İndiyum Antimonid Nano-tellerinin Elektrolitik Alaşım Biriktirme Yöntemiyle Üretilmesi Ve Karakterizasyonu

Anabilim Dalİ: ILERI TEKNOLOJILER Programİ: MALZEME BILIMI ve MU HENDISLIG I

ISTANBUL TEKNIK U NIVERSITESI « FEN BILIMLERI ENSTITU SU

TEMMUZ 2007

INDIYUM ANTIMONID (InSb) NANO TELLERININ ELEKTROLITIK ALASIM BIRIKTIRME YO NTEMIYLE

U RETILMESI VE KARAKTERIZASYONU

YU KSEK LISANS TEZI Fizik Mu h. Berk ALKAN

ISTANBUL TEKNIK U NIVERSITESI « FEN BILIMLERI ENSTITU SU

INDIYUM ANTIMONID (InSb) NANO TELLERININ ELEKTROLITIK ALASIM BIRIKTIRME YO NTEMIYLE

U RETILMESI VE KARAKTERIZASYONU

YU KSEK LISANS TEZI Fizik Mu h. Berk ALKAN

521041017

Tezin Enstitu ye Verildigi Tarih : 16 Mayİs 2007 Tezin Savunuldugu Tarih : 8 Haziran 2007

Tez Danİsmanİ :

_{Doc . Dr. Gultekin GOLLER}

Diger Ju ri U yeleri Prof. Dr. Mustafa U RGEN (ITU .)

Doc. Dr. Levent TRABZON (ITU .)

O NSO Z

Bana inanan ve guvenen, fikirlerimi ve c alşsmalarşmş destekleyen, her zaman bir yol gosterici olarak gordug um ve ornek kabul ettig im deg erli bilim adamlarş,tez danşsmanşm Doc .Dr. Gultekin GOLLERÜe ve Prof.Dr. Mustafa U RGENÜe tesekkur ederim.

C alşsmalarşmş hevesle takip eden, fikir, oneri ve tavsiyelerini esirgemeyen Yar.Doc . Dr. Kursat KAZMANLI ve Aras. Gor. Behiye YU KSELÜe, bana her zaman deg erli vaktlerini ayşran ve bu c alşsmanşn tamamlanmasşnda buyuk rolu olan Huseyin SEZER ve Muberra ASLANÜa, gec saatlere kadar c alşsşp RAMAN spektrumlarşnş alan Vefa EZIRMIKÜe tesekkur ederim.

Beni bu konuda c alşsmaya tesvik eden, c alşsma arkadasşm ve dostum Berk DEMIRELÜe, tezimi duzenlememe yardşmcş olan dostlarşm Selim COSKUN ve Onur MEYDANOG LUÜna tesekkurederim

Her zaman arkamda olduklarşnş hissetig im, sahip oldug um deg erlerin tumunu bana kazandşran, hayatlarşnş og ullarşna adamşs babam Ahmet ALKAN ve annem Sevim ALKANÜa tesekkuru borc bilirim.

IC INDEKILER SEKIL LISTESI vi TABLO LISTESI ix O ZET x 1. GIRIS 1 1.1. C alşsmanşn Amacş 1 2. YARI-ILETKENLER 3 2.1. Bant Teorisi 3

2.2. Tetrahedral Bag lar ve III-V Grubu Bilesik Yarş-iletkenler 8

2.3. Indiyum Antimonid 13

3. EKSITONLAR ve YARI-ILETKEN NANO-KRISTALLERI 19

4. DENEYSEL C ALISMALAR 24

4.1. Amac 24

4.2. Deneylerde Kullanşlan Malzeme, Alet Ve Cihazlar 24

4.2.1. Kullanşlan Malzemeler 24

4.2.2. Kullanşlan Aletler ve Cihazlar 25

4.3. Deneyler ve Karakterizasyon 26

4.3.1. Alasşm Biriktirme Parametrelerinin Belirlenmesi 26

4.3.1.1. Numune Hazşrlama 26

4.3.1.2. Alasşmşn Biriktirilmesi 26

4.3.1.3. Karakterizasyon 29

4.3.2. Anodik Alumina Nano-Sablonlarşn U retimi 29

4.3.2.1. Numune Hazşrlama 29

4.3.2.2. Alumina Nano-Tuplerin U retimi 29 4.3.2.3. Alumina Nano-Sablonlarşn Tamamlanmasş 30 4.3.3. InSb Alasşmşnşn Biriktirilmesi ve Karakterizasyonu 31 4.3.3.1. InSb Alasşmşnşn Biriktirilmesi 31

4.3.3.2. Karakterizasyon 32

5. SONUC LAR ve IRDELEMELER 33

5.2. Nano-Tellerin SEM Goruntuleri ve EDS Analizleri 36 5.3. Filmlerin FT-IR ve RAMAN Spektrumlar 44

6. GENEL SONUC LAR, YORUM ve O NERILER 51

6.1. Sonuc lar ve Yorum 51

6.2. Oneriler 52

KAYNAKLAR 53

SEKIL LISTESI

Sekil 2.1 : a) Serbest elektron modelinde elektronun alabileceg i enerji deg erleri b) yarş serbest elektron modelinde elektronun alabileceg i enerji deg erleriμ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ ... 4 Sekil 2.2 : a) yalştkan bant yapşlasş b) yarş-metal veya metal (bantlarda

dejenerasyon) bant yapşlasş c) Metal enerji bant yapşlasşμ ...

5 Sekil 2.3 _{: Iletim bandşna gec en elektronun dalga vektoru}

e

kρ ise geride bşraktşg ş boslug un dalga vektoru valans bantşn simetrig inde bulunan elektronun dalga vektoru olan −kρ_e kadardşrμ μ μ .

7 Sekil 2.4 : a) dog rudan bant b) dolaylş bant μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ . 8 Sekil 2.5 : a) s ve p yorungeleri ic in tanşmlanan dalga fonksiyonlarşnşn

sekilleri b) Si atomlarş arasşnda bag larş olusturan dort adet sp3-hibrit yorungesi ic in tanşmlanan dalga fonksiyonlarşnşn sekilleriμ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ .

9 Sekil 2.6 : Silisyumuntetrahedral bag larş arasşndaki ac ş, yorungeler bir

dortgenin koselerine yonelmis gibi gorunuyorμ μ μ μ ...

10 Sekil 2.7 : III-V grubu bilesiklerin, bilesen atomlarşnşn buyuklukleriμ .. 13 Sekil 2.8 :Bilesik yarş-iletkenler, kristal parametreleri ve bant aralşklarş

diyagramşμ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ ...

14 Sekil 2.9 : a) yuzey merkezli kubik orgu b) orgu uzerine binen iki

atomlu hucre bazşμ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ .

16 Sekil 2.10 : InSb kristal yapşsş tum noktalarşna In atomlarşnşn yerlestig i

fcc hucrenin ic ine hacim kosegeni uzerinde kosegenin dortte biri noktasşnda kosesi bulunacak sekilde tum

noktalarşna Sb atomlarşnşn yerlestig i bir baska fcc hucrenin oturtulmasşyla da elde edilebilir. gri noktalar;In atomlarşnş, yesil noktalar: birim hucre ic inde kalan Sb atomlarşnş ve kşrmşzş noktalar da hucre dşsşnda kalan Sb atomlarşnş

gostermektedirμ μ μ μ ...

16 Sekil 2.11 : InSb kristalinin brinci Brillouin bolgesiμ μ μ μ μ μ μ μ . 17 Sekil 2.12 : InSb kristalinin bant yapşsşμ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ .. 18 Sekil 2.13 : InSb kristalinin sog urma katsayşsşnşn gelen foton enerjisiyle

deg isimiμ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ ... 18 Sekil 3.1 : a) Eksitonlarşn kristal ic indeki hareketi b) Eksiton enerji

seviyeleriμ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ ... 20

Sekil 3.2 : Boyutlarş Bohr eksiton yarşc apşndan daha kuc uk bir yarş-iletken kristalinin enerji seviyelerinin kuantalanmasş ve bant aralşg şnşn genislemesiμ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ ..

21 Sekil 3.3 : Balk yarş-iletkenlerin ve kuantum yapşlarşnşn durum

yog unlşuklaşr arasşndaki farklarμ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ ... 22 Sekil 4.1 : InSb alasşm kaplama deney sistemiμ μ μ μ μ μ μ μ μ ... 27 Sekil 4.2 : Darbe grubunda uretilen dort numune ic in bakşr altlşg a

uygulanan potansiyel rejimleriμ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ . 28 Sekil 4.3 :Anodizasyon deney duzeneg iμ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ .... 29 Sekil 5.1 : -1400 mV potansiyel uygulanan numunelerin EDS

spektrumlarşμ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ . 34 Sekil 5.2 : InSb1400p1 numunesinin X-şsşnş difraksiyon paterni μ μ μ 35 Sekil 5.3 : InSb1400p2 numunesinin X-şsşnş difraksiyon paterni μ μ μ 35 Sekil 5.4 : ZnNiInSb1400p1 numunesinin 5000 buyutmede IE SEM

yuzey goruntusuμ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ ... 36 Sekil 5.5 : Nano-tuplerin farklş dog rultularda yonlenmelerini ve

dallanmalarşnş 12000 buyutmede gosteren kesit kmp SEM

goruntusuμ μ .μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ 37 Sekil 5.6 : ZnNiInSb1400p1 numunesinin IE yuzey SEM fotog rafşμ .μ 38 Sekil 5.7 : ZnNiInSb1400p1 numunesinin yuzey kmp. SEM fotog rafşμ 38 Sekil 5.8 : ZnNiInSb1400p1 numunesinin kmp kşrşk yuzey kmp SEM

goruntusuμ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ . 39 Sekil 5.9 : ZnInSb1400p1 yuzey kmp SEM goruntusuμ μ μ μ μ μ μ . 39 Sekil 5.10 : ZnInSb1400p1 kesit IE SEM goruntusuμ μ μ μ μ μ μ μ .. 40 Sekil 5.11 : ZnNiInSb1400ps1 yuzey IE SEM goruntusu.μ μ μ μ μ μ .. 41 Sekil 5.12 : ZnNiInSb1400ps-1 kesit IE SEM goruntusuμ μ μ μ μ μ μ 41 Sekil 5.13 : ZnNiInSb1400ps-1numunesinin yuzey kmp SEM goruntusu. 42 Sekil 5.14 : ZnNiInSb1400ps-6 numunesinin yuzey IE SEM goruntusuμ 43 Sekil 5.15 : ZnNiInSb1400ps-6 numunesinin yuzey kmp SEM goruntusu. 43 Sekil 5.16 : ZnNiInSb1400ps-6 numunesinin yuzey kmp SEM goruntusu. 44 Sekil 5.17 : Bakşr altlşk uzerine kaplanan InSb alasşmşnşn dalga sayşsş ve

dalgaboyu cinsinden FT-IR spektrumlarşμ μ μ μ μ μ μ μ 45 Sekil 5.18 : Alumina nano sablonlarşn ic inde InSb biriktirilerek uretile

filmlerin ve kaplama islemine tabi tutulmamşs anodik

alumina filmin FT-IR spektrumlarşnşn karsşlastşrşlmasşμ μ .. 46 Sekil 5.19 : ZnNiInSb1400ps6 numunesinin FT-IR spektrumu ve

alumina c izgileri c şkartşldşktan sonraki durumunun

karsşlastşrşlmasşμ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ 46 Sekil 5.20 : InSb1400p2 numunesinin RAMAN spektrumuμ μ μ μ μ ... 47

Sekil 5.21 : Anodize alumina filmin RAMAN spektrumuμ μ μ μ μ μ .. 48 Sekil 5.22 : ZnNiInSb1400ps1 ve InSb1400p2 numunelerinin RAMAN

spektrumlarşnşn karsşlastşrşlmasşμ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ .. 49 Sekil 5.23 : ZnNiInSb1400ps1 numunesinin iki farklş bolgesinden alşnan

RAMAN spektrumlarşμ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ . 49 Sekil 5.24 : ZnNiInSb1400p2 ve InSb1400p2 numunelerinin RAMAN

TABLO LISTESI

Tablo 2.1 : III-V bilesiklerinin kristal yapşlarş. μ μ μ μ ....μ μ μ μ .μ . 11 Tablo 2.2 : Aynş kuantum numarasşna sahip elementer ve bilesik yarş

iletkenlerin fiziksel ozelliklerinin karsşlastşrşlmasşμ μ μ ..μ

12 Tablo 2.3 : Bazş bilesik yarş-iletkenlerin bant aralşklarş ve elektron

mobiliteleri.μ μ μ ... 15 Tablo 3.1 : Bazş bilesik yarş-iletkenlerin Bohr eksiton yarş c aplarşμ μ μ 19 Tablo 4.1 : Deneylerde kullanşlan kimyasallarμ μ μ μ μ μ μ μ μ μ ... 25 Tablo 4.2 : Elektrolitik alasşm biriktirme c ozeltisinin bilesenleri ve

moleriteleri.μ μ μ μ ...

26 Tablo 4.3 : Dog ru akşm grubu numuneleri.μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ 27 Tablo 4.4 : Darbe kaplama grubu μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ ... 28 Tablo 4.5 : Kullanşlan zinkat c ozeltisinin bilesimiμ ..μ μ μ μ μ μ μ ... 30 Tablo 4.6 : Elektrolitik Ni biriktirme deneylerinde kullanşlan c ozeltinin

bilesenleri.μ μ μ μ ...

30 Tablo 4.7 : U retilen alumina nano-sablonlarşn sşrasşyla gec irdig i

islemler.μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ

31 Tablo 4.8 : Alumina sablonlarşn elektrolitik alasşm kaplama zamanlarşμ 31 Tablo 5.1 : Duzgun potansiyel altşnda kaplanan grubun EDS sonuc larşμ 33 Tablo 5.2 : Darbeli potansiyel altşnda kaplanan grubun EDS sonuc larşμ . 33 Tablo 5.3 : ZnNi1400p-1 numunesinin EDS sonuc larş.μ μ μ μ μ μ μ . 39 Tablo 5.4 : ZnNi1400ps-1 numunesinin EDS analizi sonuc larşμ μ μ μ . 42 Tablo 5.5 : ZnNi1400ps-6 numunesinin EDS analizi sonuc larş.μ ... 44

O ZET

INDIYUM ANTIMONID NANO-TELLERININ ELEKTROLITIK ALASIM BIRIKTIRME YO NTEMIYLE U RETILMESI VE KARAKTERIZASYONU Indiyum Antimonid (InSb) iyi bilinen elektro-optik bir malzemedir ve kşzşlotesi detektorler ic in yuksek kuantum verimi ve yuksek duyarlşlşk sunmaktadşr. Bununla beraber sşvş azot sşcaklşg şna sog utulmasş ihtiyacş, elektro-optik sistemlerin ek ve karmasşk ekipmanlarla buyumesi sonucunu ortaya c şkartan InSb kşzşlotesi detektorlerin en onemli dezavantajşdşr.

Yarş-iletkenlerin tek boyutlu yapşlarş yani kuantum telleri, uc boyutlu kristallerinden elektronik ve optik ozellikleriyle farklşlasmaktadşr. InSb kuantum telleri kşzşlotesi detektor teknolojileri ic in yuksek kuantum verimi ve duyarlşlşkla oda sşcaklşg şnda c alşsabilme gibi ustun ozellikler vaat etmektedir.

Nano-tellerinin c esitli uretim yontemleri mevcuttur. Bu yontemler arasşnda anodize alumina sablonlarşn kullanşlmasş, dusuk maliyeti ve uygulama kolaylşg ş ile tercih edilen bir yontemdir.

Bu c alşsmada InSb alasşmş elektrolitik alasşm biriktirme yontemiyle alumina nano-sablonlarşn ic inde buyutulmustur. Nano-sablonlar aluminyumun anodizasyonuyla elde edilmis nanometre c aplarşnda gozeneklere sahip alumina filmlerdir. Sablonlar biriktirilen InSb kristalinin boyutlarşnş onceden belirlemektedir. U retilen tellerin c aplarş 100-10 nm arasşnda deg ismektedir.

U retilen nano teller yuzey ve kşrşk-yuzey SEM resimleri alşnarak goruntulenmis, EDS analiziyle In/Sb atomik oranş tespit edilmistir. FT-IR kullanşlarak kşzşlotesi sog urma spektrumlarş belirlenip, yarşiletkenin bant aralşg ş belirlenmeye c alşsşlmşs ve RAMAN spektrumlarş c ekilerek FT-IR sonuc larş desteklenmistir.

SUMMARY

PRODUCTION OF INDIUM ANTIMONID (InSb) NANO WIRES BY USING ELECTROLYTHIC ALLOY PLATING METHOD

Indium Antimonid (InSb) is a well known electro-optical material and represents high quantum efficiency and sensitivity for infrared detector applications. InSb detectors have to be used at liquid nitrogen temperature. This means complex and heavy devices are needed to operate an InSb IR detector.

One dimensional semi-conductor crystals represents different electrical and optical properties then 3 D crystals. InSb quantum wires promises high quantum efficiency and sensitivity for higher temperature operating IR detectors.

There are several methods to fabricate InSb nano wires. Using anodized alumina templates is a cost effective and easily applicable method to produce highly ordered semi-conductor nano wires.

In this study InSb alloy was growth in nano porous anodized alumina templates. Dimensions of semiconductor nano wires were designated before plating while anodization process of the aluminum. Wires with 100nm-10nm diameter were fabricated.

Produced nano-wires are characterized by taking SEM images from surfaces and cross-section images. The atomic ratio of In/Sb on the film was determined by EDS analysis and FT-IR spectrums were obtained and used to find band gap of semiconductor.

1. GIRIS

1.1. C alİsmanİn Amacİ

1917 yşlşnda talyum sulfurun foto-iletkenlig inin belirlenmesinden bu yana kşzşlotesi şsşg şn algşlanmasş uzerine c alşsmalar mikro-elektronik alanşnda meydana gelen ilerlemelerin de yardşmşyla ivmelenerek artmşstşr. Kşzşlotesi teknolojileri 1940Ülş yşllardan beri muharebe sahasşnda etkinlikle kullanşlmaktadşr [1]. Gunumuzde orta ve uzun dalga kşzşlotesi şsşg şn algşlanmasş ozellikle goruntuleme ve gudumleme, yakşn kşzşlotesi şsşg şn algşlanmasş ise isaretleme ve haberlesme uygulamalarşnda yaygşn olarak basvurulan yontemlerdir [2].

Modern askeri doktrinin dayanak noktasş olan, gorunmeden gorme ve ates altşna alma ilkesi ancak pasif sensor ve silahlarşn varlşg şnda uygulanabilmektedir ki bu kşzşlotesi teknolojileri kazanşlmasş ve gelistirilmesi gereken kritik bir teknoloji haline getirmektedir. Bu amac dog rultusunda ustun ozellikli yeni malzemeler gelistirilerek daha hassas, daha duyarlş, daha kuc uk ve hafif, kşsacasş daha verimli ve etkin sensor ve sistemler ic in teknolojiler gelistirilmelidir..

Indiyum antimonid (InSb) iyi bilinen bir elektro-optik malzemedir. InSb yarş-iletkeninden 2 - 5 “m dalgaboyu (orta kşzşlotesi bolge) aralşg şnda c alşsan foto-voltaik ve foto-iletken detektorler imal edilmistir [2,3]. InSb detektor teknolojisine yuksek kuantum verimi ve yuksek duyarlşlşk sunmaktadşr. Ancak InSb detektorlerin bazş dezavantajlarş da mevcuttur. Bunlarşn en onemlisi sog utma ihtiyacşdşr. Dar bant aralşg ş, InSb kristalinde yuksek ozgun tasşyşcş yog unlug una neden olmaktadşr ki bu durum, detektor sşvş azot sşcaklşg şna getirilmeden dusuk siddetli şsşg şn algşlanmasşnş guc lestirmekte yani duyarlşlşg şnş azaltmaktadşr [1].

Yarş-iletken nano-kristalleri elektriksel ve optik ozelliklerindeki ustunluklerle detektor teknolojileri ic in gelecek vaat etmektedir [4,5]. InSb kristali dar ve dog rudan bant yapşsş ve yuksek kuantum verimiyle kşzşlotesi şsşg şn algşlanmasşnda kullanşlabilecek uygun bir yarş-iletkendir. Tek boyutlu InSb kristalleri yani kuantum tellerinin enerji bant yapşsş iki ve uc boyutlu InSb kristallerininkinden

farklşlasmaktadşr [5,6]. Teorik olarak, InSb kuantum tellerinden uretilen bir detektorun, c ok daha yuksek sşcaklşklarda, daha yuksek duyarlşlşk ve sinyal-gurultu oranşyla c alşsmasş beklenmektedir.

Bu c alşsmanşn amacş InSb kuantum tellerini uretmek ve karakterize ederek detektor teknolojilerinin kullanşmşna sunulabilecek bir elektro-optik malzeme ve uretim yontemi gelistirmektir.

InSb kuantum tellerinin uretimi elektro kimyasal biriktirme yontemlerinden, elektrolitik alasşm biriktirme yontemiyle gerc eklestirilmistir. InSb alasşmş aluminyumun anodizasyonuyla elde edilmis alumina nano-sablonlar ic erisinde buyutulerek uretilen tellerin boyutlarş onceden belirlenmistir.

Alumina nano sablonlarşn ic inin akşmlş ve akşmsşz biriktirme yontemleriyle doldurulmasş, nano-tellerin elde edilmesi ic in kullanşlan yontemlerden biridir. Buhar fazş yontemleri, karbotermal reduksyon gibi dig er yontemlerle karsşlastşrşldşg şnda etkinlik ve maliyet ac şsşndan ustunlukler ortaya koymaktadşr [7].

2004 yşlşnda G. Meng ve c alşsma grubu iki asamalş anodizasyonla elde ettikleri alumina nanosablonlarş akşmlş biriktirme yontemiyle doldurarak c aplarş 65 nm kadar olan polikristal InSb teller uretmislerdir, bu InSb kristalinin Bohr-eksiton c apşna esittir. Meng urettig i yarş-iletkenlerin bant aralşg şnş oda sşcaklşg şnda 0.19 eV olarak bulmus ve saf InSb kristalinin 0,17 eVÜluk bant aralşg şna gore meydana gelen bu artşsşn boyut etkisinden kaynaklanşyor olabileceg ini belirtmektedir [5]. G. Li ve c alşsma grubu yine iki asamalş anodizasyonla elde ettig i alumina sablonlarş akşmlş biriktirme yontemiyle darbeli potansiyel altşnda doldurarak yaklasşk 60 nm c apşnda tek kristal InSb teller elde etmistir [7].

Alumina nano-sablonlarşn uretilmesi ve fabrikasyonu uzerine c esitli gruplar tarafşndan birc ok yayşn yapşlmşstşr [7,8]. Bu c alşsmada alumina nano-sablonlarşn uretimi ic in M. U RGEN ve c alşsma grubun gelistirdig i anodizasyon prosesi kullanşlmşstşr [8]. U retilen tellerin c aplarş 100-10 nm arasşnda deg ismektedir.

2. YARI-ILETKENLER

2.1. Bant Teorisi

Katş maddeler elektriksel ozellikleriyle metal, yarşmetal, yarşiletken ve yalştkan olarak ayşrt etmek mumkundur. Iyi bir iletken ile iyi bir yalştkan arasşnda c ok ciddi bir fark mevcuttur. 1K sşcaklşkta bir metalin ozdirenci 10-10 Ohm cm mertebelerindeyken iyi bir yalştkanşn ozdirenci 10-22 Ohm cm kadar olabilmektedir. Malzemeler arasşndaki bu farkş ac şklamak uzere ortaya konulan ilk model serbest elektron modelidir [10].

Serbest elektron modelinde valans elektronlarş kristal ic erisinde iletkenlik elektronlarşdşr ve malzeme ic inde elektriksel iletime katşlan bu elektronlar iyonlarşn olusturdug u periyodik potansiyellerden etkilenmezler. Elektronlar ic in bir dalga denklemi tanşmlanabilir (2.1) ve bu denklem ilerleyen bir dalgayş belirtmektedir. Bu dalga denklemi ic in Schrodinger denklemi yazşlarak elektron ic in enerji ifadesi elde edilir (2.2).

( )

ikr k

r

e

ρ ρ

ρ =

ψ

(2.1)

(

2 2 2

)

2

2

x y z k

k

k

k

m

+

+

= η

ε

(2.2) Elektron uzerine etkiyen periyodik potansiyel ihmal edildig inden enerji ifadesi olusturulurken Schroringer denkleminin sadece parc acşg şn kinetik enerjisini belirten kşsmş goz onune alşnmşs potansiyel enerji operatoru goz ardş edilmistir [9,10].

Serbest elektron modeli metallerin şsş sşg asş, şsşl iletkenlik, elektriksel iletkenlik ve manyetik gec irgenlik ozelliklerini ac şklamakta yeterli olsa da yarşmetal, yarşiletken ve yalştkanlar arasşndaki farklarş ve Hall katsayşsşnşn pozitif deg er almasşnş ac şklayamamaktadşr. Serbest elektron modeline gore iletime katşlan bir elektron kristal ic inde sşfşrdan sonsuza kadar her enerjiye sahip olabilir ancak gec ek durum bundan farklşdşr. Yarşiletkenlerde ve yalştkanlarda elektronlar bazş enerji deg erlerini

alamazlar. Bu durumu anlamamşza yarş serbest elektron modeli ve band teorisi yardşmcş olmaktadşr [9,11].

Iletime katşlan elektronlar ile kristalin periyodik iyon potansiyeli arasşnda zayşf bir etkilesim soz konusudur. Bu etkilesim bazş ozel dalga vektorlerinde elektronu ilerleyen bir dalga denklemi yerine bir duran dalga denklemi ile tanşmlanmasşna neden olur [10]. Elektronun dalga vektoru

a n

k =± π deg erini aldşg şnda elektron ic in tanşmlanan dalga kristal ic inde Bragg yansşmasşna ug rar. Bragg yansşmasş durumunda Schrodinger denkleminin dalga c ozumleri bulunmaz. Bu ozel kρ deg erlerinde dalga fonksiyonlarş zşt yonlerde ilerleyen es genlikli ve frekanslş iki bilesene sahip olur. Bu bilesenlerin ust uste binmesi sonucunda olusan bir duran dalgadşr. Bu dalga vektoru deg erlerinde elektron ic in ilerleyen bir dalga tanşmlanamadşg şndan elektronlarşn sahip olamayacag ş enerji deg erleri ortaya c şkar. Bu alşnamayan enerji deg erleri Sekil 2.1Üde gosterilen elektronun dalga vektoru/enerji diyagramşnda yasak enerji aralşg ş veya bandş olarak tanşmlanan girilemez durumlarla temsil edilmektedir. Elektron dalgalarşnşn Bragg yansşmasşna ug radşg ş deg erler arasşnda kalan ve elektronlar ic in ilerleyen dalgalar tanşmlanabilen dalga vektoru aralşg ş Brillouin bolgesi olarak adlandşrşlşr [9]. Bragg yansşmasşnşn meydana geldig i

a n

k =± π dalga vektorleri ise Brillouin bolgesinin sşnşrlarşnş meydana getirmektedir. Sonuc ta valans elektronlarş bant adş verilen enerji aralşklarşnda bulunabilirler ve bu enerji aralşklarş birbirinden elektronlarşn alamayacag ş enerji seviyeleriyle ayrşlmşstşr [9,13].

Sekil 2. 1: a) Serbest elektron modelinde elektronun alabileceg i enerji deg erleri. b) Yarş serbest elektron modelinde elektronun alabileceg i enerji deg erleri [9].

Bir bantta elektronun alabileceg i bir enerji deg erine girilebilir bir durum denir ve N adet ilkel hucreden olusan bir kristalin her bir bandşnda 2N adet girilebilir durum vardşr. Her ilkel hucre her enerji bandşna tek bir kρ deg eri ile katkşda bulunur. Eg er her bir ilkel hucrede bir valans elektronu varsa bir banttaki girilebilir enerji seviyelerinin yarşsş isgal edilmis yani bandşn yarşsş elektronlarla dolu demektir. Eg er her atom banda iki valans elektron veriyorsa bandşn tamamş dolmustur [11].

Bantlarşn tam dolu veya yarş dolu olmasş katşlar arasşndaki temel ayrşsmayş ortaya koymaktadşr. Valans elektronlarş bir veya daha fazla bandş tamamen doldurup ve dig erlerini tamamen bos bşraktşg ş kristaller yalştkan, bir bandşn yarşsşnşn dolu oldug u kristaller ise metal olarak ayrşlmaktadşr [10]. Bir yalştkana dşsarşdan elektrik alan uygulandşg şnda bant ic indeki tum durumlar isgal edilmis oldug undan elektronlarşn momentumu surekli bir bic imde deg istirilemez. Ozetle elektronlar elektriksel iletime katşlamazlar. Ancak uygulanan elektriksek alanşn siddeti elektronik yapşyş bozarak elektronlarş bir sonraki bos banda tasşyana kadar malzeme yalştkandşr ki yalştkanlarşn yasak enerji bandş oldukc a genistir [9]. Metallerin valans elektronlarş ise bulunduklarş bantta isgal edilmemis durumlar bulundug undan dşs elektriksel alanlar altşnda bu enerji seviyelerini isgal ederek momentumlarşnş deg istirirler yani iletime kolaylşkla katşlşrlar. Metallerin valans elektronlarş ic in serbest elektron modeli bulunduklarş bant ic erisinde gec erlidir [9,11].

Sekil 2. 2: a) yalştkan enerji bant yapşsş b) yarş-metal veya metal (bantlarda dejenerasyon) enerji bant yapşsş c) Metal enerji bant yapşsş [9].

Yarşiletkenler mutlak sşfşr sşcaklşkta tamamen dolu ve bos enerji bantlarşna sahiptir ancak yalştkanlarşn yasak enerji bantlarş yarşiletkenlere gore c ok daha genistir. Oda sşcaklşg şnda yarşiletkenlerin dolu banttaki elektronlarşn bir kşsmş sahip olduklarş şsşl enerjiyle bos banda gec ebilirler. Bos banda gec en elektronlar elektriksel iletime katşlşr. Elektronlarşn iletime katşlabildig i bos banda iletim bandş, elektronlarşn doldurdug u banda ise valans bandş denir. Iletkenlik ve valans bantlar arasşndaki yasak enerji aralşg ş bant aralşg ş olarak ta adlandşrşlşr ve Eg ile temsil edilir [9]. Iletim bandşna gec en her elektron yarşiletkenin iletkenlig ine c ok buyuk katkş yapar. Bu nedenle metallerin tersine yarşiletkenlerin iletkenlig i sşcaklşg şn artşsşyla dog ru orantşlşdşr. Isşl uyarşlmayla iletim bandşna gec en elektronlar ozgun tasşyşcşlar olarak adlandşrşlşr ve ozgun iletkenlig e neden olurlar. Iletim bandşndaki ozgun tasşyşcş yog unlug u Eg kBT oranşyla dog ru orantşlşdşr. Valans banttan iletim bandşna gec en

bir elektron arkasşnda bos bir yorunge bşrakşr ve bir banttaki bos yorungelere bosluk adş verilir [10]. Bosluklar valans banttaki elektronlar ic in girilebilir enerji durumlarş anlamşna gelmektedir. Dşs bir elektrik alan altşnda veya sahip oldug u şsşl enerjiyle bir valans bandş elektronu baska bir boslu bşrakarak bu bos yorungeyi isgal edebilir. Bu durumda bosluk valans band ic erisinde ilerlemis olur. Bosluklar bu sekilde elektriksel iletime katşlmaktadşrlar. Sadece katş var olabilen olan ve yine kutleleri katş ic inde tanşmlanabilen, yukleri (+e) gibi davranan ”sanki„ parc acşklardşr. Iletim bandşndaki elektronlar ve valans bandşndaki bosluklar yuk tasşyşcşlar olarak adlandşrşlşr. Saf bir yarşiletkende iletim bandşndaki elektronlar ile valans bandşndaki bosluklarşn sayşsş aynşdşr [10,11].

Bir kristalin Brillouin bolgesi geometrik simetriye sahiptir. Buna gore bir bant tamamen doluysa elektronlar ic in tanşmlanan her kρ ve −kρ dalga vektoru deg eri alşnmşstşr. Dolayşsş ile dolu bir bantta toplam dalga vektoru sşfşrdşr. Banttan bir elektron arkasşnda bir bosluk bşrakarak eksilirse sistemin toplam dalga vektoru deg ismeden kalşr. Valans banttaki boslug un dalga vektoru −kρ_e olur [9].

Sekil 2.3Üte enerji bantlarş arasşnda bir elektronik gec is durumunda sematik olarak gosterilmistir. Tamamen dolu valans banttan, tamamen bos iletim bandşna gec en elektronun dalga vektoru deg ismezken ve geride bşraktşg ş boslug un aldşg ş dalga vektoru deg eri toplam sistemin momentumunun korunmasşyla valans bandşn simetrig inde bulunan elektronun dalga vektoru kadardşr.

Sekil 2. 3: iletim bandşna gec en elektronun dalga vektoru kρ_e ise geride bşraktşg ş boslug un dalga vektoru valans bandşn simetrig inde bulunan elektronun dalga vektoru

olan ke

ρ

− kadardşr. [9].

Periyodik bir potansiyelde, elektrik ve manyetik alanlar altşnda bir elektronun orguye gore ivmelenmesi kutlesinin serbest elektron kutlesinden farklş bir deg er almasşna neden olur. Elektronun kristal ic inde hareketi boyunca sahip oldug u kutleye etkin

ku tle denir [11]. 2 2 2

1

1

k

E

m

∂

∂

=

∗

_η

(2.3)

Brillouin bolgesi sşnşrşna yaklasşldşg şnda elektron ic in tanşmlanan dalga denkleminin kristalden yansşyan bileseni oldukc a buyuktur. Tam bolge sşnşrşnda gelen dalganşn genlig ine esit olur ve bir duran dalga meydana gelir. Bolge sşnşrlarşna yakşn bolgelerde elektron elektrik altşnda bir k durumundan k+Å k durumuna gec erken orgunun elektrona ilettig i momentum transferi dalga fonksiyonunun orguden yansşyan bileseninin genlig inin artmasşndan dolayş dşs kuvvetin elektrona ilettig i momentumdan fazladşr. Sonuc ta elektronun dalga vektoru elektrik alan altşnda k+Å k deg erine ulassa bile elektronun ilerleme yonundeki momentumunda net bir azalma soz konusudur ki bu durum ancak elektronun etkin kutlesinin negatif deg erler almasşyla mumkundur [9].

Yarş-iletkenlerin elektronik gec islerini ve optik surec lerini etkileyen ve sşnşflandşran en onemli ozellik bant yapşlarşnşn dog rudan veya dolaylş gec islere uygun olmasşdşr. Dog rudan bantlarda elektron valans bandş kenarşndan iletim bandşna gec erken dalga

vektoru deg ismez yani momentum korunmus olur. Bu valans bandşn en yuksek noktasş ile iletim bandşnşn en alt noktasşnşn aynş dalga vektorunde c akşsmasş durumudur. Bant aralşg ş kadar enerjiye sahip bir fotonun kristal tarafşndan sog urulmasş bir elektronu valans banttan iletim bandşna gec irmek ic in yeterlidir. Dolaylş bantlarda ise iletim bandşna gec en bir elektronun dalga vektoru deg isir yani momentumu korunmaz, valans bandşn en yuksek noktasşndaki bir elektronun iletim bandşna optik gec isi ic in bant aralşg şndan daha yuksek enerjiye sahip bir fotonun sog urulmasş gerekmektedir [10].

Sekil 2. 4: a) Dog rudan bant b) dolaylş bant [10].

Yarş-iletkenlere tum bu ozelliklerini kazandşran esas etmen IVA grubu elementlerine has tetrahedral kovalent bag yapşsşdşr. Bilesik yarş-iletkenleri olusturan elementlerde elektronik konfigurasyonlarşnş IVA grubuna benzeyecek sekilde deg istirerek tetrahedral bag lar kurarlar [15].

2.2. Tetrahedral Baglar ve III-V Grubu Bilesik Yarİ-iletkenler

Kovalent katşlar metalik bag yapamayacak kadar elektropozitif ve iyonik bag yapamayacak kadar c ok polarize atomlardan meydana gelir ve kovalent bag lar valans elektronlarşn ortak kullanşmşna dayanşr [15].

Bir atomun dort elektronunu, dort atomla paylasşp valans kabug unda sekiz elektron bulundurarak kararlş kalmasş durumunda olusan bag lar ”tetrahedral„ bag lar olarak bilinir. Bu tur bag lardan olusan kristaller elmas, ”c inko-sulfit„ ve ”vurzit„ yapşlarşndadşr. Periyodik tablonun IVA grubunda bulunan elementlerin kristalleri bu tur bag larla olusur [14].

Silisyumun elektronik konfigurasyonunu deg erlendirirsek, bir argon c ekirdeg in etrafşnda iki adet 3s ve iki adet 3p elektronu olarak tanşmlanabilir. Bu atomik enerji durumlarş ic in dalga fonksiyonu tanşmlanşr. Bu dalga fonksiyonlarşnşn sekilleri elektron bulutu olarak ta isimlendirebileceg imiz olasşlşk yog unlug unu belirtmektedir ve Sekil 2.5 aÜda gosterilmistir. Silisyum kristalinde bir Si atomu dort adet Si atomuyla kovalent bag yapmaktadşr. Iki Si atomunun bag yapmasş sşrasşnda her Si atomunun valans kabug unda s ve p yorungelerinin karşsşmdan olusan girilebilir durumlar meydana gelir. Hibridizasyon olarak tanşmlanan bu islem dusuk enerjili s2p2 elektronik konfigurasyonunu daha yuksek enerjili s1p3 durumuna yukselterek dort kovalent bag yapmaya ac şk ”sp3-hibrit yorungeler„ olarak adlandşrşlan durumlarş meydana getirir ve her bir durum ic in bir dalga fonksiyonu tanşmlanşr [15,16]. Bu durumlar ic in tanşmlanabilecek genel dalga fonksiyonlarş ve dalga fonksiyonlarşnşn sekilleri Sekil 2.5 bÜde gosterilmistir.

Sekil 2. 5: a) s ve p yorungeleri ic in tanşmlanan dalga fonksiyonlarşnşn sekilleri b) Si atomlarş arasşnda bag larş olusturan dort adet sp3-hibrit yorungesi ic in tanşmlanan

dalga fonksiyonlarşnşn sekilleri [16].

sp3-hibrit yorungeleri ic in tanşmlanan dort dalga fonksiyonu olasşlşk yog unlug unu belirten elektron bulutlarşnş sekillendirirken bir dortgenin koselerine dog ru uzanmaktadşrlar. Tetrahedral bag lanmanşn temelini bu ilkeler meydana getirmektedir.

Tetrahedral bag lar arasşndaki ac ş 109.5¼ olur ve olusan sp3-hibrit yorungeler bir dortgenin koselerine dog ru yonelmis gibi pozisyonlanşrlar.

Sekil 2. 6: Silisyumun tetrahedral bag larş arasşndaki ac ş, yorungeler bir dortgenin koselerine yonelmis gibi gorunuyor [16].

Bilesik yarşiletkenler, IV grubu elementleriyle benzer kristalografik ve elektronik ozellikler gosterirler. III-V grubu inter-metalik bilesikler dog ada bulunmayan ancak laboratuar sartlarşnda uretilmis yarşiletken malzemelerdir. III grubunun s2 ve p1 dşs elektronlarş ile V grubunun s2 ve p3 elektronlarş ortak kullanşlarak aralarşnda tetrahedral bag lar olusur ve IV grubu elementlerininkilere benzer kristal yapşlara sahip olurlar [17]. Bu bilesiklerin kristal yapşlarş Tablo 1. de gosterilmistir. Ancak III ve V grubu elementleri arasşnda olusan bu bag lar IV grubundan farklşdşr, iyonik ve kovalent karşsşmş bir bag dşr. Tetrahedral bag larşn kurulabilmesi ic in oncelikle atomun valans elektron konfigurasyonunun IV grubu elementlerinkine benzemesi gerekmektedir. IV grubu elementlere gore en dşs kabuklarşnda III grubu elementlerin bir elektron eksig i, V grubunun ise bir fazladan elektronu mevcuttur. Bilesik olusumu sşrasşnda V grubu elementi bir elektronunu III grubu elementine verir ve her ikisinin de elektronik konfigurasyonu IV grubuna benzer sekilde aralarşnda tetrahedral bag lar olusur. Olusan bag , atomlar arasşnda elektron alşsverisi oldug undan hem iyonik, valans elektronlarşn paylasşlmasşndan dolayş hem de kovalent ozellik tasşmaktadşr [14,17]. Si ve Ge gibi elementer yarşiletkenlerin kristalleri sadece kovalent bag lardan olustug undan ”homo-polar bag lar„ ve kristalleri de ”homo-polar kristaller„ olarak adlandşrşlşr. Bununla birlikte bilesik yarş

iletkenlerdeki karşsşk bag lara da (iyonik/kovalent) ”hetero-polar„ veya ”polar kovalent„ denilmektedir [14,15].

III-V grubu bilesikleri dig er metalik bilesiklerden farklş kşlarak iki metalik bilesenden yarşiletken bir bilesik olusumunu sag layan da yine olusan bag daki iyonik karakterdir. Bu iyonik karakter ”rezonans kararlşlşg ş„ olarak adlandşrşlan bir etkiye sebep olmaktadşr. Bu etki ancak dalgalar mekanig i ve enerji terimleriyle ac şklanabilir ki bag lanma sşrasşnda meydana gelen iyonik bag ve kovalent bag şn superpozisyonu (ust uste binmesi) rezonans enerjisini kararlş kşlmaktadşr. Sonuc ta olusan sistemin enerjisi kovalent bag şn enerjisinden rezonans enerjisi kadar dusuktur [14]. Bu kararlşlşk III-V grubu bilesiklerin yarş iletken ozellik gostermesi ic in gerekli olan kriterdir.

Tablo 2. 1: III-V bilesiklerinin kristal yapşlarş. V; vurtzit (hegzagonal), C S; c inko sulfit (kubik) [15].

N

P

As

Sb

B

- C S C S -

Al

V C S C S C S

Ga

V C S C S C S

In

V C S C S C S

Ti

- - metalik metalik

Aynş kuantum numarasşna sahip elementer ve bilesik yarşiletkenler karsşlastşrşldşg şnda, bilesiklerin daha yuksek ergime sşcaklşklarş, daha genis yasak enerji aralşklar ve benzer orgu parametrelerine sahip olduklarş gorulmektedir. Tablo 2.2Üde bu ozellikler gosterilmektedir. Bu olgu bilesik yarşiletkenlerde bag larşn karşsşk (iyonik/kovalent) oldug unun bir kanştşdşr. Bag şn iyonik karakteri ile olusan bag kuvvetlenmektedir [15]. Tamamen iyonik kristaller, homo-polar kristallerden daha yuksek yasak enerji aralşklarşna sahiptir. Transparan alkali halidler 10 ev civarşnda

bir yasak enerji aralşg şna sahipken, Si gibi homo-polar elementlerde 1 eV civarşndadşr [1].

Tablo 2. 2: Aynş kuantum numarasşna sahip elementer ve bilesik yarş iletkenlerin fiziksel ozelliklerinin karsşlastşrşlmasş [15].

IV III-V (IV/III-V) ergime noktasİ (K) (IV/III-V) Eg (eV) (IV/III-V) ao (A ) C BN - 6/10 3.56/3.16 Si AlP 1685/1770 1.1/3 5.42/5.46 Ge GaAs 1231/1510 0.72/1.35 5.66/5.65 Sn InSb 508/798 0.08/0.18 6.45/6.09

Bilesig i olusturan atomlarşn c aplarşnşn yani bilesen atomlarşn buyuklug unun olusan kristalin bag larşnşn karakteri uzerinde onemli etkisi vardşr. Atomlar arasş bosluklar kristalin iyonik yapşsşnş homo-polar yapşya dog ru kaydşrabilir. Indiyum antimonid (InSb) kristalinde III grubu bileseninin c apş, V grubu bilesenininkinden daha genistir. Bu durumda III grubu atomuna komsu bir V iyonunda elektron ic in yeterince yer vardşr ve bag a iyonik bir katkşnşn gelmesine bir engel bulunmaz. Ancak durum bir baska III-V bilesik yarşiletken olan aluminyum antimonid ic in faklşdşr. Kuc uk Al iyonu, Sb iyonunun elektronlar uzerindeki c ekim gucune karsş koyar ve iyonik katkş etkisini yitirir. Sonuc ta olusan bag nerdeyse homo-polardşr. Aluminyum antimonidin bag yapşsş germanyumun bag yapşsşna c ok yakşndşr. III-V grubu bilesiklerin atom c aplarş ve atomlar arasş mesafe Sekil 2.7Üde gosterilmistir. Bilesen atomlarşn boyutlarşnşn bag şn iyonik karakterine olan etkisi yarşiletkenin elektronik bant yapşsşnda onemli bir ozellig i ortaya c şkarmaktadşr. AlSb aynş Ge gibi dolaylş bir yarşiletkenken, InSb dog rudan optik gec islere ac şk bir bant yapşsşna sahiptir [14]. Bu durumda bilesig in bag larşnşn iyonik karakteri sadece yarşiletkenin yasak enerji aralşg şnş deg il aynş zamanda bandşn dolaylş mş yoksa dog rudan mş oldug unu da belirledig i deg erlendirilmelidir.

Sekil 2.7: III-V grubu bilesiklerin, bilesen atomlarşnşn buyuklukleri [1]. 2.3. Indiyum Antimonid

Indiyum Antimonid (InSb) III-V grubu bir bilesik yarş-iletkendir. Oda sşcaklşg şnda 0.17 eV ve mutlak sşfşrda 0.23 eV ile en dar yasak enerji aralşg şna sahip yarşiletkendir [9,14]. In ve Sb atomlarş arasşndaki polar kovalent bag lar sayesinde band yapşsş dog rudan gec islere uygundur. Bu ozellikleriyle InSb orta kşzşlotesi dalgaboylarşndaki şsşg ş elektronik gec islerle sog uran ve iyi bilinen bir elektro-optik malzemesidir. Kşzşlotesi şsşg şn algşlanmasş uygulamalarş ic in yaygşn olarak kullanşlmaktadşr. Kşzşlotesi detektorler termal goruntuleme ve gudumleme, kşzşlotesi haberlesme ve kimyasal ajanlarşn belirlenmesi gibi birc ok teknolojinin vazgec ilmez bir parc asşdşr [3]. Bu alanda uzun zamandşr kullanşlmakta olan cşva kadmiyum telluridin (HgCdTe) yerini teknolojik zorluklardan dolayş kuantum kuyularş ve InSb detektorler almaktadşr. Yuksek duyarlşlşg ş ve c ok yuksek kuantum verimi indiyum antimonu yeni nesil kşzşlotesi detektorler ic in sec im sebebi olmustur. Tum bunlar indiyum antimonide olan ilgiyi arttşrmşstşr [1,3]. Yeni nesil detektorlerin gelistirilmesi c alşsmalarş InAsSb uc lu bilesiklerinin gelistirilmesi ile InSb kuantum yapşlarşnşn uzerinde yog unlasmşstşr.

Sekil 2. 8: Bilesik yarş-iletkenler, kristal parametreleri ve bant aralşklarş diyagramş. InSb c ok yuksek tasşyşcş mobilitesine sahip bir yarşiletkendir. Bu ozellikleriyle dusuk guc lu ve yuksek hşzlş mikro-elektronik uygulamalarşnda tercih edilmektedir [23]. Mobiliteyi belirleyen en onemli faktor yuk tasşyşcşlarşnşn fononlardan sac şlmasşdşr [9]. InSb kristalinde yasak enerji aralşg ş oldukc a dar oldug undan valans banttaki elektronlar kT kadar şsş enerjisini sog urduklarşnda iletim bandşna kolaylşkla gec ebilmektedirler. Bu durum sog urulan şsş enerjisinin orgu titresimlerinin genliklerini arttşrmaktansa bantlar arasş elektronik gec isler ic in harcandşg şnş gostermektedir. Yani yasak enerji aralşg şnşn daralmasş yayşmlanan fonon sayşsşnşn azalmasş ve bununla beraber iletime katşlan serbest yuklerin fononlardan sac şlma olasşlşklarşnşn azalmasş sonucunu dog urmaktadşr [12].

Onemli III-V grubu bilesik yarş-iletkenlerin mutlak sşfşrdaki bant aralşklarş ve tasşyşcş mobiliteleri Tablo.2.3Üde verilmistir. Yarş-iletkenlerin elektron mobilitesi ile bant aralşklarşnşn ters orantşlş oldug u deg erlendirilebilir.

Tablo 2. 3: Bazş bilesik yarş-iletkenlerin bant aralşklarş ve elektron mobiliteleri [15]. Yarİ-iletken Eg(eV) @ 0 μK Гe (cm2/ Vs)

GaN 3.39 150 AlAs* 2.30 180 GaP 2.40 2100 GaAs 1.53 16000 InP 1.41 44000 InAs 0.43 120000 InSb 0.23 1000000

InSb ”c inko sulfit„ kristal yapşsşna sahiptir. Yuzey merkezli kubik uzay orgusu (fcc) uzerinde 0 0 0 konumunda In ve – – – konumunda Sb atomlarşndan olusan hucre bazşyla meydana gelir. Hucre bazş fcc orgunun tum noktalarşna oturtuldug unda dort adet Sb atomu birim hucrenin ic inde kalşr. In atomlarşnşn koordinatlarş 000, ₂1

2 1 0 , 2 1 2 1_{0 , 0} 2 1 2

1 _{, Sb atomlarşnşn konumlarş ise} 4 1 4 1 4 1 _, 4 3 4 3 4 1 _, 4 3 4 1 4 3 _, 4 1 4 3 4

3 _{olur. Birim hucre} ic inde fcc orgunun noktalarşna yerlesmis dort adet In ve birim hucrenin ara yer noktalarşnda dort adet Sb atomuyla, toplam sekiz adet atom bulunmaktadşr. Hucre bazşnşn fcc orgu uzerinde yerlesimi Sekil 2.9Üde gosterilmistir. Bu orgu uzerine iki atomlu hucre bazş bindirildig inde kristalin c inko sulfit kristal yapşsş ortaya c şkar. Hucre bazş 000 konumunda In ve – – – konumunda Sb atomundan olusmaktadşr. Hucre bazş fcc orgunun her noktasşna uygulandşg şnda dort adet Sb atomu birim hucre ic inde kalmaktadşr. Dig er bir bakşs ac şsşyla InSb kristali birbirinden c eyrek cisim kosegeni uzunlug u kadar otelenmis iki fcc yapşsş olarak gorulebilir. Bu fcc orgulerinden birine In dig erine ise Sb atomlarş yerlesmektedir [9]. Sekil 2.10Üda bu durum gri, kşrmşzş ve yesil noktalarla gosterilmistir. Gri noktalar In atomlarşnş ve siyah hucre tum noktalarşna In atomlarş yerlesmis fcc hucreyi gostermektedir. Mavi hucre ise tum noktalarşna Sb atomlarşnşn yerlestig i hucreyi belirtmektedir. Mavi hucrenin 000 noktasş siyah hucrenin cisim kosegeni uzerinde 000 noktasşndan kosegenin c eyreg i kadar kaydşrşlşrsa mavi hucrenin 12 noktasşndan dordu siyah

hucrenin ic inde kalşr. Hucre ic inde kalan bu Sb atomlarş yesil, hucre dşsşnda kalan dig er Sb atomlarş ise kşrmşzş ile gosterilmistir.

Sekil 2.9: a) Yuzey merkezli kubik orgu b) orgu uzerine binen iki atomlu hucre bazş

Sekil 2.10: InSb kristal yapşsş tum noktalarşna In atomlarşnşn yerlestig i fcc hucrenin ic ine hacim kosegeni uzerinde kosegenin dortte biri noktasşnda kosesi bulunacak

sekilde tum noktalarşna Sb atomlarşnşn yerlestig i bir baska fcc hucrenin oturtulmasşyla da elde edilebilir. gri noktalar;In atomlarşnş, yesil noktalar: birim

hucre ic inde kalan Sb atomlarşnş ve kşrmşzş noktalar da hucre dşsşnda kalan Sb atomlarşnş gostermektedir [9].

Gerc ek uzayda yuzey merkezli kubik orgusu olan InSb kristalinin ters orgudeki yansşmasş cisim merkezli kubik orgudur. Birinci Brillouin bolgesi Sekil 2.11Üda gosterilmistir. Tipik bir hacim merkezli kubik ters kristal yapşsşnda Brillouin bolgesinin sşnşrlarş altşgen ve dortgen duzlemsel bolgeler seklindedir. Altşgenler <111> duzlemleridir, aynş zamanda Brillouin bolgesi merkezi olan kubik orgunun cisim merkezindeki orgu noktasş ile en yakşn orgu noktasş olan kose noktaya giden

dog ruyu tam orta noktasşnda dik olarak kesmektedir. Bu nokta yarş-iletkenin enerji-bant yapşsşnda L dalga vektorune denk gelen ve Brillouin bolgesinin sşnşrşnş ifade eden bir vadi olarak yansşmaktadşr. Dortgen bolgeler ise ters orgude <100> duzlemleridir ve Brillouin bolgesi merkezindeki orgu noktasşndan en yakşn ikinci orgu noktasşna giden dog ruyu X dalga vektoru ile gosterilen tam orta noktasşndan ve dik keser. Bu orgu noktasş komsu birim hucrenin cisim merkezidir. Brillouin bolgesi sşnşrşnş ifade eden bu ikinci durum enerji-bant yapşsşna L-vadisi olarak yansşmaktadşr [9,11].

Sekil 2.11: InSb kristalinin birinci Brillouin bolgesi [10].

InSb dog rudan banda sahip bir yarş-iletkendir. Yasak enerji aralşg şnş asarak valans battan iletim bandşna gec en bir elektronun dalga sayşsş yani momentumu deg ismeden kalşr. Sekil 2.12Üde bant yapşsş gosterilmistir. Iletim bandşnşn minimumu Brillouin bolgesinin merkezinde bulunur. Oda sşcaklşg şnda Eg yasak enerji aralşg ş ( Γ Brillouin bolgesi merkezinde) 0.17 eV, X bolge sşnşrşnşn enerjisi (EX) 1.0 eV, L bolge sşnşrşnşn enerjisi ise (EL) 0.68 eV olarak belirlenmistir. Valans band uc parc adan olusur. Bu parc alar, Brillouin bolgesi merkezinde ( Γ dalga vektorunde) c akşsşk olan hafif ve ag şr bosluklarla, yine Γ dalga vektorunde valans bandşn kenarşndan 0.8 eV kadar daha dusuk enerjide spin yorunge bandşdşr. Valans ve iletkenlik bant kşyşlarşnşn Brillouin bolgesinin merkezinde olmasş saf InSb kristalinin Sekil 2.13Üda gosterilen optik sog urma spektrumunda bant aralşg şna denk gelen esik enerjiden itibaren sog urma katsayşsşnda c ok keskin bir artşs gostermesine neden olmaktadşr.

Sekil 2.12: InSb kristalinin bant yapşsş.

3. EKSITONLAR ve YARI-ILETKEN NANO-KRISTALLERI

Enerjisi yarş-iletkenin bant aralşg şndan biraz daha az olan bir foton kristal tarafşndan sog urulabilir. Bu optik sog urma bir elektronik gec ise neden olmazken eksiton adş verilen bag lş bir elektron·bosluk c ifti yaratşlmasşna neden olur. Elektron ve bosluk aralarşndaki Coulomb etkilesmesinden dolayş bag lş bir duruma gec er. Eksitonlar kristal ic inde dolasşp momentum iletebilirler. Ancak elektriksel iletime yuk noturluklerinden dolayş katşlamazlar [9,19].

Eksitonlar hidrojen atomuna benzetilebilir. Bir hidrojen atomunda en yuksek olasşlşklş yorunge Bhor yarşc apş olarak adlandşrşlşr. Eksiton hareketinin yarş c apş da ortamşn parc acşg şn ic inde bulundug u ortamşn dielektrik duzeltmesiyle, hidrojen atomunun yarş c apşna esittir. Bu nedenle eksiton hareketinin yarş c apş Bohr eksiton yarşc apş olarak isimlendirilmistir [18]. Onemli bilesik yarş-iletkenlerin Bohr eksiton yarş-c aplarş Tablo 3.1Üde verilmistir.

Tablo 3.1: Bazş bilesik yarş-iletkenlerin Bohr eksiton yarş c aplarş [34]. Yarİ-iletken Bohr eksiton

yarİ capİ (A ) CdSe 61 CdS 34 ZnS 18 GaAs 216 InSb 785

Eksitonlar ic in tanşmlanabilecek hidrojen atomu benzeri Hamiltonien denklem 3.1Üde verilmistir [9].

h e h e

r

r

e

M

H

−

−

∇

−

∇

−

=

ε

µ

2 2 2 2 2

2

2

η

η

(3.1)

Bu denklemin ilk terimi M (M = m_e* + m_h*) kutleli bir serbest parc acşk ic in

tanşmlanan HamiltonienÜdir ve elektron-bosluk c iftini hareketinin enerjisini tanşmlar. Ikinci ve uc uncu terimler ise “ indirgenmis kutleli [“ = m_e*m_h*/ (m_e*+m_h*)] serbest parc acşg şn ikinci HamiltonienÜdir ve elektron ve bosluk arasşndaki izinli durumlarş tanşmlamaktadşr [18].

Ikinci Hamiltonien, modifiye edilmis Raydberg sabitili gosterilebir, bu durumda eksiton enerjisi ic in tanşmlanabilecek denklem (3.2) ile verilmistir;

M

k

n

R

E

k

E

_{n g} y

2

)

(

2 2 2 *

η

+

−

=

_(3.2)

Kristalde sog urulan bir fotonun enerjisi bant aralşg şndan buyukse her zaman bir elektron gec isi olur ve iletim bandşnda bir elektron ve valans bantta bir bosluk olusur. Dog rudan bir gec iste esik enerjisi bant aralşg ş kadar dolaylş bir gec iste ise daha fazladşr. Eksiton uyarşlma esik enerjisi ise her iki durumdan da daha dusuktur [9,18]. Sekil 3.1Üde eksitonlarşn kristal ic indeki hareketi ve enerji bantlarş arasşndaki eksiton enerji duzeyleri gosterilmistir.

Sekil 3.1:a) Eksitonlarşn kristal ic indeki hareketi. b) Eksiton enerji seviyeleri [9]. Mott-Wannier tipi eksitonlar zayşf bag lşdşrlar ve elektron-bosluk arasşndaki mesafe orgu parametresinden daha buyuktur. Frenkel eksitonlarş ise sşkşbag lşdşr ve bir atomun etrafşnda olusur, komsu atomlarla olan etkilesmelerle dig er atomlara

sşc rayarak kristal ic inde hareket ederler. Eksiton duzeyleri iletkenlik bant kşyşsşnşn hemen altşndadşr [9,22].

Yarş-iletken kristalinin boyutunun Bohr eksiton yarş c apşndan kuc uk olmasş durumunda yuzey etkileri elektron-bosluk c iftinin hareketi uzerinde etkili olmaya baslar, bol miktarda kristal kusuru anlamşna gelen yuzey elektron ve bosluklarş tuzaklar. Eksiton ic in tanşmlanan enerji seviyeleri daha fazla hidrojen atomu modeline oturtulamaz [20]. Yuzey etkisi karsşsşnda Coulomb etkilesimi ihmal edilebilir seviyededir ve elektron ve bosluklar serbest parc acşklarmşs gibi hareket ederler [21]. Eksitonlarşn enerjileri potansiyel kutusundaki parc acşk probleminin c ozumuyle ulasşlmaktadşr. HamiltonienÜe yuzey etkilerinden kaynaklanan bir U(r) potansiyeli eklenmelidir. Bu ifade denklem (3.3)Üte verilmistir.

( )

r

U

r

r

e

M

H

h e h e

+

−

−

∇

−

∇

−

=

ε

µ

2 2 2 2 2

2

2

η

η

(3.3)

Bu uyarşlmşs durumu veren tanşmlayan enerji ifadesi ise denklen (3.4) ile verilmistir ve bu ifade boyut etkisini bant aralşg şndaki artşs olarak ac şkc a ifade etmektedir.

r

E

E

_g

µ

π

2

2 2

η

+

=

_(3.4)

Yarş-iletken kristalinin boyutlarşnşn Bohr eksiton yarş c apşnşn altşnda olmasş durumunda tum elektronik enerji seviyelerinin arasşndaki enerji aralşg ş artmakta, bant aralşg ş genislerken bantlarş olusturan yorungeler de ayrşsmaktadşr [22].

Sekil 3.2: Boyutlarş Bohr eksiton yarşc apşndan daha kuc uk bir yarş-iletken kristalinin enerji seviyelerinin kuantalanmasş ve bant aralşg şnşn genislemesi [22].

Kristalin boyutlarşndan birisinin Bohr eksiton yarş c apşnşn altşnda olmasş bu boyutun kaybedildig i anlamşna gelmektedir. Tek boyutlu yarş-iletken kristalleri kuantum telleri, boyutsuz yarş-iletken kristalleri ise kuantum noktasş olarak adlandşrşlmaktadşr.

Bu kristallerde elektronlar ayrşk enerji seviyelerinde sşralandşg şndan dolayş bantlardaki durum yog nlug u da deg ismektedir. Sekil 3.3Üte goruldug u gibi kuantum tellerinde ve noktalarşnda girilebilir durumlar belli enerji seviyelerinde yşg şlmşstşr.

Sekil 3.3: Balk yarş-iletkenlerin ve kuantum yapşlarşnşn durum yog unluklarş arasşndaki farklar

Kuantum tellerinin InSb gibi elektro-optik malzemelerden uretilmesi kşzşlotesi detektor teknolojileri ic in ozellikler vaat etmektedir.

Tasşyşcşlarşn bir boyutlu ve sşfşr boyutlu nano-yapşlarda hapis olmasş kşzşl otesi şsşg şn algşlanmasşnda gelme ac şsşna olan bag şmlşlşg ş ve bununla birlikte hali hazşrdaki detektorlerde kullanşlan harici kşrşnşm ag larş gibi yapşlara olan ihtiyacş ortadan kaldşrmaktadşr. Bu yarşiletken nano-kristallerinin ayrşk elektronik enerji seviyeleri uc ve iki boyutlu kristallere gore daha uzun tasşyşcş yakalama ve durulma zamanş sag lamakta ve elektronlarşn fononlardan sac şlmalarş azalmaktadşr. Bu durum detektorler ic in daha dusuk sinyal gurultu oranş (SNR) sag layacaktşr. Az miktarda fonon sac şlmasş bir foto-detektor ic in daha dusuk fon akşmş anlamşna gelmektedir. Ayrşca detektor duyarlşlşg şnşn tasşyşcş yakalama zamanşnşn karesiyle orantşlş oldug unda goz onune alşnmalşdşr. Elektronik enerji seviyelerinin ayrşsarak tasşyşcşlarşn belli enerji seviyelerinde yog unlasmalarş kuantum teli ve noktasş kşzşl otesi detektorlere daha yuksek sşcaklşklarda c alşsma potansiyelini sag lamaktadşr. Bu

bantlar arasş genisleme yarşiletken nano-kristallerinin boyutlarş kontrol edilerek ayarlanabilir. Boylece farklş dalgaboyu aralşklarşnşn algşlanmasş malzemenin konfigurasyonu deg istirilmeden sag lanabilecektir ki, bu da onemli bir uretim kolaylşg ş teskil edecektir Bu bag lamda kuantum telleri ve kuantum noktalarşnşn detektor teknolojilerinde kullanşmşnş amac layan arastşrmalar yog unlasmşstşr [5].

4. DENEYSEL C ALISMALAR

4.1. Amac

Yarş-iletken nano-telleri farklşlasan elektronik ve optik ozellikleriyle mikro-elektronik ve elektro-optik uygulamalarşnda kullanşlmasş dusunulen yapşlardşr. Bu c alşsmanşn amacş c aplarş 50 nm ve altşnda olan InSb tellerinin buyutulmesidir. Tellerin buyutulmesi amacşyla alumina nano-sablonlarşn hazşrlanarak, kullanşlmasş uygun goruldu. Sablonlarşn uretimi sşrasşnda gozenek c apşnş kontrol etmek mumkundur [8]. Bu durum tellerin c aplarşnşn onceden belirlenmesini sag lamaktadşr. Tellerin sablonlarşn ic ine biriktirilmesi ic in elektrolitik alasşm biriktirme yonteminin kullanşlmasş uretim ac şsşndan kolaylşklar sag lamaktadşr [7].

Bu c alşsmada;

• Aluminyumun anodizasyonu ile alumina nano-tuplerin meydana getirilmesi,

• alumina nano-tuplerin diplerinin kaplamaya uygun hale getirilmesi,

• elde edilen yapşnşn sablon olarak kullanşlarak InSb nano-tellerinin elektrolitik alasşm biriktirme yontemiyle buyutulmesi,

• meydana getirilen yapşlarşn karakterize edilmesi amac lanmşstşr.

4.2. Deneylerde Kullanİlan Malzeme, Alet Ve Cihazlar 4.2.1. Kullanİlan Malzemeler

Aluminyumun anodizasyonu, zinkatlama, elektrolitik metal biriktirme ve alasşm biriktirme deneyleriyle, aluminyum plakalarşn temizlenmesi ic in kullanşlan kimyasal maddeler Tablo 4.1Üde verilmistir.

Elektrolitik alasşm kaplama deneylerinde referans olarak Ag/AgCl elektrot, yardşmcş elektrot olarak ta platin plaka, anodizasyon deneylerinde katot olarak paslanmaz c elik plaka kullanşlmşstşr.

Tablo 4. 1: Deneylerde kullanşlan kimyasallar.

Kimyasal Madde Saflİk U retici Firma

InCl3 %99.9 Alfa Aeser

SbCl3 %99.9 Alfa Aeser C6H8O7±H2O %99.9 MERCK K3C6H5O7±H2O %99.9 MERCK NaOH %99.9 MERCK (COOH)2 %99.9 MERCK HNO3 %65 MERCK NiSO4 %99.9 MERCK ZnO %99.9 MERCK

4.2.2. Kullanİlan Aletler ve Cihazlar

Aluminyumun anodizasyonu ic in 72 V - 12 A c şkşslş dog ru akşm kaynag ş kullanşlmşstşr. Deneyler c ift cidarlş aluminyum su banyosunda yapşlmşs sşcaklşg şn kontrolu  0.5 ¼C duyarlş termostatla sag lanmşstşr.

Elektrolitik nikel biriktirme deneyi ic in dog ru akşm kaynag ş kullanşlmşstşr. Hazşrlanan kaplama c ozeltisin sşcaklşg ş 50 - 250 ¼C aralşg şnda c alşsan şsştşcş ile kontrol edilip, termometre yardşmşyla olc ulmustur.

InSb elektrolitik alasşm biriktirme deneyleri ic in Radiometer marka Voltalab PGZ301 model bilgisayar kontrollu potentiostat kullanşlmşstşr. Biriktirme islemi su gomlekli cam hucre ic erisinde yapşlmşs, kaplama c ozeltisinin sşcaklşg ş  0.5 ¼C duyarlş termostatla kontrol edilmistir. Filmlerin yuzey ve kesit goruntuleri Jeol marka, JFM-7000 model alan emisyonlu, yuksek c ozunurluklu taramalş elektron mikroskobu kullanşlarak elde edilmistir. U retilen alasşmlarşn atomik oranlarş Oxford INCA marka X-sight model enerji dag şlşm spektrometresi kullanşlarak belirlenmistir. Bakşr uzerinde biriktirilen filmlerin X-şsşnş kşrşnşm desenleri Rigaku marka MiniFlex model XRD cihazş kullanşlarak elde edilmistir. Kşzşlotesi spektrumlarşnşn belirlenmesi ic in Perkin Emler marka, SpectrumOne model FT-IR cihazş ve Jobin Yvon marka HR800 UV model mikro RAMAN cihazş kullanşlmşstşr.

4.3. Deneyler ve Karakterizasyon

Deneysel c alşsmalar dort asamada gerc eklestirilmistir. Her asama uretim ve karakterizasyon c alşsmalarşndan olusmaktadşr. Alasşmşn kaplama parametrelerinin belirlenmesi amacşyla bakşr folyo altlşklar uzerine InSb kaplanarak dokuz adet numune uretilmistir. Tellerin uretimi asamasşnda aluminyumun anodizasyonu ve elektrolitik alasşm biriktirme yontemi kullanşlarak biri kontrol numunesi olmak uzere bes adet numune uretilmistir.

4.3.1. Alasİm Biriktirme Parametrelerinin Belirlenmesi

Bakşr altlşklar uzerine InSb ”elektrolitik alasşm kaplama„ yontemiyle kaplandş ve enerji dag şlşm spektrometresi (EDS) kullanşlarak elementer analizleri, X-şsşnş kşrşnşm spektrometresi (XRD) kullanşlarak faz analizi gerc eklestirilerek karakterize edildi.

4.3.1.1. Numune Hazİrlama

Uygun boyutlarda kesilmis bakşr (Cu) folyolar temizlenerek kaplamaya hazşr hale getirilmek ic in sşrasşyla; 1200 numaralş zşmpara kag şdş kullanşlarak yuzeydeki oksit tabakasş temizlendi ve distile suyla yşkandş, ultrasonik banyoda 30 ¼C sşcaklşkta, 10 dk aseton ic inde temizlendi, hidroklorik asit (HCl) c ozeltisi ic inde 15 s tutularak destile su ile yşkandş.

4.3.1.2. Alasİmİn Biriktirilmesi

500 ml kaplama sulu c ozeltisi hazşrlandş, c ozeltinin bilesenleri ve c ozeltiye katşlan miktarlarş Tablo 4.2Üde verilmistir.

Tablo 4. 2: Elektrolitik alasşm biriktirme c ozeltisinin bilesenleri ve moleriteleri. Bilesen Moleku ler agİrlİgİ Molarite (M) C ozeltiye katİlan

miktar (g)

InCl3 221,179 0,1 11,06

SbCl3 228,109 0,025 2,85

C6H8O7±H2O 210,140 0,15 15,76

K3C6H5O7±H2O 324,410 0,06 9,73

Kaplamanşn gerc eklestirildig i deney sistemi su ceketli kaplama hucresi, termostat ve guc kaynag şndan olusmaktadşr. Cam hucrenin su gomleg i termostata bag landş. Kaplama islemi, c ozelti 16 ¼C sşcaklşg a getirilerek gerc eklestirildi. Referans elektrot (Ref) olarak Ag/AgCl, yardşmcş elektrot (Aux) olarak platin (Pt) ve c alşsma elektrodu olarak ta hazşrladşg şmşz bakşr numuneler kullanşldş. Deney sistemi Sekil 4.1Üde sematik olarak gosterilmistir.

Sekil 4. 1: InSb alasşm kaplama deney sistemi.

Bakşr altlşklara dog rusal ve darbe formlarşnda potansiyel uygulanarak iki grup kaplama gerc eklestirildi.

Dog ru akşm grubunda bakşr altlşg a referans elektroda gore farklş potansiyeller uygulanarak bes adet numune uretildi. Tablo 5.3Üte numunelerin kodlarş, uygulanan potansiyel ve kaplama sureleri verilmistir.

Tablo 4. 3: Dog ru akşm grubu numuneleri. Numunenin kodu Ag/AgCl Ref. Elektroda

gore uygulanan potansiyel (mV) Kaplama zamanİ (dk) InSb500-1 -500 10 InSb750-1 -750 10 InSb1000-1 -1000 10 InSb1200-1 -1200 10 InSb1400-1 -1400 10

Darbe grubunda, atma periyodu 10 s olarak belirlendi, 7 sn ve 3 sn olarak iki farklş atma genislig i denendi. Her iki darbe rejimi ic in bakşr altlşg a referans elektroda gore iki farklş potansiyel uygulandş. Bakşr altlşg a uygulanan darbe rejimleri Sekil 5.2Üde gosterilmistir. Darbe grubunda dort adet numune uretildi. Bu numunelerin kodlarş, uygulanan potansiyel ve kaplama sureleri atma rejimine gore ayrşlarak Tablo 5.4Üte verilmistir.

Sekil 4. 2: Darbe grubunda uretilen dort numune ic in bakşr altlşg a uygulanan potansiyel rejimleri.

Tablo 4. 4: Darbe kaplama grubu.

Atma rejimi Numunenin

kodu Uygulanan potansiyel (mV) Kaplama zamanİ (atma) InSb900p-1 -900 60 7sn atma genislig i, 10 sn periyot InSb1400p-1 -1400 60 InSb900p-2 -900 80 3sn atma genislig i 10 sn periyot InSb1400p-2 -1400 80

4.3.1.3. Karakterizasyon

Her iki grupta uretilen tum filmin enerji dag şlşm spektrometresi (EDS) kullanşlarak atomik oranlarş belirlendi. Atma grubundan InSb1400p-1 ve InSb1400p-2 numunelerinin X-şsşnş kşrşnşm desenleri elde edilerek olusan fazlar belirlendi. InSb1400p-2 numunesinin FT-IR ve RAMAN spektrumu belirlendi.

4.3.2. Anodik Alu mina Nano-Sablonlarİn U retimi

Alumina nano-sablonlarşn uretilmesi, aluminyumun anodizasyonuyla nano-tuplerin olusturulmasş ve bariyer tabakanşn sokulerek, tuplerin dip bolgelerinin kaplamaya uygun hale getirilmesi olarak iki asmada gerc eklestirildi.

4.3.2.1. Numune Hazİrlama

Aluminyum plakalar sşrasşyla; %10Üluk sodyum hidroksit (NaOH) sulu c ozeltisinde bekletildi ve distile suyla durulandş, yuzeyde olusan sodyum nitrat filmini c ozmek ic in %15Üluk nitrik asit (HNO3) sulu c ozeltisinde bekletildi ve distile suyla durulandş.

4.3.2.2. Alu mina Nano-Tu plerin U retimi

Aluminyumun anodizasyonu cam bir beher ic erisinde %3Üluk oksalik asit (COOH)2

c ozeltisi kullanşlarak gerc eklestirildi. C ozelti, beher c ift cidarlş sog utma banyosuna yerlestirilip, termostata bag lanarak 16 ¼C sşcaklşg a getirilerdi. C ozeltinin karşstşrşlmasş ic in difuzor kullanşlarak sşcaklşg şn anodizasyon sşrasşnda esit olarak dag şlmasş sag landş. Anodizasyon isleminde katot olarak paslanmaz c elik bir levha kullanşldş, DA guc kaynag ş ile anot ve katot arasşna 60V sabit potansiyel uygulandş. Bir ampermetre bag lanarak anodizasyon boyunca devreden gec en akşm olc uldu.

Iki adet anodizasyon grubu olusturuldu. Grup.I iki adet numune ic ermektedir. Dort numune de 1dk anodize edilmistir. Grup.II iki adet numune ic ermektedir ve tum numuneler 30sn anodize edilmistir.

4.3.2.3. Alu mina Nano-Sablonlarİn Tamamlanmasİ

Bilesimi Tablo 5.5Üte verilen, 500ml zinkat c ozeltisi hazşrlandş. Anodize edilen numuneler zinkat sulu c ozeltisine daldşrşldş. Grup.I numuneleri 30 sn, zinkat c ozeltisinde tutulup, c ozeltiden c şkartşldşktan sonra destile suyla yşkandşlar.

Grup.II numunelerinden biri zinkat c ozeltisine 20s, dig eri 10s daldşrşlarak hazşrlandşlar. Numuneler zinkatlama isleminden sonra distile suyla yşkandş.

Tablo 4. 5: Kullanşlan zinkat c ozeltisinin bilesimi. Bilesen C ozeltiye katİlan

miktar (g) C inko oksit ZnO 5 g Sodyum hidroksit NaOH 60 g

Zinkatlama islemini muteakip sec ilen numuneler elektrolitik nikel biriktirme islemine tabii tutuldu. Elektrolitik nikel biriktirmek amacşyla bilesimi Tablo 5.6Üda verilen 500ml sulu c ozelti hazşrlanmşstşr.

Tablo 4. 6: Elektrolitik Ni biriktirme deneylerinde kullanşlan c ozeltinin bilesenleri.

Bilesen C ozeltiye katİlan

miktar (g) Nikel sulfat (ZnSO4) 150 g

H3BO3 22,5 g

Hazşrlanan c ozelti 50 ¼C sşcaklşg a kadar şsştşldş. Elektrolitik nikel biriktirme islemi ic in anot olarak Nikel kullanşldş ve numuneler 3 V sabit potansiyel altşnda 5 sn kaplandş. C ozeltiden c şkartşlan numuneler distile suyla durulandş. Nikel biriktirme isleminin uygulandşg ş numuneler Tablo 5.7Üde gosterilmistir.

Tablo 4. 7: U retilen alumina nano-sablonlarşn sşrasşyla gec irdig i islemler. Grup Sablon Kodu Anodizasyon

zamanİ (sn) Zinkatlama zamanİ (sn) Nikel biriktirme zamanİ (sn) ZnNi-60-1 60 30 5 Grup I Zn-60-1 60 30 - ZnNi-30-1 30 20 5 Grup II ZnNi-30-2 30 10 5

4.3.3. InSb Alasİmİnİn Biriktirilmesi ve Karakterizasyonu 4.3.3.1. InSb Alasİmİnİn Biriktirilmesi

Deney duzeneg i ve kaplama c ozeltisi ”5.3.1. Biriktirme Parametrelerinin Belirlenmesi„ baslşklş bolumde belirtilen sekilde hazşrlandş. Grup.I ve Grup.II numunelerine farklş kaplama sureleri ve potansiyel rejimleri uygulandş.

Grup.I numunelerine 30 sn referans elektroduna gore atma formunda -1400 mV potansiyel uygulandş. Atma genislig i yine 3 sn ve periyot ise 10 sn olarak ayarlandş. Grup.II numuneleri 20 sn sureyle kaplama islemine tabi tutuldu. Referans elektroda gore yine -1400 mV potansiyel atma formunda uygulanşrken bu defa atma genislig i 3 sn ve periyot ta 10 sn olarak ayarlandş.

Tablo 4. 8: Alumina sablonlarşn elektrolitik alasşm kaplama zamanlarş. Sablon Kodu Alasİm biriktirme

zamanİ (sn) Numune Kodu ZnNi-60-1 30 ZnNiInSb1400p1 Zn-60-1 30 ZnInSb1400p1 ZnNi-30-1 20 ZnNiInSb1400ps1 ZnNi-30-2 20 ZnNiInSb1400ps6

Numuneler kaplama c ozeltisinden c şkartşldşktan sonra distile suyla durulandş ve alkolle kurutuldu.

4.3.3.2. Karakterizasyon

Numunelerin kaplama isleminden sonra FE-SEM kullanşlarak yuzey ve kesit resimleri alşndş. EDS kullanşlarak atomik oranlarş belirlendi. FT-IR ve RAMAN spektrumlarş belirlendi.

5. SONUC LAR ve IRDELEMELER

5.1. Bakİr Altlİk U zerinde Biriktirilen Ince Filmlerin Incelenmesi

Bakşr folyo altlşklar uzerine dog rusal potansiyeller altşnda biriktirilen InSb filmlerinin EDS sonuc larş Tablo 5.1Üde atomik oranlar olarak verilmistir. Uygulanan -500 mV duzgun potansiyel altşnda kaplama meydana gelmemistir. Atomik oranlarda %5 oranşnda sapma olabilir.

Tablo 5. 1: Duzgun potansiyel altşnda kaplanan grubun EDS sonuc larş.

Numunenin kodu In (%) Sb (%) InSb500-1 - - InSb750-1 79,37 20,63 InSb1000-1 81,44 19,56 InSb1200-1 77,02 22,98 InSb1400-1 74,71 25,29

Darbeli potansiyel altşnda biriktirilen InSb filmlerinin EDS sonuc larş atomik oranlar olarak Tablo 5.2Üde verilmistir.

Tablo 5. 2: Darbeli potansiyel altşnda kaplanan grubun EDS sonuc larş.

Numunenin kodu In (%) Sb (%)

InSb900p-1 32,64 67,36

InSb1400p-1 80,71 19,29

InSb900p-2 71,44 29,56

Sekil 5. 1: -1400 mV potansiyel uygulanan numunelerin EDS spektrumlarş. InSb1400p-2 numunesinde In ve Sb atomik oranlarşnşn 1/1Üe oldukc a yaklastşg ş goruldu. Dig er numuneler bu orandan uzaktşr. Bu durumda uygulanan -1400 mV potansiyel ve potansiyelin darbeli formu (3 sn darbe genislig i ve 10 sn periyotla) biriktirilen alasşmşn istenilen atomik orana sahip olmasş ic in gerekli biriktirme parametreleridir. Sekil 5.1Üde -1400 mV duzgun ve darbeli potansiyelle, farklş darbe genisliklerinin atomik oranlar uzerindeki etkisi elementlerin EDS spektrumlarşndaki siddetlerinden gorulebilir.

Sekil 5. 2: InSb1400p1 numunesinin X-şsşnş difraksiyon paterni.

Sekil 5. 3: InSb1400p2 numunesinin X-şsşnş difraksiyon paterni.

InSb1400p-1 ve InSb1400p-2 numunelerinin X-şsşnş kşrşnşm desenleri elde edilerek biriktirilen alasşmdaki fazlar belirlendi. Her iki numunede de InSb kristalinin farklş kristal yonelimlerindeki fazlarşnşn olustug u belirlendi. Bununla beraber InSb1400p2 numunesinde indiyumun InSb kristalinin yapşsşna katşlmadan elementer olarak kristallendig i goruldu. Bu durum biriktirilen alasşmlara şsşl islem uygulanmasş gereklilig ini ortaya koymaktadşr.