cho W J Kim J Y Kim T W 2011

Thermal effects on the structural electrical and optical properties of Al-doped ZnO

films deposited on glass substrates Journal of Ceramic Processing Research 12(4)

488-491

Pan ZW Dai ZR andWang ZL 2001 Science 291 1947

Powell CF Oxley JH Blocher Jun JM1966 Vapour Deposition Wiley

New York 1966

Quang L H ve C S Jin 2008 Greatly enhanced optical properties of ZnO

nanorods grown on GaN in aqueous solution by using two-step treatment method

Journal of the Electrochemical Society 155(7) K105-K109

R H Muller and J C Farmer Fast self-compensating spectral-scanning

ellipsometer Rev Sci Instrum 55 (1984) 371ndash374

R M A Azzam and N M Bashara Ellipsometry and Polarized Light North-

Holland Amsterdam (1977)

Reynolds D C Collins T C 1969 Excited terminal states of a bound

excitonndashdonor complex in ZnO Phys Rev 185 1099

Schroder D K 2006 Semiconductor Material And Device Characterization

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

6KAYNAKLAR

58

Third Edition John Wiley amp Sons New Jersey

Schubert M 2004 Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures

Phonons Plasmons and Polaritons Springer Heidelberg (2004)

Shim J B H S Kim ve ark 2011 Growth and optical properties of

aluminum-doped zinc oxide nanostructures on flexible substrates in flexible electronics

Journal of Materials Science-Materials in Electronics 22(9) 1350-1356

Takahata S K Saiki ve ark 2009 Fabrication of a n-type ZnOp-type Cu-Al-

O heterojunction diode by sputtering deposition methods Physica Status Solidi C -

Current Topics in Solid State Physics Vol 6 No 5 6(5) 1105-1108

Thomas D G and J J Lander 1957 Surface conductivity produced on zinc

oxide by zinc and hydrogen Journal of Physics and Chemistry of Solids 2(4) 318-326

Tompkins H G Irene E A 2005 Handbook of Ellipsometry William

Andrew New York

Tompkins H G McGahan W A 1999 Spectroscopic Ellipsometry and

Reflectometry A Userrsquos Guide John Wiley amp Sons Inc New York

Tsurkan AE Fedotova ND Kicherman LV and Pasko PG 1975

Semiconductors 6 1183

Uematsu T and H Hashimoto 1977 Excess electron concentration of pure and

doped zinc oxides Journal of Catalysis 47(1) 48-54

Vanmaekelbergh D and L K van Vugt 2011 ZnO nanowire lasers Nanoscale

3(7) 2783-2800

Wang W W ve T M Wang 2007 Effects of gamma-ray irradiation on

structure and properties of ZnO Al thin film 2006 BIMW 2006 Beijing International

Materials Week Pts 1-4 546-549 2137-2142

Wang ZL 2004 Materials Today 7 26

Y-T Kim R W Collins and K Vedam Fast scanning spectroelectrochemical

Yacobi B G 2003 Semiconductor Materials An Introduction to Basic

Principles Kluwer AcademicPlenum Publishers New York

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

AHMET TOMBAK

59

Yang Q W H Wang ve ark 2011 Enhancing Light Emission of ZnO

Microwire-Based Diodes by Piezo-Phototronic Effect Nano Letters 11(9) 4012-4017

Yang Y G D M Zeng ve ark 2011 Dependence of Film Thickness on

Properties of Al Doped Zno Thin Films Advanced Engineering Materials Pts 1-3 194-

196 2305-2311

Zaoui A and Sekkal W 2002 Local structure of condensed zinc oxide

Physical Review B Condensed Matter 66 174106

Znaidi L T Touam ve ark 2012 ZnO Thin Films Synthesized by Sol-Gel

Process for Photonic Applications Acta Physica Polonica A 121(1) 165-168

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

6KAYNAKLAR

60

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010

61

OumlZGECcedilMİŞ

Adı Soyadı Ahmet TOMBAK

Doğum Yeri SivrihisarESKİŞEHİR

Doğum Tarihi 18031979

Medeni Hali Evli

Yabancı Dili İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise Polatlı İmam-Hatip Lisesi 1995

Lisans ODTUuml Fen Edebiyat Fak Fizik Boumlluumlmuuml 2003

Yuumlksek Lisans Dicle Uumlni Fen Bilimleri Enstituumlsuuml 2012

Ccedilalıştığı KurumKurumlar ve Yıl

Araştırma Goumlrevlisi Batman Uumlniversitesi 2010-helliphellip

Oumlğretmen Oumlzel Eğitim Kurumları 2006ndash2010