Geçirgenlik ve Soğurma Ölçümleri 1. Deneysel Sonuçlar

Örneklerin optiksel özelliklerini belirlemek amacıyla geçirgenlik ve soğurma spektrumları alınmıştır. Bu amaçla bölüm 7.2 de anlatılan Celal Bayar Üniversitesi Lüminesans Araştırma Laboratuarında bulunan Perkin Elmer Lambda UV-VIS-NIR 950 spektrofotometre kullanılmıştır.

Hem geçirgenlik hem de soğurma spektrumları 200-800 nm dalgaboyu aralığında ve 1 nm hassasiyetle ölçülmüştür. Sistemde bulunan yarıklar 1 nm olarak ayarlanmıştır.

Yapılan literatür taramasında, Cu ve Tb ile bombalanmış ZnO örneklerinin optiksel özelliklerinin detaylı olarak incelendiği çalışmalara çok az rastlanmaktadır. Önceki çalışmalarda düşük enerjili iyonlarla bombalama sayesinde Cu nanoparçacıkları doğrudan oluşturulmaktaydı.

Ancak burada parçacık boyutu o derece küçüktür ki, bombalama sonrası tavlama gereklidir [78-80]. Bunun yanı sıra, düşük doz ve enerjilerde bombalamanın ardından ne kadar tavlama yapılırsa yapılsın metal nanoparçacıkları oluşmaz. Bu nedenle literatürdeki bu eksiklik tezde temel teşkil etmiş ve çalışmada nispeten yüksek enerji ve yüksek doz miktarları kullanılmıştır

Şekil 9.17 a ve b de saf ZnO’ e ait soğurma ve geçirgenlik spektrumları verilmektedir. Geçirgenlik spektrumundan, ZnO in 390 nm den sonrasını geçirdiği görülmektedir. Bu nokta ZnO kristalinin enerji bant aralığına karşılık gelmektedir. Şekil 9.17 b ye bakıldığında, 385 nm de eksiton bozunmalarından kaynaklanan bir soğurma piki görülmektedir.

(a)

(b)

Şekil 9.17 ZnO tek kristalinin oda sıcaklığında alınan optiksel geçirgenlik ve soğurma spektrumu

İyonlar Tb ve Cu iyonları ile bombalanmış ZnO kristalinin soğurma ve geçirgenlik spektrumlarına bakıldığında bombalama öncesi ve sonrası, yüksek ve düşük dozlarda, enerji bant aralığının değişmediği, düşük dozlarda bombalamada ise eksitonlardan kaynaklanan etkinin değerinin yok olmadığı, ancak çok azaldığı görülmektedir. Yüksek dozda bombalama sonucunda ise hem soğurma, hemde geçirgenlik değerlerinin değiştiği, eksitonlardan kaynaklanan etkinin tamamen yok olduğu görülmektedir (Şekil 9.18-9.21).

200 300 400 500 600 700 800

Dalgaboyu (nm) 0.5

1.5 2.5 3.5

Soğurma

ZnO:Cu

400 500 600 700 800

0.65 0.85 1.05 1.25 1.45 1x10¹⁶ iyon/cm²

2.5x10¹⁶ iyon/cm² 4.65x10¹⁶ iyon/cm² Saf ZnO

Şekil 9.18 Farklı dozlarda Cu ile bombalanmış ZnO tek kristalinin oda sıcaklığında alınan optiksel soğurma spektrumu

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Dalgaboyu (nm)

0 5 10 15 20 25

% Geçirgenlik

1x10¹⁶ iyon/cm² 2.5x10¹⁶ iyon/cm² 4.65x10¹⁶ iyon/cm² Saf ZnO

ZnO:Cu

Şekil 9.19 Farklı dozlarda Cu ile bombalanmış ZnO tek kristalinin oda sıcaklığında alınan geçirgenlik spektrumu

200 300 400 500 600 700 800

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Dalgaboyu (nm)

Saf ZnO in radyolüminesans spektrumunda ∼390 nm de görülen ve eksitonlardan kaynaklanan keskin pik, iyonlar ile bombalamadan sonra yukarıda anlatıldığı gibi yok olmaktaydı, Tb ve Cu ile bombalanan ZnO in soğurma spektrumlarına bakıldığında bu keskin pikin yok olduğu görülmektedir. Bulunan bu sonuçlar, RL sonuçları ile optiksel soğurma sonuçlarının birbiriyle uyum içerisinde olduğunu göstermektedir.

Cu iyonları ile bombardıman edilen ZnO kristalinin soğurma spektrumunda nanoparçacık oluşumunun görülmemesine karşın, ki bu düşük dozlar için yapılan çalışmalar ile uyum içerisindedir, yüksek dozda Tb iyonları ile bombalanmış örnekte ise bu oluşum ∼530 nm civarında bir soğurma piki olarak görülmektedir. Aynı zamanda bu pik optiksel soğurmanın bir göstergesi olan yokolma tesir kesitinin en büyük değerine tekabül eder. Yokolma tesir kesitleri, Mie Teorisi ile ilgili yazılmış olan bilgisayar programı kullanılarak ta hesaplanmıştır. Bu programla elde edilen değerlerin deneysel olarak elde edilen değerler ile de tam olarak uyuştuğu görülmüştür.

Bu sonuçlar yüksek dozda ZnO’ e bombardıman edilen Tb iyonlarının ZnO içerisinde nanoparçacık oluşturulduğunun kanıtıdır. Bu nanoparçacık oluşumu, yüksek dozda Tb iyonları ile bombardıman edilen ZnO kristalinin, 1000 ^oC ye kadar tavlanmasıyla daha belirgin hale gelmiştir (Şekil 9.22).

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Şekil 9.22 2x10¹⁷ iyon/cm² dozda Tb ile bombalanmış ZnO tek kristalinin 700-1000 ^oC de 1 saat tavlandıktan sonra alınan geçirgenlik spektrumu

Optiksel geçirgenlik, tavlama neticesinde azalmıştır. Bunun sebebi; burada oluşan nanoparçacıkların çapının sıcaklıkla büyüyerek saçılmayı arttırması ve saçılmanın artmasıyla geçirgenliğin azalmasıdır.

Çünkü parçacık boyutu büyüdükçe saçılma artacaktır. Buna bağlı olarak soğurma sabit kalacak fakat geçirgenlik azalacaktır. Farklı akıda Tb iyonlarıyla bombalanmış ZnO in soğurmasının dalgaboyuna göre değişimi nanoparçacık oluşumunun 2x10¹⁷ iyon/cm² lik Tb iyonlarıyla bombalanmış örnekte daha belirgin halde gözlenebildiğini göstermektedir.

ZnO kristalinin optiksel soğurma spektrumunda 3,29-3,3 eV enerji aralığında eksiton soğurulması görülmektedir (Şekil 9.23). Bu

ifadelerden iletkenlik bandına yakın bölgelerdeki eksitonların enerji seviyeleri hesaplanabilmektedir.

3.18 3.20 3.22 3.24 3.26 3.28 3.30 3.32 3.34 3.36 3.38 3.40 Enerji (eV)

Şekil 9.23 ZnO te E_g bant aralığı civarında enerjiye sahip fotonların yarıiletkende optik soğurulmasında eksiton düzeyinin etkisi

şeklinde yazabilir. Bu denklemleri kullanarak ZnO kristalinin eksiton bozunma enerji seviyeleri hesap edilebilir. Burada;

RH=13,6eV Rydberg Sabiti µ=m^*=0,318 m0

ε(0)=8,5

Eb=3,29 ≅ 3,3 eV

dir. Buradan eksiton bağlanma enerjisi E_eks=60 meV bulunur. Verilen değerler ile n=1,2,3,4... seviyelerdeki eksiton enerjileri E_(n) bulunabilir.

E(1)=3,3-0,060 eV E(1)=3,24 eV E(2)=3,3-(0,060/4) E(2)= 3,285 eV E(3)=3,3-(0,060/9) E(3)=3,29 eV E(4)=3,3-(0,060/16) E(4)=3,296 eV dur.

9.4.2. Mie Teorisi ile Hesaplamalar

Burada Mie teorisi ile hesaplama yapabilmek için ZnO, Cu ve Tb un dalgaboyuna göre değişen kırılma indislerine ihtiyaç vardır. Cu ın kırılma indislerinin literatürde olmasına karşın Tb un kırılma indisleri yoktur. Bunun sebebi 250-800 nm dalgaboyuna karşılık gelen Tb un kırılma indisleri ve kompleks kırılma indisleri bu güne kadar Tb’un kolayca oksitlenmesinden dolayı ölçülememiştir. Bu sebeple, vakumlu Tb örneği satın alınarak bu kırılma indislerinin ölçülmesi sağlanmıştır.

Elde edilen kırılma indisleri kullanılarak, yapılan bilgisayar programı ile yokolma tesir kesitleri hesaplanmıştır.

Şekil 9.24 ve 9.25 te, sırasıyla, Cu ve Tb ile bombalanmış ZnO örneklerinin hem deneysel olarak ölçülmüş optiksel soğurma spektrumları hem de Mie teorisi ile hesaplanan yokolma tesir kesiti sonuçları verilmektedir.

Deneysel verilerle karşılaştırmak amacıyla ZnO kristaline gömülmüş olan Cu nanoparçacıkları için benzeşim yapılmış ve yokolma tesir kesitinin dalgaboyu ile değişimi de gösterilmiştir. matematiksel hesaplamalarda ε_Cu optik sabitin karmaşık değeri kullanılmıştır. Böyle bir yaklaşım, parçacık-yalıtıcı ara yüzeyinde saçılan elektronu ve farklı parçacık boyutlarındaki elektron serbest yolu üzerine etki eden sınırlamaları göz önüne alır. Buradaki hesaplamada deneysel olarak bulunan spektrum ile teorik sonuç uyum içersinde değildir.

Hesaplamanın sonucunda da bakır nanoparçacıklarının oluştuğu sonucuna varılmakta ve bu da deneysel spektrumu desteklememektedir.

Deneysel olarak elde edilen spektrum ile hesaplanan arasındaki fark

muhtemelen sentezlenen metal parçacıkların boyuta göre dağılımı ile açıklanabilir. ZnO teki bakır nanoparçacıkların oluşmamasındaki temel faktörün yapılan deneylerde kullanılan düşük iyon akım yoğunluğunun olduğu düşünülmektedir. Bu elde edilen sonuç diğer literatür bilgileriylede uyuşmaktadır. 1x10¹⁷ iyon/cm² doz miktarında ise bu nanoparçacık oluşumunun görülebileceği düşünülmektedir.

400 450 500 550 600 650 700 750 800

Dalgaboyu (nm)

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0.0000

Mie modellemesi 2.5.10¹⁶ iyon/cm²

Şekil 9.24 2.5x10¹⁶ iyon/cm² dozda Cu ile bombalanmış ZnO için deneysel soğurma spektrumu ve 10 nm lik bir parçacık için Mie teorisi ile hesaplanan yokolma tesir kesitinin modellenmesi

Yüksek dozda Tb ile bombardıman edilmiş ZnO kristalinin deneysel ve teorik verileriden bu kristal içerisinde nanoparçacık oluşumunun sağlandığı görülmektedir. Buradaki deneysel ve teorik sonuçlar şekil 9.25 te görüldüğü gibi 530 nm de çakışmaktadır. Böylece hesaplama, deneysel olarak bulunan spektrum ile uyum içersinde

olmakta, hesaplamanın sonucunda da Tb nanoparçacıklarının oluştuğu sonucuna varılmakta ve bu da deneysel spektrumu desteklemektedir.

ZnO teki daha büyük Tb nanoparçacıkların oluşumundaki temel faktörün yapılan deneylerde kullanılan yüksek iyon akım yoğunluğunun olduğu

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0.0000

Mie modellemesi 2.10¹⁷ iyon/cm²

Şekil 9.25 2x10¹⁷ iyon/cm² dozda Tb ile bombalanmış ZnO için deneysel soğurma spektrumu ve 10 nm lik bir parçacık için Mie teorisi ile hesaplanan yokolma tesir kesitinin modellenmesi