Kimyasal püskürtme tekniği ile üretilen katkısız ve Ga katkılı ZnO bileşiklerinin yapısal,optiksel ve elektriksel özellikleri

KĠMYASAL PÜSKÜRTME TEKNĠĞĠ ĠLE ÜRETĠLEN KATKISIZ VE Ga KATKILI ZnO BĠLEġĠKLERĠNĠN YAPISAL, OPTĠKSEL VE

ELEKTRĠKSEL ÖZELLĠKLERĠ Seda UZKALAN Yüksek Lisans Tezi Fizik Anabilim Dalı

KĠMYASAL PÜSKÜRTME TEKNĠĞĠ ĠLE ÜRETĠLEN KATKISIZ VE Ga KATKILI ZnO BĠLEġĠKLERĠNĠN YAPISAL, OPTĠKSEL VE ELEKTRĠKSEL ÖZELLĠKLERĠ

Seda UZKALAN

Dumlupınar Üniversitesi

Lisansüstü Eğitim Öğretim ve Sınav Yönetmeliği Uyarınca Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Anabilim Dalında

YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Olarak HazırlanmıĢtır.

DanıĢman: Doç. Dr. H.Sanem AYDOĞU

KABUL VE ONAY SAYFASI

Seda UZKALAN' nın YÜKSEK LĠSANS tezi olarak hazırladığı “Kimyasal püskürtme tekniği ile üretilen katkısız ve Ga katkılı ZnO bileĢiklerinin yapısal, optiksel ve elektriksel özellikleri” baĢlıklı bu çalıĢma, jürimizce Dumlupınar Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Öğretim ve Sınav Yönetmeliğinin ilgili maddeleri uyarınca değerlendirilerek kabul edilmiĢtir.

30/11/2017

Üye : Doç. Dr. H. Sanem AYDOĞU (DanıĢnam)

Üye : Doç.Dr.Hamza YaĢar OCAK

Üye : Prof. Dr. Ġdris AKYÜZ

ETĠK ĠLKE VE KURALLARA UYGUNLUK BEYANI

Fen Bilimleri Enstitüsünün Yönetim Kurulu‟nun …../…../….. gün ve ……… sayılı kararıyla onaylanmıĢtır.

Prof.Dr.Hasan GÖÇMEZ

ETĠK ĠLKE VE KURALLARA UYGUNLUK BEYANI

Bu tezin hazırlanmasında Akademik kurallara riayet ettiğimizi, özgün bir çalıĢma olduğunu ve yapılan tez çalıĢmasının bilimsel etik ilke ve kurallara uygun olduğunu, çalıĢma kapsamında teze ait olmayan veriler için kaynak gösterildiğini ve kaynaklar dizininde belirtildiğini, Yüksek Öğretim Kurulu tarafından kullanılmak üzere önerilen ve Dumlupınar Üniversitesi tarafından kullanılan Ġntihal Programı ile tarandığını ve benzerlik oranının %17 çıktığını beyan ederiz. Aykırı bir durum ortaya çıktığı takdirde tüm hukuki sonuçlara razı olduğumuzu taahhüt ederiz.

Doç. Dr. H.Sanem AYDOĞU Seda UZKALAN

KĠMYASAL PÜSKÜRTME TEKNĠĞĠ ĠLE ÜRETĠLEN KATKISIZ VE Ga KATKILI ZnO BĠLEġĠKLERĠNĠN YAPISAL, OPTĠKSEL VE ELEKTRĠKSEL ÖZELLĠKLERĠ

Seda UZKALAN

Fizik Bölümü, Yüksek Lisans Tezi, 2017 Tez DanıĢmanı: Doç. Dr. H. Sanem AYDOĞU

ÖZET

Bu çalıĢmada ZnO yarıiletken filmleri ultrasonik kimyasal püskürtme tekniği ile 375 ±5°C taban sıcaklığında üretilmiĢtir ve ZnO yarıiletken filmlerinin fiziksel özelliklerine Galyum elementi katkısının (%20, %40, %60, %80) etkisi araĢtırılmıĢtır. Elde edilen ZnO bileĢiğinede Ga katkı oranının arttırılması ile ZnO hekzagonal yapısının %80 katkı ile ortorombik yapıya dönüĢtüğü XRD kırınım desenlerinde görülmüĢtür. Katkısız ve Ga katkılı ZnO ince filmlerinin x-ıĢını kırınım deseninden yararlanarak hesaplanan a örgü sabiti değerlerinin 3,1489 Å ile 13,5370Å arasında, tanecik büyüklüklerinin 10 nm ile 36 nm arasında ve dislokasyon yoğunluklarının 0,77x10-3

(nm)-2 ile 1,19x10-3(nm)-2 arasında değiĢmiĢtir. Katkısız ve Ga katkılı ZnO yarıiletken filmlerinin optik özellikleri incelenmiĢ, direkt bant geçiĢine sahip oldukları saptanmıĢtır. Filmlerin elektriksel iletkenlik ve özdirenç değerlerini belirlemek amacıyla, Sıcak Uç ve Dört Uç Teknikleri kullanılmıĢtır. Özdirenç değerleri 3,47x104

Ωm ile 0,356x102 Ωm arasında değiĢmektedir. Filmlerin Atomik Kuvvet Mikroskobu’nda görüntüleri alınarak Rq (rms pürüzlülük) 8,5 nm ile 11,4 nm , Ra (ortalama pürüzlülük) 10,8 nm ile 14,4 nm, Rpv (pikvadi) pürüzlülük 71,7 nm ile 91,8 nm arasında değiĢmektedir. Katkısız ve Ga katkılı ZnO filmlerinin kalınlıkları spektroskopik elipsometri ölçümlerinden belirlenmiĢtir.

Anahtar Kelimeler: ZnO:Ga Filmleri, Geçirgenlik, Ultrasonik Kimyasal Püskürtme Tekniği,

THE STRUCTURAL, OPTICAL AND ELECTRICAL PROPERTIES OF UNDOPED AND Ga DOPED ZnO COMPOUNDS PRODUCED BY CHEMICAL SPRAY

PROLYSIS TECHNIQUE

Seda UZKALAN

Physics Department, M. S. Thesis, 2017 Thesis Supervisor: Assoc.Prof. H. Sanem AYDOĞU

SUMMARY

In this work, ZnO semiconductor films are produced at 375±5°C substrate temperature by ultrasonic chemical spray pyrolysis technique. It is investigated the effect of Ga doped (20 – 40 – 60 – 80%) on the physical properties of ZnO films. It is seen that at in x – ray diffraction pattern.the structure of ZnO film is doping Ga 80% changed from hexagonal structure to orthorhombic structure. Calculated using x – ray diffraction patterns. The lattice constant (a), crystalline size (D) and dislocation density (d) values of undoper and Ga doped ZnO films are changed in intervals 3,1489 Å to 13,5370 Å, 10 nm to 36 nm and 0,77x10-3(nm)-2 to 1,19x10

-3

(nm)-2 respectively. The as a result of examining the oplicproperhesatthe undoped and Ga doped Zno semiconductor films, ıt is determined that have direct band transition. In order to determine the electrical conductivity and resistivity values of the films, hot probe and four probe techniqees were used, respectively. The resistivities valves are between 3,47x104 Ωm and 0,356x102 Ωm. From the Atomic Force Microskopy images of films, Rq (rms roughness) changed from 8.5 nm to 11.4 nm, Ra (average roughness) changed from 10.887nm to 14.404nm and Rpv (peak valley) changed from 71.7 nm to 91.8 nm. The thicknesses of undoped and Ga doped ZnO films were determined by spectroscopic elipsometry measurements.

Keywords: ZnO:Ga films, Transmittance, Ultrasonic spray pyrolysis technical , X-ray

TEġEKKÜR

Yüksek lisans eğitimim süresince; ilminden faydalandığım, öğrencisi olmaktan onur duyduğum ve ayrıca tecrübelerinden yararlanırken göstermiĢ olduğu hoĢgörü ve sabrından dolayı değerli hocam Kütahya Dumlupınar Üniversitesi Öğretim Üyelerinden Sayın Doç. Dr. H.Senem AYDOĞU' ya. sonsuz saygı ve teĢekkürlerimi sunarım.

Yüksek lisans eğitimim süresince her konuda yardımını ve desteğini esirgemeyen Kütahya Dumlupınar Üniversitesi Öğretim Üyelerinden Prof.Dr. Atalay KÜÇÜKBURSA'ya Doç.Dr.Kaan MANĠSA'ya, Doç.Dr.Hamza YaĢar OCAK'a, ve Yrd. Doç.Dr.Sedat ZEYREK' e teĢekkür ederim. Filmlerin analizleri sırasında benden hiçbir yardımını esirgemeyen EskiĢehir Anadolu Üniversitesi Öğretim Üyelerinden Doç. Dr. Ahmet ġenol AYBEK'e deneylerimin yapılması ve incelenmesi sırasında benden hiçbir bilgi ve tecrübesini esirgemeyen sayın hocalarım EskiĢehir Osmangazi Üniversitesi Öğretim Üyelerinden Yrd. Doç. Dr. Salih KÖSE'ye, Prof. Dr. Ġdris AKYÜZ'e ve Prof. Dr. Ferhunde ATAY'a teĢekkür ederim.

YaĢantımın her döneminde bana her türlü desteği sağlayan, bugünlere gelmemdeki en büyük emeğe sahip; çok değerli anne Melek UZKALAN'a ve babam Mustafa UZKALAN'a ayrıca sevgili kardeĢim Mertcan UZKALAN'a en candan teĢekkürlerimi sunarım.

ĠÇĠNDEKĠLER Sayfa ÖZET...v SUMMARY...x ġEKĠLLER DĠZĠNĠ...ix ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ ...xii

SĠMGELER VE KISALTMALAR DĠZĠNĠ... xiii

1.GĠRĠġ...1

1.1. GiriĢ...1

1.2. Yarıiletkenler...2

1.2.1 Katkılı Yarıiletkenler...4

1.2.1.a n- Tipi yarıiletkenler...5

1.2.1.b p- Tipi yarıiletkenler...6

. 1.4. ZnO BileĢiğinin Özellikleri...8

2. ZnO FĠLMLERĠNĠN ELDE EDĠLMESĠ...10

2.1. GiriĢ...10

2.2.Ultrosonik Kimyasal Püskürtme Tekniği...10

2.3. Deneyin YapılıĢı...17

2.3.1 Zn(CH3COO)2.2H2O çözeltisinin hazırlanması...17

2.3.2 GaN3O9.xH2O çözeltisinin hazırlanması ...17

3. X- IġINLARI KIRINIM DESENLERĠ...19

3.1. GiriĢ...19

3.2. Kırınım Ve Bragg Yasası ...19

ĠÇĠNDEKĠLER (devam)

Sayfa

4-YARIĠLETKENLERĠN OPTĠK ÖZELLĠKLERĠ...30

4.1 GiriĢ...30

4.2. Optik Özellikler...30

4.2.1 IĢığın madde ile etkileĢmesi ...30

4.3 Temel Soğurma...32

. 4.3.1 Direkt (Doğrudan) bant aralıklı yarıiletkenler...36

4.3.2 Ġndirekt (Dolaylı) bant aralıklı yarıiletkenler...37

4.4 Katkısız ve Ga Katkılı ZnO Filmlerinin Optik Geçirgenlik Spektrumları...38

4.5 Optik Metotla Yarıiletkenlerin Yasak Enerji Aralıklarının Belirlenmesi...41

5. ZnO FĠLMLERĠNĠN ELEKTRĠKSEL ÖZELLĠKLERĠ ...46

5.1 GiriĢ...46

5.2 Bir Yarıiletken Malzemenin Elektriksel Özellikleri...46

5.3 Dört Uç ve Sıcak Uç Teknikleri...47

6- FĠLMLERĠN YÜZEYSEL ÖZELLĠKLERĠNĠN ĠNCELENMESĠ...51

6.1 GiriĢ...51

6.2. Atomik Kuvvet Mikroskobu...51

6.3 ZnO Filmlerinin Atomik Kuvvet Mikroskobu Görüntüleri...53

7. SONUÇ...58

ġEKĠLLER DĠZĠNĠ

ġekil Sayfa

1.1. Yarıiletken bileĢiklerin periyodik cetveldeki gösterimi...3

1.2. n- tipi yarıiletken...5

1.3. n-tipi yarıiletken için enerji-bandı diyagramı...6

1.4. p-tipi yarıiletken. ...7

1.5. p-tipi yarıiletken için enerji-bandı diyagramı...7

1.6. ZnO hekzagonal kristal yapısı...9

2.1. Ultrasonik kimyasal püskürtme sistemi...12

2.2. Damlacık boyutuna bağlı çeĢitli çöktürme yöntemler...13

2.3. Püskürtme baĢlığı ve püskürtme konisinin Ģematik gösterim...15

3.1. Kristalde x-ıĢını kırınımı...20

3.2. Z0 filminin x-ıĢını kırınım deseni...25

3.3. ZG20 filminin x-ıĢını kırınım deseni ...26

3.4. ZG40 filminin x-ıĢını kırınım deseni...27

3.5. ZG60 filminin x-ıĢını kırınım deseni...28

3.6. ZG80 katkılı filminin x-ıĢını kırınım deseni...29

4.1. (a) Optik süreçlerin sınıflandırılması. (b) Ortam içinde meydana gelebilecek optik . olaylar ...31

4.2. Yarıiletkenlerde soğurma spektrumu...33

4.3. Yarıiletkenlerde direkt bant geçiĢi...36

4.4. Yarıiletkenlerde indirekt bant geçiĢi...37

4.5. Z0 filminin geçirgenlik spektrumları...39

4.6. ZG20 filminin geçirgenlik spektrumları...39

4.7. ZG40 filminin geçirgenlik spektrumları...40

4.8. ZG60 filminin geçirgenlik spektrumları...40

4.9. ZG80 filminin geçirgenlik spektrumları...41

4.10. Z0 yasak enerji aralığı...42

4.11. ZG20 yasak enerji aralığı...43

ġEKĠLLER DĠZĠNĠ (devam)

ġekil Sayfa

4.13. ZG60 yasak enerji aralığı...44

4.14. ZG80 yasak enerji aralığı ...44

5.1. Dört uç tekniği ile özdirenç ölçüm düzeneğinin Ģematik gösterimi...48

5.2. Sıcak uç tekniği...49

6.1. Atomik Kuvvet Mikroskobu’nda temel görüntü alma mekanizması...52

6.2. Z0 filminin AFM görüntüsü...54

6.3. ZG20 filminin AFM görüntüsü...55

6.4. ZG40 filminin AFM görüntüsü...55

6.5. ZG60 filminin AFM görüntüsü...56

ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ

Çizelge Sayfa

2.1. ZnO filmlerinin üretim parametreleri...18 3.1. a, b, c örgü sabitleri ve düzlemler arası uzaklıkları...24

3.2. Katkısız ve Ga katkılı ZnO filmlerinin (100) piki için tanecik büyüklüğü ve dislokasyon

.. yoğunluğu...24 5.1. ZnO ve ZnO:Ga filmlerinin özdirenç ,elektriksel iletkenlik değerleri ve elektriksel .

. . iletkenlik tipleri...50 6.1. ZnO ve Ga filmlerinin Rq (rms pürüzlülük), Ra (ortalama pürüzlülük), Rpv (pikvadi) .

SĠMGERLER VE KISALTMALAR DĠZĠLĠMĠ

Simgeler Açıklama

δ Dislokasyon yoğunluğu

d Kalınlık, düzlemler arası mesafe D Tanecik büyüklüğü λ Dalga boyu θ Bragg açısı 2θ Kırınım açısı T Geçirgenlik ν Frekans

α Lineer soğurma katsayısı Eg Yasak enerji aralığı

Ep Fonon enerjisi

eV Elektron volt n TaĢıyıcı yoğunluğu °C Santigrat derece Å Angström

β Yarı maksimum pik geniĢliği (FWHM) τ Dislokasyon çarpanı

R Yansıma katsayısı, Yansıma c IĢığın boĢ uzaydaki hızı I Gözlenen Ģiddet,

i Akım

I0 Standart Ģiddet, gelen ıĢığın Ģiddeti

k Sönüm katsayısı

N Kırınım deseni üzerindeki piklerin toplam sayısı n Kırılma indisi

SĠMGERLER VE KISALTMALAR DĠZĠLĠMĠ (devam)

Simgeler Açıklama

Ef Fermi enerji

Ev Valans bandındaki en üst enerji seviyesinin enerjisi

Eg Yasak enerji aralığı

Ec Ġletim bandı en alt enerji seviyesinin enerjisi

ρ Özdirenç σ Ġletkenlik

τh BoĢluk oluĢumu için geçen süre

τe Elektronlar için iki çarpıĢma arasında geçen süre

Rq, rms pürüzlülük

Ra Ortalama pürüzlülük

⃗ Fotonun dalga vektörü

⃗ c Ġletim bandına karĢılık gelen dalga vektörü

ZnO Çinko oksit Ga Galyum Z0 Katkısız ZnO ZG20 %20 Ga katkılı ZnO ZG40 %40 Ga katkılı ZnO ZG60 %60 Ga katkılı ZnO ZG80 %80 Ga katkılı ZnO

AFM Atomik Kuvvet Mikroskobu XRD X ıĢınları kırınımı

UKP Ultrasonik kimyasal püskürtme (hkl) Miller indisleri

CVD Kimyasal buharlabiriktirme yöntemi VE Vakumlu buharlaĢtırma yöntemi

1.GĠRĠġ 1.1 GiriĢ

Yarıiletkenlerin üretimi, modern toplumdaki yüksek kullanım potansiyelleri nedeni ile önemi giderek artan bir alandır. Yarıiletken üretimi alanının kökeninde hem kimya hem de fizik bulunmaktadır. Yarıiletken araĢtırmalarında kimya ile fizik arasındaki ayrım giderek zorlaĢmaktadır. Yarıiletkenin nasıl üretileceği hakkındaki yeni imkanların bilgisi kimyanın, neyin üretilmesine ihtiyaç duyulduğu ise fiziğin ilgisindedir.

Yarıiletken filmler, farklı üretim teknikleri kullanılarak kaplanacak malzemenin atomlarının ya da moleküllerinin, filmi destekleyerek filmin oluĢumuna yardımcı olan bir taban üzerine dizilmesi ile ince bir tabaka halinde oluĢturulan yarıiletken malzemelerdir (Bilgin, 2003).

1950’li yıllardan günümüze kadar baĢlangıçta laboratuvar çalıĢmalarından ibaret olan bu çalıĢmalara çeĢitli yöntemlerden bazıları denenerek yapılmıĢtır. Ġnce film elde etmede kullanılan ilk teknik “elektroliz yöntemi”dir. Teknojilerin geliĢmesiyle yarıiletken filmlerin elde edilmesinde kullanılan çeĢitli yöntemler elde edilmiĢtir: Kimyasal buharlabiriktirme yöntemi (chemical vapour deposition; CVD), püskürtme yöntemi (spray- pyrolysis, SP), vakumlu buharlaĢtırma yöntemi (vacuum evaporation; VE)'dir.

Yukarıdaki yöntemler içerisinde kimyasal püskürtme yöntemi ile elde edilen filmler genellikle polikristal yapıdadırlar. Son zamanlarda poliristaller tek kristallerin yerine tercih edilmektedir. Bunun nedeni ise tek kristallerin elde edilmesinin pahalı ve zor olmasıdır. Polikristallerin elde edilmesinde kullanılan yöntemler ise daha basit ve ekonomiktir (Streerman,1980).

1.2 Yarıiletkenler

Katılar elektriksel özelliklerine göre yalıtkanlar, yarıiletkenler ve metaller olmak üzere üç grupta toplanırlar. Enerji bant teorisine göre, valans bandı tamamen dolu ve iletim bandı tamamen boĢ olan katılara “yalıtkan” adı verilir. Valans bandının yarı dolu olduğu katılar ise

“metal” olarak adlandırılır. Valans ve iletim bantları arasındaki yasak enerji aralığı yalıtkanlarda olduğu kadar geniĢ olmayan katılara da “yarıiletken” adı verilir (Özer, 2010). Yarıiletkenler çok düĢük sıcaklıklarda yalıtkan olma eğilimi gösterirler ve mutlak sıfır sıcaklıkta (T=0 K) yalıtkan olarak davranırlar.

Yarıiletken teknolojisi bugün olduğu gibi geleceğin de en önemli teknolojilerinden biri olacaktır. Otomobillerin panel aydınlatmaları, cep telefonlarındaki aydınlatma, trafik ıĢıkları gibi aydınlatma ve iĢaretleme sistemleri de yarıiletken diyotlarla sağlanmaktadır. Tüm bunların dıĢında, yarıiletken algılama sistemlerinde, yangınlarda gaz analizinde, sağlık alanında hızlı ve doğru sıcaklık ölçümünde de kullanılmaktadır. Ayrıca askeri alanda hedef belirleme ve gece görüĢ sistemleri gibi pek çok kullanım alanı bulunmaktadır. Son yıllarda yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ihtiyaçlar da yine yarıiletken malzemeleri geleceğin vazgeçilmezi yapmaktadır.

ġekil 1.1 Yarıiletken bileĢiklerin periyodik cetveldeki gösterimi.

Yarıiletkenler “has yarıiletkenler” ve ''bileĢik yarıiletkenler” olarak iki grupta sınıflandırılabilir. ġekil 1.1’de görüldüğü gibi, periyodik cetvelin IV. grubuna ait elementlerden

oluĢan yarıiletkenler “has yarıiletkenler” olarak bilinir. BileĢik yarıiletkenler ise IV veya II-VI grup elementlerinden oluĢur. III-V bileĢikleri periyodik cetvelin üçüncü ve beĢinci grup elementlerinin bileĢik oluĢturacak Ģekilde bir araya gelmesiyle elde edilirler. Bu gruba InSb, GaAs, GaP ve InAs örnek verilebilir. III-V bileĢikleri kübik (sphalerite) yapıda kristallenirler ve bağlanma tipleri de ağırlıklı olarak kovalenttir (Nag, 1980). Periyodik cetvelin II-B ve VI-A gruplarında bulunan farklı elementlerden oluĢan II- VI grup yarıiletken bileĢiklerin elektronegatiflikteki farklılıktan dolayı bağlanma Ģekli ise iyonik ve kovalenttir. Bu bileĢikler hem kübik hem de hekzagonal yapıda kristallenirler. Bu grubun bileĢiklerine CdO, ZnO, CdS ve ZnS örnek verilebilir (Nag, 1980) AlaĢım yarıiletkenler ise bileĢiğe belirli miktarda farklı bir elementin katılmasıyla oluĢturulan üçlü ya da dörtlü yarıiletkenlerdir. Bu katılarda bant yapısı ve örgü sabiti gibi fiziksel özellikler kendisini meydana getiren ikili yarıiletkenden farklıdır. AlaĢım yarıiletkenlere GaxIn1-xAsyP1-y ve AlxGa1-xAs örnek olarak verilebilir (Özer, 2010).

1.2.1 Katkılı yarıiletkenler

Katkı elementine göre çoğunluk yük taĢıyıcıları, ya iletim bandındaki elektronlar ya da değerlik bandındaki boĢluklar olur (Neamen, 2007). Has bir yarıiletkende elektron ve boĢluk yoğunluğu birbirine eĢittir. Bir elektron değerlik bandından iletim bandına ısıl uyarılma ile çıkarılırken geride daima bir boĢluk bırakır. Gerçek hayatta birçok uygulamada, bir tek taĢıyıcı tipinin etkin olacağı örneklere ihtiyaç vardır. Bir yarıiletken uygun katkı elementleri ile katkılandığında çoğunluk taĢıyıcıları boĢluklar ya da elektronlar olan numuneler elde edilebilir. Bu katkılama ve örgü bozuklukları yarıiletkenin elektriksel özelliğini önemli ölçüde etkileyen faktörlerdir. Yarıiletkenler katkılama iĢleminden sonra katkılanan elemente göre n-tipi ve p-tipi yarıiletkenler olarak ikiye ayrılırlar. Has yarıiletken içerisine V. grup elementi katkılandığında n tipi yarıiletken, III. grup elementi katkılandığında p tipi yarıiletken oluĢur (Omar, 1975; Kittel, 1996; Razeghi, 2006).

1.2.1.a n- Tipi yarıiletkenler

Has yarıiletken olan silisyum ve germanyum kristallerine katkı atomları katkılandığında bu yapıların özellikleri değiĢir. Silisyum ve germanyum elmas yapı da kristalleĢir ve IV. grup elementlerindendir. Her atom komĢu dört atomla kovalent bağlı olup değerliği dörttür.

Değerliği beĢ olan fosfor (P), arsenik (As) gibi bir katkı elementi, örgüdeki normal bir atomla yer değiĢtirirse, dört kovalent bağı tamamladıktan sonra geriye bir değerlik elektronu kalır. Böylece, bir katkı maddesi örgüyü en az bozacak Ģekilde yerleĢmiĢ olur (Kittel, 1996). ġekil 1.2’de arsenik atomu katkılanmıĢ germanyum kristali görülmektedir. Kristal içersinde arsenik atomunun beĢ değerlik elektronundan dördü, germanyum atomunun dört değerlik elektronu ile kovalent bağ yapar. Arsenik atomunun beĢinci elektronu arsenik atomuna zayıf bir kuvvetle bağlıdır. Bu beĢinci elektron ortamdan temin edeceği ısıl enerji ile kolayca iyonlaĢabilir ve bir ekstra iletim elektronu ortaya çıkar. Arsenik atomu ise dört komĢu germanyum atomu tarafından sıkı bir bağla bağlı olduğu için hareketsizdir. Elektron yoğunluğunun, boĢluk yoğunluğundan fazla olduğu yarıiletkenlere “n tipi yarıiletken” adı verilir. Kristale katkılanan atomlara elektron verdiği için “verici (donör)” denir (McKelvey, 1966).

ġekil 1.2 n- tipi yarıiletkende safsızlık atomunun(As) iyonizasyonundan oluĢan serbest elektron

ġekil 1.2'de dört kovalent bağın mevcut olduğuna dikkat etmemiz gerekir. Buna rağmen katkı atomunun beĢ değerlik elektronuna sahip olması nedeniyle fazladan bir elektron vardır ve bu elektronun herhangi bir bağla iliĢkisi yoktur. Geriye kalan ve katkı atomuna gevĢek bir Ģekilde bağlı olan bu elektron yeni oluĢturulan n-tipi malzeme içerisinde nispeten hareket serbestliğine sahiptir. Eklenen katkı atomlarından gelen serbest elektronlar, bu enerji seviyesinde kalır ve dıĢ ortamdan, oda sıcaklığında yeterli ısısal enerjiyi alarak iletkenlik bandına geçmek için herhangi bir zorluk çekmezler. Bunun neticesinde oda sıcaklığında iletkenlik bandında çok sayıda elektron oluĢur ve malzemenin elektriksel iletkenliği önemli ölçüde artar (Çoban, 2011)

ġekil 1.3. n-tipi yarıiletken için enerji-bandı diyagramı.

Bu katkılama iĢleminin iletkenlik üzerindeki etkisi ġekil 1.3 'te enerji-bant diyagramı ile açıklanabilir (Çoban, 2011).

1.2.1.b p- Tipi yarıiletkenler

p-tipi yarıiletkenler, has germanyum ya da silisyum materyaline üç değerlik elektronuna sahip katkı atomları katkılanarak oluĢturulur. Bu hedef doğrultusunda en çok kullanılan elementler bor (B), galyum (Ga) ve indiyum (In)' dur. Bu elementlerden indiyumun germanyum üzerine etkisi ġekil 1.4'te gösterilmiĢtir.

ġekil 1.4 p- tipi yarıiletkende, safsızlık atomunun(In) iyonizasyonu ile oluĢan serbest hole

(McKelvey,1966).

Bu durumda eklenen katkı atomu üç değerlik elektronuna sahip olduğundan, yeni oluĢturulan örgüde kovalent bağları tamamlamak için yeterli sayıda elektron olmayacaktır. Sonuçta ortaya çıkan bu duruma “boĢluk” denir ve pozitif yüklü olması nedeniyle küçük bir daire veya artı iĢaretiyle gösterilir. Ortaya çıkan boĢluk, serbest elektron gibi olma eğilimleri çok olduğundan eklenen katkı atomlarına alıcı (akseptör) denir.

Katkılama iĢleminin sonucunda; Akseptörün enerji seviyesi valans bandının biraz

üstündedir. Akseptörün enerji seviyesi akseptör tarafında bir boĢluk yakalayabilmesi için gerekli enerjiye eĢittir. Bir elektron iletkenlik bandından boĢluğun bulunduğu yeri dolduracak Ģekilde uyarıldığında boĢluk valans ( değerlik ) bandının tepesine gelir ve serbest bir taĢıyıcı haline dönüĢür. Bunun sonucunda oda sıcaklığında değerlik bandında çok sayıda boĢluk oluĢur ve materyelin elektriksel iletkenliği artar (Çoban 2011).

1.3 ZnO BileĢiğinin Özellikleri

Saydam iletken oksit yarıiletken filmler uygun optik ve elektriksel özelliklerinden dolayı son yıllarda yoğun bir Ģekilde çalıĢılmakta ve oldukça ilgi çekmektedirler. Saydam iletken oksitler elektriği iyi ileten ve görünür bölge içinde yüksek optik geçirgenliğe sahip yarıiletken oksitlerdir.

Saydam iletken oksit grubuna ait olan çinko oksit (ZnO) filmleri, görünür bölgede yüksek optiksel geçirgenliğe (% 80-90) ve yüksek elektriksel iletkenliğe sahiptirler. II-VI grubu yarıiletken bileĢiği olan ZnO, oda sıcaklığında geniĢ bir bant aralığına sahip n-tipi bir yarıiletkendir.

ZnO bileĢiğinin bant aralığı 3.1-3.4 eV arasında değiĢmektedir. ZnO doğada “mineral zinkit” olarak bulunur. ġekil 1.6'de ZnO’nun kristal yapısı verilmiĢtir. ZnO gibi II-VI grup yarıiletken bileĢikler genellikle hekzagonal wurtzite kristal yapısına sahip bileĢiklerdir.

ġekil 1.6 ZnO hekzagonal kristal yapısı.

ZnO doğasında bulunan oksijen boĢlukları ve ara durum çinko atomlarının etkisi ile oluĢan stokiyometresindeki sapmadan dolayı n-tipi iletim özelliğine sahiptir. Ancak, ara durum oksijen ve çinko eksiklikleri olası alıcı düzeyleri de yaratabilir. p-tipi ZnO elde etmek oldukça zordur ve son yıllarda p-tipi ZnO üretmek için yoğun çalıĢmalar yapılmaktadır. p-tipi ZnO filmler, elektriksel aygıtlar için yapılan uygulamalar açısından oldukça önem taĢımaktadırlar (Karakız, 2008).

2. ZnO FĠLMLERĠNĠN ELDE EDĠLMESĠ 2.1. GiriĢ

Teknolojik uygulamalarda kullanılacak olan yarıiletken ince filmlerin optik, elektrik, yapısal ve yüzey özellikleri aygıt performansını önemli derecede etkilemektedir. Ġnce filmlerin belirtilen özellikleri ise üretim parametrelerine güçlü bir Ģekilde bağlıdır. Bu çalıĢmada ZnO ince filmlerini üretmek için ekonomik bir teknik olan Ultrasonik Kimyasal Püskürtme tekniği kullanılmıĢtır.

2.2.Ultrasonik Kimyasal Püskürtme Tekniği

Kimyasal püskürtme tekniği ilk olarak Chamberlin ve Skarman tarafından 1966 yılında CdS ile diğer inorganik sülfit ve selenitli ince filmleri üretmek için kullanılmıĢtır (Chamberlin and Skarman, 1966).

Filmlerin üretilmesinde kullanılan kimyasal buhar biriktirme, sol-gel, kimyasal püskürtme, kimyasal banyo gibi birçok fiziksel ve kimyasal yöntem vardır. Kimyasal püskürtme tekniği daha geniĢ alanlara uygulanabilirliği nedeniyle iyi bir kimyasal yöntemdir.

Kimyasal püskürtme tekniği günümüzde geçirgen yarıiletken filmleri elde etmek için de tercih edilmektedir. Bu tekniğin yaygın olarak kullanılmasının bazı sebepleri Ģunlardır: (i) sistemde kullanılan malzemelerin kolay bulunması ve ekonomik olması (ii), düĢük enerji ihtiyacı, (iii) vakum gerektirmemesidir. Teknikte kullanılan deney sisteminin parçalarının kolay bulunması, karmaĢık aletler içermemesi ve diğer tekniklere göre maliyetinin düĢük olmasından dolayı sistemin hemen hemen %90’ ı yerel imkanlarla sağlanabilir. Bu sistemin maliyeti özellikle vakum gerektiren sistemlerinkinden oldukça düĢüktür. Aynı zamanda ince filmlerin hazırlanmasında farklı oranlarda katkılama yapmaya da imkan sağlar. Bu yöntem istenilen incelikte pürüzsüz ve homojen ince film üretmek için elveriĢlidir (Patil, 1999).

Ultrasonik kimyasal püskürtme tekniği ise kimyasal püskürtme tekniğinin farklı bir çeĢitidir. Ultrasonik kimyasal püskürtme tekniğinde, ultrasonik dalgalarla oluĢturulan çözelti damlacıkları ısıtılan taban yüzeyine taĢıyıcı gazla taĢınır. Bu taban yüzeyinde çözücü buharlaĢması ve atomik düzenleme gibi birkaç reaksiyon meydana gelir. Tanecik boyotu ultrasonik dalgaların frekansına ve öncül çözeltinin özelliklerine bağlıdır. ultrasonik kimyasal

püskürtme geniĢ bir aralıkta kompozisyon boyut ve morfolojiye sahip çeĢitli materyeller üretmek için çok yönlü bir tekniktir.

Diğer biriktirme metotlarıyla karĢılaĢtığında ultrasonik püskürtme tekniği yüksek birikim hızı, geniĢ alan üzerine düzgün iyi bir kalınlık kontrol edilebilen parçaçık boyutuna sahip homojen parçacık birleĢimi gibi avantajlara sahiptir ( Kul vd.,2017a Kul vd.,2017). Ultrasonik kimyasal püskürtme tekniğinde püskürtme çözeltisinin konsantrasyonu ve miktarı, taban sıcaklığı, püskürtme baĢlığı ve taban arasındaki uzaklık, kullanılan katkı elementinin cinsi ve miktarı, püskürtme hızı ve zamanı, taĢıyıcı gaz ve taban cinsi gibi deneysel parametreler elde edilen yarıiletken malzemenin fiziksel özelliklerini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu deneysel parametrelerin değiĢtirilmesiyle yarıiletken malzemenin kalınlığı ve yasak enerji aralığı gibi fiziksel özellikleri değiĢtirilebilir (Engin,2006). Bu tekniğin fotoğrafı ġekil 2.1’de verilmiĢtir.

ġekil 2.1 Ultrasonik kimyasal püskürtme sistemi.

UKP sisteminde bulunan önemli parçalar ve film kalitesini etkileyen önemli üretim parametreleri aĢağıda verilmektedir.

ġekil 2.2 Sabit sıcaklıkta damlacık boyutuna bağlı çeĢitli çöktürme yöntemleri.

(a)Damlacık boyutu:

UKP sisteminde sabit sıcaklıkta damlacık boyutunun önemi ġekil 2.2 verilmiĢtir. Bu Ģekle göre; A sürecinde, çözelti damlacıklarının boyutları oldukça büyüktür. Damlacıkların çevresinden absorbladığı ısı tabana ulaĢıncaya kadar buharlaĢmasına yeterli değildir. Damlacık tabana çarptığında çökelti bırakarak buharlaĢır. Bu durumda taban sıcaklığı düĢer ve kötü bir film oluĢur.

B sürecinde, çözelti damlacıkları A sürecindekilere göre daha küçüktür. Damlacık tabana ulaĢmadan önce içerisindeki su buharlaĢır ve tabana ulaĢan damlacıkların bazıları da yoğunlaĢır. BuharlaĢma için gerekli ısı azdır. Bu süreçte oluĢan filmlerin yüzeylerinde delik ve çatlaklar oluĢur.

C sürecindeki filmlerin boyutu A ve B süreçlerine göre daha küçüktür. En uygun filmler bu süreçte elde edilir. Zerreler sıcak tabana varmadan evvel buhar haline geçer, heterojen bir reaksiyon oluĢturur ve yüzeye yapıĢırlar. Bu reaksiyon; yüzeyde oluĢan moleküllerin tabana difüzyonu, bazı moleküllerin absorbe veya desorbe edilmesi, örgü içerisinde yerleĢim ve buharlaĢma durumunda yüzeyde meydana gelen reaksiyon moleküllerinin difüzyonu gibi fiziksel ve kimyasal olayları içerir.

D süreci çok küçük zerreleri kapsar. Bu süreçte damlacıklar tabana ulaĢmadan buharlaĢır ve homojen reaksiyona girerler. Moleküller tabana vardığında toz halindedirler ve sadece yüzeye toz halinde tutunurlar (Siefert,1984). Bu süreçlerin hepsinde polikristal film oluĢur. Fakat en ideal süreç C sürecidir. Yapılan deneylerde damlacıklar yüksek bir depozisyon verimine eriĢmek için C yöntemine maruz kalmalıdır (Siefert, 1984).

(b) Püskürtme kabini:

1x1x1 m3 ebatlarında paslanmaz çelikten yapılmıĢ çift duvar ve arası yalıtkan bir madde ile doldurulmuĢ kapalı bir odacık Ģeklindedir. Kabinin üstünden çözelti ve havayı taĢıyan hortumlar ve iç aydınlanmasında kullanılan lambaların kablosu için giriĢ yeri bulunur. Sistem içerisinde ise tavandan kontrol edilebilir sürgülü kap mevcuttur. Bu kap herhangi bir sorun ile karĢılaĢıldığında çekilip püskürtme iĢlemine kısa bir süre ara verilmesine imkan sağlar. Film üretiminin yapıldığı cam tabanları ısıtmak için kuartz lambalı ısıtıcı kullanılmıĢtır. Filmler için taban olarak kullanılan payreks camların yüzey sıcaklığı demir konstantan termoçift ile ölçülmektedir. Termoçift ile cam tabanlar arasına az miktarda indiyum konularak ısıl iletim sağlanması yararlı olmaktadır.

ġekil 2.3 Püskürtme baĢlığı ve püskürtme konisinin Ģematik gösterim.

(c) Püskürtme baĢlığı:

Püskürtülecek çözeltiyi atomize etmek için kullanılır. Püskürtme baĢlıkları cam veya paslanmaz çelikten yapılmaktadır. Püskürtme baĢlığı ve püskürtme konisinin Ģematik gösterimi ġekil 2.3’ te verilmektedir. Cam baĢlıkların ağız kısmının zamanla aĢınmasından dolayı püskürtme konisi bozulabilir. Bu durum filmin özelliklerini olumsuz yönde etkiler. Bir osilatör yardımı ile damlacıkların daha iyi atomize edilmesini sağlayan ultrasonik püskürtme baĢlıklarının sağladığı düzgün püskürtme ile filmlerin kalitesi arttırılabilir.

Taban ile püskürtme baĢlığı arasındaki uzaklık filmlerin kalitesini etkilemektedir. Bu uzaklık genellikle 25-30 cm arasındadır. Eğer bu mesafe belirtilen uzaklıktan daha az olursa taban üzerinde tortular oluĢabilir ve istenilenden daha kalın filmler elde edilir. Mesafe daha fazla olursa bu durumda çözelti tabana ulaĢmadan buharlaĢır, damlacıkların sayısı azalır ve cam tabanlar üzerinde film oluĢmayan bölgeler bulunabilir.

Bu çalıĢmada, katkısız ve Ga katkılı ZnO filmlerinin üretimi için titreĢim frekansı 100 kHz ve ortalama damlacık boyutu 20 µm olan paslanmaz çelikten yapılmıĢ ultrasonik püskürtme baĢlığı kullanılmıĢtır.

(d) Taban sıcaklığı:

Damlacıklar sıcak olan tabana ulaĢtığı anda kimyasal ayrıĢmanın olduğu piroliz

meydana gelir (AteĢ, 2005). Bu nedenle kimyasal püskürtme tekniğinde üretilen filmlerin fiziksel özellikleri taban sıcaklığına güçlü bir Ģekilde bağlıdır. Taban sıcaklığı filmin oluĢumu için uygun değerde değilse filmlerin cam yüzeye tutunması zayıf olabilir. Ayrıca taban sıcaklığının yüksek veya düĢük olması filmlerin kalınlığını da etkilemektedir. Literatürde ZnO filmlerinin elde edilmesinde uygun taban sıcaklığı ~350°C ~400 °C olarak belirtilmiĢtir. 350°C nin altındaki taban sıcaklıklarında ZnO filmleri cam tabana iyi tutunamamaktadır (Çoban 2011, rani 2014).

(e) Püskürtme hızı ve zamanı:

AkıĢ hızı ölçer (flowmetre) çözelti akıĢ hızını istenilen değerde tutmak ve akıĢ hızını

kontrol etmek için kullanılmaktadır. Püskürtme hızı film oluĢumunda ve kalitesinde önemli bir etkiye sahiptir. Çözelti akıĢ hızının yüksek olması gözenekli yapıların oluĢmasına, düĢük olması ise enerji ve zaman kaybına neden olmaktadır. Kimyasal püskürtme tekniğinde püskürtme zamanı da önemli bir üretim parametresidir. Püskürtme zamanının uzun ya da kısa olması film kalınlıklarını ve fiziksel özelliklerini önemli derecede etkiler. Bu çalıĢmada püskürtme zamanı 20 dk olarak seçilmiĢ ve bir kronometre ile ölçülmüĢtür.

(f) Püskürtme basıncı:

Kimyasal püskürtme tekniğinde taĢıyıcı gazın basıncı filmlerin hem oluĢumu hem de

fiziksel özellikleri üzerinde etkiye sahiptir. Bu teknikte taĢıyıcı gaz olarak azot gazı veya sıkıĢtırılmıĢ hava kullanılır. Basınç miktarının arttırılması cam tabanların hızlı soğumasına, azaltılması da film oluĢumunun tam olarak gerçekleĢmemesine neden olabilir. Bu çalıĢmada taĢıyıcı gaz olarak hava kullanılmıĢtır. Hava basıncı, kompresör üzerinde el ile kontrol edilebilen 0-10 bar aralıklı bir manometre yardımı ile ~2 bar olacak Ģekilde sabit tutulmuĢtur.

2.3 Deneyin YapılıĢı

ZnO kaynağı olarak Zn(CH3COO)2.2H2O, Ga kaynağı olarak GaN3O9.xH2O,

çözeltileri kullanılmıĢtır. Bu öncül çözeltiler ile filmleri elde etmek için cam tabanlar kullanılmıĢtır. Püskürtme öncesi bu cam tabanlar ultrasonik banyoda saf su ile temizlenmiĢtir. Ultrasonik püstürkme sisteminin çözeltiyi taĢıyan boruları önce etil alkolle daha sonra saf su ile temizlenmiĢtir. Temizlenen tabanlar ısıtıcı yüzeyin ultrasonik püskürtücünün tam altına gelecek Ģekilde yerleĢtirilmiĢtir. Ultrasonik püstürkme baĢlığı ile cam tabanlar arasındaki mesafe 30cm ye ayarlanmıĢtır. Önceden hazırlanan 100 ml çözelti püskürtme beherine konulmuĢtur. Püstürkme odasının kapağı kapatılarak sistem deney için hazır hale getirilmiĢtir. Cam tabanlar belirlenen sıcaklık değerine kadar kademeli olarak sıcaklığın arttırılması ile ısıtılmıĢtır. Ġstenilen sıcaklık değerine ulaĢtığında taĢıyıcı gaz akıĢı açılarak püskürtme iĢlemi baĢlatılmıĢtır. TaĢıyıcı gaz olarak hava kullanılmıĢ olup basıncı 2 bar da sabitlenmiĢtir. Püskürtme iĢlemi ile ilk anda sıcaklıkta düĢüĢ olduğu için sıcaklık ayarlaması yapılarak sıcaklık istenilen değere sabitlenmiĢtir. 20 dk'lık püskürtme iĢlemi bittikten sonra çözelti akıĢı durdurulmuĢtur. Hava akıĢı ise 10dk cam tabanların daha homojenize özellik göstermesi için devam ettirilmiĢtir. Hava akıĢı (taĢıyıcı gaz akıĢı) kapatıldıktan sonra üretilen filmler kendi halinde soğumaya bırakılmıĢtır. Soğuma iĢlemi bittikten sonra elde edilen filmlerden homojen olanlar seçilerek ölçümlerde kullanılmak için ayrılmıĢtır.

2.3.1 Zn(CH3COO)2.2H2O çözeltisinin hazırlanması

ZnO filmi elde etmek için 0.1 M Zn(CH3COO)2.2H2O öncül çözeltisi hazırlanmıĢtır.

Çözelti, 6,5847 gram %98 saflıktaki Zn(CH3COO)2.2H2O ile 100 ml deiyonize su kullanılarak

elde edilmiĢtir. Çözeltinin homojen olması için manyetik karıĢtırıcı kullanılmıĢtır.

2.3.2 GaN3O9.xH2O çözeltisinin hazırlanması

ZnO filmlere Galyum katkılaması püskürtme çözeltisine GaN3O9.xH2O çözeltisi

eklenerek öncül çözelti elde edilmiĢtir. 0.1 M GaN3O9.xH2O çözeltisi için %98 saflıktaki

GaN3O9.xH2O’ den 2,557 gram alınmıĢtır. 100 ml deiyonize suda çözülerek 0.1 M Ga çözeltisi

elde edilmiĢtir.

Galyum katkılı ZnO filmleri elde etmek için Zn ve Ga kaynağı hazırlanan çözeltilerden uygun miktarlarda alınarak karıĢtırılmıĢtır. Örneğin %20 Galyum katkılı ZnO filmi hazırlamak için her 100 ml çözelti için 80 ml Zn(CH3COO)2.2H2O çözeltisi ve 20 ml GaN3O9.xH2O

alınarak benzer iĢlemler uygulanmıĢtır. Çizelge 2.1' de ZnO filmlerinin üretim parametreleri verilmiĢtir.Üretilen filmler Ga ile katkı olanlarına bağlı olarak Z0, ZG20, ZG40, ZG60 ve ZG80 olarak kodlanmıĢtır.

Çizelge 2.1. ZnO filmlerinin üretim parametreleri.

Malzeme Toplam (ml) Sıcaklık (0C) AkıĢ Hızı (ml/dk) Deney Süresi (dk) Basınç (kg/cm3) Z0 100 375±5 5 20 0,2 ZG20 100 375±5 5 20 0,2 ZG40 100 375±5 5 20 0,2 ZG60 100 375±5 5 20 0,2 ZG80 100 375±5 5 20 0,2

3. X- IġINLARI KIRINIM DESENLERĠ 3.1 GĠRĠġ

X-ıĢını kırınımının (XRD) temeli; küçük bir hedefe çarpan ıĢınların yol değiĢtirmesi esasına dayanır. Atomlar, iyonlar, kristaller ve küçük boyutlu moleküller için ancak x-ıĢını gibi kısa dalga boylu olan bir ıĢın kırınım oluĢturabilmektedir. X-ıĢınları, dalgaboyları 0.1-100Å arasında değiĢen yüksek enerjili ıĢınlardır. Bu nedenle XRD yöntemi organik ve inorganik kristallerin araĢtırılmasında geniĢ bir kullanım alanına sahiptir. Böylece moleküller içindeki atomların üç boyutta kesin boyutlarını ve birbirleriyle olan iliĢkilerini anlamak aralarındaki uzaklığı ölçmek ile mümkün olur.

3.2 Kırınım ve Bragg Yasası

Dalgalar tekrarlanan uzaklığı dalga boyuna yakın olan düzenli bir yapı ile etkileĢime girdiğinde kırınım gerçekleĢir. Örneğin görünür ıĢık, birkaç bin angström aralıkları bulunan bir ızgarada kırınıma uğrar.

X-ıĢını, kristal yapıya sahip bir katıdaki atomlar arası uzaklığa yakın birkaç angström civarında bir dalga boyuna sahiptir. Bu durum X-ıĢınının, düzenli bir yapıya sahip minerallerde kırınıma uğrayabileceğini gösterir. Bu Ģartlar sağlandığında X-ıĢını kırınıma uğrar ve yapıcı giriĢim oluĢturur.

ġekil 3.1’ de gösterildiği gibi aralarındaki mesafe, d olan birbirine paralel bir atomik düzlem takımına, λ dalgaboyuna sahip X-ıĢınlarının θ açısında geldiğini düĢünelim. Bu durumda kristal düzleminden yansıyan ıĢın, gelen ıĢın gibi düzlem ile aynı θ açısı yapacaktır. Paralel düzlemlerden yansıyan ıĢınlar, yapıcı ya da yıkıcı giriĢimleri sonucu yol farkından dolayı, birbirlerini ya kuvvetlendirir ya da zayıflatırlar. GiriĢim yapıcı ise 1' nolu ve 2' nolu ıĢınlar arasındaki yol farkı, dalga boylarının tam katlarına eĢittir (Cullity, 1996; Dikici, 1993). Bu durumun olabilmesi için ġekil 3.1’ e göre, 2d sin θ =n λ olmalıdır. Burada λ gelen X-ıĢınının dalga boyunu, d düzlemler arasındaki uzaklığı, θ numune yüzeyi ile gelen X-ıĢını demeti arasındaki Bragg açısını ve n ise bir tam sayı olup yansımanın mertebesini verir. Bu eĢitlik Bragg Yasası olarak adlandırılır ve bu yasa paralel örgü düzlemleri tarafından saçılan X-ıĢınlarının yapıcı giriĢimi için gerekli olan koĢulu öngörür (Turan, 2007).

ġekil 3.1. Kristalde x-ıĢını kırınımı

(Ladd ve Palmer, 1978).

3.3. ZnO Filmlerinin X-ıĢını Kırınım Desenleri

XRD yönteminde madde boyunca geçen x-ıĢınları analizi yapılır. Farklı kırınmıĢ ıĢınlar arasındaki dağılım, fotoğraf plağı üzerine cismin yapısal özelliğine uygun olarak bir seri yoğunlaĢmıĢ noktalar, yaylar ya da bantlar biçiminde belirlenmiĢ olur. Bu noktalar arasındaki ve noktalarla merkez arasındaki uzaklık, kırınımı yaratan maddenin molekül yapısına düzenli olarak tekrarlanan birimlere aittir. Açı ne kadar küçükse birimler arasındaki uzaklık o kadar büyük, noktalar ne kadar kesin hatlı ise birimlerin aralıkları o kadar düzenlidir (Akyüz, 2000). X – ıĢını kırınım desenlerinden filmlerin kristalleĢmesi iyi veya kötü olduğunun anlaĢılabilmesi için piklerin Ģiddetleri ve geniĢlikleri incelenir. Eğer piklerin Ģiddetleri büyük ve geniĢlikleri dar ise, yani pikler keskin ise, filmlerin kristalleĢmesinin iyi olduğu, piklerin geniĢlikleri büyük ve Ģiddetleri küçük ise filmlerin kristalleĢmesinin kötü olduğu anlaĢılır (Akyüz, 2005).

Katkısız ve Ga katlılı ZnO fillerinin x ıĢını kırınım desenleri ġekil 3.2-3,6'da verilmiĢtir. ġekil 3.2-3.6 da xrd desenleri incelendiğinde katkısız ve Ga katlılı ZnO fillerinin farklı yönelim gösteren düzlemlere ait piklerin mevcut olduğu görülmüĢtür. Bu da filmlerin polikristal yapıya sahip olduklarını gösterir. Ayrıca Katkısız ZnO filmine Ga katkılandıkça yapının amorfluğa doğru gittiği gözlenmektedir. Bu sonuç litaratürle uyum sağlamaktadır (rani,2014, Çoban,2011).

Z0 filminin ġekil 3,2 deki x ıĢını kırınım deseni incelendiğinde (100) baskın yönelimine sahip hekzagonal polikristal yapının oluĢtuğu görülmüĢtür. (100) yönelimi yanında (002), (101), (102) (110), (103), (022), (112), (201) piklerinin de mevcut olduğu görülmüĢtür. Elde edilen bu sonuç PDF kartı 01-070-8070 ile uyumludur.

ġekil 3.3 ile ZG20 filminin x-ıĢını kırınım deseni verilmiĢtir. ZG20 filminin PDF kartı 01-070-8070 ile uyumlu olarak hekzagonel polikrital yapıda olduğu görülmektedir. ZG20 kırım deseninde Z0 filminde baskın (100) yönelimi %20 Ga katkılanması ile (002) yönelimine kaymıĢtır. Ga katkı oranı arttıkça (002) yönelimi aynı kalmıĢtır. ZG20 filminde (002) yöneliminin baskın olması ile birlikte (100), (101), (102), (110), (103), (201) pikleri de görülmektedir Z0 filmindeki (200) ve (112) pikleri ZG20 filmlerinin kırınım deseninde gözlenmemiĢtir. Z0 filmiyle karĢılaĢtırıldığında daha keskin pike sahip olduğu görülmüĢtür. Diğer filmlerle karĢılaĢtırıldığında ise Z0 ve ZG20 kırımın desenlerinde daha keskin pikler görüldüğü için diğerlerinden daha iyi kristalleĢmenin olduğu söylene bilir.

ZG40 filminin x-ıĢını kırınım deseni ġekil 3.4'de görülmektedir. ZG40 filminin PDF kartı 01-070-8070 ile uyumlu olarak hekzagonal polikristal yapıda olduğu görülmektedir Bu desen ZG20 filminin deseni ile karĢılaĢtığında yapıya giren Ga miktarı artıkça amorfluğun biraz daha arttığı ve piklerin daha geniĢ ve yoğunluklarının düĢük olduğu görülmektedir. Baskın yönelimin (002) düzleminde olduğu ve bununla birlikte (100), (101), (112), (110), (103) pikleri de görülmektedir ve Z0 filminde bulunan diğer pikler görülmemektedir.

ZG60 filminin x-ıĢını kırınım deseni ġekil 3.5'de görülmektedir. ZG20 ve ZG40 filmlerinin kırınım desenlerine göre ZG60 filmi daha yayvan ve düĢük piklere sahip olduğu için kristalleĢmesinin iyi olmadığı söylenebilir. Ga katkısı ile yapıdaki bozunum ve amorfluğun arttığı gözlenmektedir. ZG60 filmi de hekzagonal polikrital yapısının 01-070-8070 numaralı PDF kartına uyumlu olduğu görülmektedir. ZnO hekzagonal yapısına uygun olarak (002) pik

baskınlığı ile (100), (101), (102), (110), (103) pikleri görülmektedir. Diğer pikler gözlenmemektedir.

ZG80 filminin x-ıĢını kırınım deseni ġekil 3.6'da görülmektedir. ZG80 filminin kırınım desenine göre yapının PDF 00-043-1012 numaralı karta uygun olarak mono klinik polikiristal yapıda β-Ga2O3 fazlı olduğu görülmektedir. β-Ga2O3 fazının baskın (111) yönelimi olmak üzere

(002), (311), (-313), (017) yönelimleri de görülmüĢtür. Elde edilen sonuçların Wu ve arkadaĢları ile Galvan ve arkadaĢları tarafından yapılan çalıĢmalarla uyum içinde olduğu görülmüĢtür. (Wu1990 ,Galvan2016).

a) Örgü sabitlerinin hesaplanması

ZnO bileĢiğine Ga katkı oranının arttırılması ile ZnO hekzagonal yapısının monoklinik yapıya dönüĢümü XRD kırınım desenlerinden görülmüĢtür. Hekzagonal yapıya sahip olan Z0, ZG20 - ZG60 filmlerinin yapısal özellikleri (a,b,c) örgü sabitleri aĢağıdaki denklem ile elde edilmiĢtir.

=

(

)

ZG80 filminin ise xrd kırınım deseninde β- Ga2O3 fazının oluĢtuğu ve monoklinik yapıya sahip

olduğu görülmüĢtür. Bu yapının örgü sabitleri ise de aĢağıdaki eĢitlik (3.5) ile elde edilmiĢtir. PDF 00-043-1012 kartından β=103,70° olarak alınmıĢtır.

_β

β

+

-

)

b) Tanecik büyüklüğü

X-ıĢını kırınım deseninden, Debye–Scherrer Formülü kullanılarak tanecik büyüklüğü hesaplanır (Çabuk,2012).

D

=

Burada β yarı maksimum Ģiddetin radyal çizgi geniĢliği (full witdth on half maximum, FWHM) değeri radyan olarak alınır.

c) Dislokasyon yoğunluğu

Dislokasyon yoğunluğu (δ), bir malzemenin belli bir kısmında bulunan dislokasyonların sayısının bir ölçüsüdür. Dislokasyon çizgisel bir kusur olduğu için, dislokasyonun birim hacimdeki toplam uzunluğu olarak da tanımlanır. Yani birim alanı kesen dislokasyon çizgi sayısıdır.

Dislokasyon yoğunluğu Willamson ve Smallman tarafından verilen ifadesi ile elde edilir (Çabuk,2012).

δ=

Burada D tanecik büyüklüğü, δ dislokasyon yoğunluğu ve τ dislokasyon çarpanıdır. δ değerinin minimum değeri için τ =1 alınır. Küçük δ değerleri malzemenin kristalleĢme seviyesinin iyi olduğunu gösterir.

Çizelge 3.1 a, b, c örgü sabitleri, d düzlemler arası uzaklık, parametrelerin hesaplandığı (hkl) Miller indisi Numune a (Å) b (Å) c (Å) d (Å) (hkl) ZG0 3,1489 3,1489 5,4542 2,7271 100 ZG20 3,0064 3,0064 5,2072 2,5931 002 ZG40 2,9951 2,9951 5,1877 2,5938 002 ZG60 2,9933 2,9933 5,1847 2,5923 002 ZG80 13,5370 3,7516 5,8150 2,5001 111

Çizelge 3.2 Katkısız ve Ga katkılı ZnO filmlerinin tanecik büyüklüğü ve dislokasyon

yoğunluğu. Numune D (nm) δ x10-3(nm)-2 ZG0 29 1,19 ZG20 36 0,77 ZG40 33 0,92 ZG60 12 6,9 ZG80 10 10

ġekil 3.2 Z0 filminin x-ıĢını kırınım deseni. 20 30 40 50 60 70 0 500 1000 1500 2000 2500 ZnO (103)

(2

01

) Z

nO

(1

12

) Z

nO

(0

22

) Z

nO

Şi

ddet

(

ar

b.

uni

ts)

2 (deg.)

2θ

ġekil 3.3 ZG20 filminin x-ıĢını kırınım deseni.

ġĠD

D

E

T

ġekil 3.4 ZG40 filminin x-ıĢını kırınım deseni. 20 30 40 50 60 0 50 100 150 200 250 300 350 ZnO (103) ZnO (110) ZnO (102) ZnO (101) ZnO (002) ZnO (100)

Şid

de

t (

Arb.

Uni

ts)

2

(deg)

2θ

ġekil 3.5 ZG60 filminin x-ıĢını kırınım deseni. 20 30 40 50 60 0 50 100 150 200 250 300 ZnO (103) ZnO (110) ZnO (102) ZnO (101) ZnO (002) ZnO (100)

Şid

de

t (

Ab

s.Uni

ts)

2(deg)

2θ

ġekil 3.6 ZG80 filminin x-ıĢını kırınım deseni. ġĠD D E T

2θ

4. ZnOFĠLMLERĠNĠN OPTĠK ÖZELLĠKLERĠ 4.1. GiriĢ

Optik özellikler denilince akla ıĢığın malzeme ile etkileĢimi gelir. Bir malzeme üzerine ıĢık gönderildiğinde malzemenin elektronları ile fotonlar arasındaki etkileĢmeler malzemenin optik özelliklerini belirler. IĢık elektromanyetik bir dalgadır ve elektromanyetik dalgalar birbirlerine dik elektrik ve manyetik alan bileĢenlerinden oluĢur. Elektromanyetik dalgaların foton denilen küçük parçacıklar tarafından yayılan enerjileri vardır. Elektromanyetik dalgalar malzemede bulunan elektronlar, elektriksel kutuplar ve iyonlarla etkileĢirler ve optik özellikler de bu Ģekilde ortaya çıkar. Bir malzemenin belirli optik özelliklerini renklilik, saydamlık, opaklık, parlaklık, yansıma, kırılma, soğurma, geçirgenlik ve lüminesans olarak sıralayabiliriz. Enerji uygulamalarında ve optoelektronik aygıtlarda kullanılacak olan yarıiletken malzemelerin uygun optik özelliklere sahip olması istenir. Bu yüzden üretilen yarıiletken malzemelerin optik özelliklerinin ayrıntılı bir Ģekilde incelenmesi gerekir. Bu çalıĢmada; ZnO filmlerinin UV spektrofotometre ve spektroskopik elipsometre cihazları kullanılarak alınan ölçümlerinden faydalanılarak optik özellikleri incelenmiĢtir.

4.2. Optik Özellikler

4.2.1. IĢığın madde ile etkileĢmesi

Yarıiletkenler, gösterdikleri kırılma, yansıma, soğurma, geçirgenlik ve benzeri optik özellikler açısından elektron ve fotonların etkileĢmesine bağlıdırlar. Bu optik özelliklerin incelenmesi sonucunda bir yarıiletkenin bant yapısı ile elektron ve hollerin davranıĢları hakkında bilgiler elde edilebilmektedir (Özkan, 2007).

ġekil 4.1’ de optik bir ortama gelen ıĢık görülmektedir. IĢığın bir kısmı ön yüzeyden yansırken geri kalanı ortama girer ve ilerler. Ġlerleyen ıĢık arka yüzeye ulaĢabilirse tekrar bir yansımaya maruz kalır veya diğer tarafa geçebilir. Dolayısıyla geçen ıĢığın miktarı ön ve arka yüzeylerdeki yansıma ile ve tabi ki ıĢığın ortam içerisinde nasıl ilerlediği ile alakalıdır.

ġekil 4.1 (a) Optik süreçlerin sınıflandırılması. (b) Ortam içinde meydana gelebilecek optik

olaylar (Fox, 2001).

Eğer ıĢığın frekansı ortamdaki atomların geçiĢ frekansları ile rezonansta ise soğurma olayı meydana gelir. Bu durumda demet ilerledikçe sönümlenecektir. Dolayısı ile ortamın geçirgenliği, soğurma ile ilgilidir. Ayrıca bazı optik malzemelerin renklenmesi seçici soğurma sonucunda gözlenebilir.

Kırılma, ıĢık dalgalarının boĢ uzaydakine göre daha düĢük hızlarla ilerlemesine sebep olur. Hızdaki bu azalma ara yüzeylerde ıĢınların bükülmesine yol açar. Kırılma aslında ıĢığın Ģiddetini değiĢtirmez.

Lüminesans bir malzemede uyarılmıĢ atomlar tarafından ıĢığın kendiliğinden yayınlanması olayına verilen genel isimdir. Atomların uyarılmıĢ seviyelere geçmesi için bir yol ıĢık soğurulmasıdır. Dolayısı ile lüminesans soğurucu bir ortamda ıĢığın yayılmasına eĢlik edebilir. IĢık her yönde yayınlanır ve gelen demetten farklı bir frekansta olabilir. Saçılma ıĢığın malzeme ile etkileĢimi sonucunda yönünü ve muhtemelen frekansını değiĢtirmesi olayıdır.

Toplam foton sayısı değiĢmez; ancak ileri yönde gidenlerin sayısı azalacaktır. Dolayısı ile saçılma soğurma ile benzer Ģekilde bir sönüm etkisine sahiptir.

4.3 Temel Soğurma

Bir yarıiletken malzeme üzerine bir foton gönderildiğinde atomların elektronları ile fotonlar etkileĢir. Yarıiletken üzerine gelen bir fotonun enerjisi yarıiletkenin yasak enerji aralığına eĢit veya ondan büyükse (hv≥ Eg), bu durumda ġekil 4.2’ de görüldüğü gibi valans

bandındaki bir elektron bu fotonu soğurarak iletim bandına geçer. Bu olaya temel soğurma olayı denir.

Yarıiletkenlerde soğurma spektrumu ġekil 4.2’de verilmektedir. Uzun dalga boylarında yani küçük enerjilerde soğurma değerleri düĢüktür ve bu dalga boyu aralığında malzeme üzerine gelen fotonların enerjisi yarıiletkenin yasak enerji aralığından küçüktür (hv< Eg). Bu bölgede yarıiletken yüksek derecede geçirgen olarak davranır ve saydamdır. hv Eg olan

kısa dalga boylarında, yani yüksek enerjilerde malzemenin soğurma özelliği baskınlaĢır ve yarıiletken opak bir malzeme olarak davranır. Saydamlıktan opaklığa keskin geçiĢ bölgesi ise temel soğurma bölgesi olarak bilinir ve bir yarıiletkenin yasak enerji aralığı bu bölge içerisine düĢer.

ġekil 4.2 Yarıiletkenlerde soğurma spektrumu (Akyüz, 2000).

Yukarıda tanımlanan optik olaylar malzemenin özelliklerini makroskopik seviyede tanımlayan bazı parametrelerle iliĢkilendirilebilir. Yüzeylerdeki yansıma veya yansıma katsayısı R harfi ile gösterilir ve yansıyan ıĢığın Ģiddetinin gelen ıĢığın Ģiddetine oranı olarak tanımlanır. Geçirgenlik katsayısı veya geçirgenlik, T, benzer Ģekilde geçen ıĢığın Ģiddetinin gelen ıĢığın Ģiddetine oranı olarak tanımlanır. Eğer malzemede soğurma veya saçılma yoksa enerji korunumu gereği;

R+T=1 (4.1)

olmalıdır.

Geçirgen bir ortamda ıĢığın ilerlemesi kırılma indisi (n) ile tanımlanır. Kırılma indisi ıĢığın boĢ uzaydaki hızının (c) malzeme içindeki hızına (v) oranıdır ve;

n=c/v (4.2)

Ģeklinde verilir. Kırılma indisi ıĢığın frekansına bağlıdır. Bu etki dispersiyon olarak adlandırılır. Cam gibi renksiz, Ģeffaf malzemelerde görünür bölgede dispersiyon küçüktür ve malzemenin kırılma indisi kavramından bahsetmek anlam kazanır.

Bir optik ortam tarafından ıĢığın soğurulması, lineer soğurma katsayısı (α) ile iliĢkilendirilebilir. Soğurma katsayısı uzunluktaki birim artıĢa karĢılık gelen Ģiddetteki kesirsel azalmadır (Ezekoye ve Okeke, 2005). Beer-Lambert yasasına göre t kalınlıklı madde tarafından soğurulan ıĢığın Ģiddeti;

I=I

e

Ģeklinde verilir. Burada I geçen ıĢığın Ģiddeti ve I0 gelen ıĢığın Ģiddetidir. t kalınlığında soğurucu

bir ortamda mümkün çoklu yansımalar ihmal edildiğinde geçirgenlik;

T= (1-R1)e --αt

(1-R2) (4.4)

Ģeklinde verilir. Burada R1 ve R2 sırasıyla ön ve arka yüzeydeki yansıma değerleridir. Bu

denklemde 1. ve 3. terimler ön ve arka yüzeylerden geçen ıĢığı temsil etmektedir. Ortadaki terim ise Beer-Lambert yasasına göre soğurma sonucunda Ģiddetteki üssel azalmayı temsil etmektedir. Eğer ön ve arka yüzeylerdeki yansıma değerleri (R1=R2) alınırsa geçirgenlik

ifadesi;

T=(1-R)2e-αt (4.5)

Ģeklini alacaktır.

Optik bir ortamın soğurması optik yoğunluk (absorbans) cinsinden de ifade edilebilir. Soğurma;

A= log ( ) (4.6)

Ģeklinde verilir. Burada d soğurucu ortamın kalınlığıdır. Bu denklemden de görülebileceği gibi absorbans soğurma katsayısı ile doğrudan iliĢkilidir:

αt (4.7)

Bir ortamın soğurması ve kırıcılığı kompleks kırılma indisi adı verilen tek bir nicelikle tanımlanabilir. Bu genelde ñ ile gösterilir ve;

ñ=n+ik (4.8)

ifadesi ile tanımlanır. Kompleks kırılma indisinin reel kısmı, yani n, EĢitlik (4.8)’de tanımlanan kırılma indisi ile aynıdır. Sanal kısmı ise, yani k, sönüm katsayısı olarak adlandırılır. AĢağıdaki eĢitliğinden de görülebileceği gibi, sönüm katsayısı ortamın soğurma katsayısı ile bire bir ilgilidir (Fox, 2001).

α

Yarıiletken malzemelerde temel soğurma bölgesinde direkt ve indirekt geçiĢ olmak üzere iki geçiĢ meydana gelebilir.

4.3.1 Direkt (Doğrudan) bant aralıklı yarıiletkenler

ġekil 4.3 Yarıiletkenlerde direkt bant geçiĢi (Fox, 2001).

Elektron valans bandından iletim bandına geçiĢinde (hν enerjili fotonun soğurulmasıyla) eĢitliği sağlanır. Elektron valans bandından iletim bandına geçiĢinde (hν enerjili fotonun soğurulmasıyla)

𝐸

−𝐸

=ℎ𝑣 (4.10)

eĢitliği sağlanır (Enerjinin korunumu). Elektronun bu geçiĢinde momentum veya dalga vektörü de korunur.

Bir fotonun soğurulması hem fotonun enerjisine hem de elektronların bantlardaki yoğunluğuna bağlıdır. Direk bant aralıklı bir yarıiletken için soğurma katsayısı teorik olarak,

E

(αℎ𝑣)=𝐴(ℎ𝑣−𝐸𝑔)1/2 (4.11)

eĢitliği ile verilmektedir. Burada α, soğurma katsayısıdır. (4.11) eĢitliğinde α(cm-1

) olarak alındığında, A= 2.104 cm-1 (eV)1/ 2 olan bir sabit olup, hν ve Eg, eV olarak alınır.

4.3.2 Ġndirekt (Dolaylı) bant aralıklı yarıiletkenler

Bu yarıiletkenlerde valans bandı maksimum (en yüksek nokta) ile iletim bandı minimum (en düĢük nokta) aynı kristal momentumunda veya dalga vektöründe olmaz.

ġekil 4.4 Yarıiletkenlerde indirekt bant geçiĢ (Fox, 2001).

Minimum enerjili bir fotonla bir elektronu valans bandından iletim bandına geçirmek için fonon (örgü noktasının titreĢim kuantumu) denilen bir parçacığa gerek olur (lineer momentumun korunumu için). Ġndirekt soğurma için enerjinin ve dalga vektörünün korunumu,

ℎ𝑣=𝐸𝑔−𝐸foton (fonon soğurulmasında) (4.12)

⃗ son= ⃗ ilk+ ⃗ foton ≅0 (4.13)

h𝑣=𝐸𝑔+𝐸fonon (fonon salımında) (4.14)

⃗ = ⃗ 𝑐+ ⃗ 𝑝≅0 (4.15)

olur. Ep ,

⃗

⃗ fotonun dalga vektörü, ⃗

kenarına karĢılık gelen dalga vektörüdür.

Dolaylı soğurmada fazlalık bir parçacık gerektiğinde bu soğurma olasılığı doğrudan soğurmaya göre küçüktür (Mansur, 2007).

4.4 Katkısız ve Ga Katkılı ZnO Filmlerinin Optik Geçirgenlik Spektrumları

Kimyasal püskürtme tekniği ile elde edilen katkısız ve Ga katkılı ZnO filmlerinin optik geçirgenlik spektrumları Shimadzu UV – VIS 1800 Spektrofotometre cihazı ile 190–1100 nm dalga boyu tarama bölgesinde elde edilmiĢtir. UV sonuçları ise 190-880 nm arasında verilmiĢtir.

ġekil 4.5 Z0 filminin geçirgenlik spektrumu.

ġekil 4.6 ZG20 filminin geçirgenlik spektrumu.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 180 280 380 480 580 680 780 880 0 10 20 30 40 50 60 70 80 300 400 500 600 700 800 T (% ) λ(nm) T (%) λ(nm)

ġekil 4.7 ZG40 filminin geçirgenlik spektrumu.

ġekil 4.8 ZG60 filminin geçirgenlik spektrumu.

0 10 20 30 40 50 60 70 180 280 380 480 580 680 780 880 0 10 20 30 40 50 60 180 280 380 480 580 680 780 880 T (%) T (%) λ(nm) λ(nm)

ġekil 4.9 ZG80 filminin geçirgenlik spektrumu.

Görüldüğü gibi, katkısız ve Ga katkılı ZnO yarıiletken ince filmlerinin absorbans bant kenarındaki yarılma Ga katkılamasının sonucunda serbest yük taĢıyıcılarının örgü titreĢimlerini ve iyonize safsızlıklarını artıĢındandır.

4.5 Optik Metotla Yarıiletkenlerin Yasak Enerji Aralıklarının Belirlenmesi

Yarıiletkenlerin optik özelliklerinin belirlenmesi için o yarıiletkene ait enerji-bant yapısının iyi bilinmesi gerekmektedir. Yarıiletkenlerin bant yapısının belirlenmesinde çok kesin ve basit bir metot olarak soğurma spektrumundan faydalanılır (Pankove, 1971). Yarıiletkenlerdeki optik soğurma için, α soğurma katsayısı ile hν foton enerjisi arasında;

αhν=A(hν - Eg) m (4.16) 0 10 20 30 40 50 60 70 180 280 380 480 580 680 780 880 T (%) λ(nm)

bağıntısı vardır. Buradaki Eg materyalin yasak enerji aralığı, A ise sabit bir katsayıdır.

Katkısız ve Ga katkılı ZnO filmlerinin yasak enerji aralıklarının belirlenmesinde optik soğurma yöntemi kullanılmıĢtır. Optik soğurma yöntemi, yarıiletkenlerin yasak enerji aralıklarının belirlenmesinin yanı sıra bant yapılarının belirlenmesinde de yaygın olarak kullanılır. Soğurma yöntemiyle materyalin yasak enerji aralığını bulmak için (αhν)m

~ hν değiĢimi grafiği çizilir. DeğiĢimin lineer olduğu kısmına karĢılık gelen doğrunun hν eksenini (αhν)1/n

= 0' da kestiği noktanın enerji değeri, o materyalin yasak enerji aralığının değerini verir.

ġekil 4.10 Z0 yasak enerji aralığı.

ġekil 4.11 ZG20yasak enerji aralığı.

ġekil 4.12 ZG40 yasak enerji aralığı

0 1E+14 2E+14 3E+14 4E+14 5E+14 6E+14 7E+14 2,5 2,7 2,9 3,1 3,3 3,5 3,7 3,9 (α h  ) 2 (eV/c m ) 2 h (eV) Eg=3.32eV 0 1E+15 2E+15 3E+15 4E+15 5E+15 6E+15 2,5 2,7 2,9 3,1 3,3 3,5 3,7 3,9 4,1 4,3 4,5 h (eV) Eg=3.89 eV (α h ν) 2 ( eV/c m ) 2 0 2E+14 4E+14 6E+14 8E+14 1E+15 2,6 2,7 2,8 2,9 3 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 (α h  ) 2 ( eV /c m ) 2 h (eV) Eg=3.26 eV

ġekil 4.13 ZG60 yasak enerji aralığı.

ġekil 4.14 ZG80yasak enerji aralı

0 1E+15 2E+15 3E+15 4E+15 5E+15 6E+15 2,5 2,7 2,9 3,1 3,3 3,5 3,7 3,9 4,1 4,3 4,5 (α h  ) 2 (eV/c m ) 2 h (eV) Eg=3.95eV 0 1E+15 2E+15 3E+15 4E+15 5E+15 6E+15 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 (α h  ) 2 ( eV/c m ) 2 h (eV) Eg=4 eV

ZnO filmlerine Ga katkısı yapılmasıyla enerji bant aralığının katkı oranının artmasıyla 3,25 - 4,0 eV 'ta kadar artmıĢtır. Bu artısın Burstein-Moss etkisinden kaynaklandığını söyleye biliriz. %80 Ga katkılı ince filmi monaklinik β-Ga2O3 yapısına geçtiği görülmüĢtür(Wu

vd.,1990). Litaretür de monoklinik β-Ga2O3 materyelinin geniĢ bant aralığına yani yasak enerji

aralığının 4.9 eV değerine sahip olduğu tanımlanır (Cam vd.,2013 ; Feng vd.,2015). yaptığımız çaliĢmada da %80 Ga katkılı ZnO filminin 4eV enerji bant aralığına sahip olduğu görülmüĢtür. Bu da litaretür değerine yakın kabul edile bilir.

5. ZnO FĠLMLERĠNĠN ELEKTRĠKSEL ÖZELLĠKLERĠ 5.1 GiriĢ

Elektriksel iletkenlik malzemelerde oluĢan bağları göz önüne alarak açıklanabilir. Metalik bağlar serbest elektronlar üretirler ve bu elektronlar bir elektrik alanın etkisiyle kolayca hareket ederler. Dolayısıyla bu malzemelerin elektriksel iletkenlikleri yüksektir. Diğer bağ tiplerinde ise valans elektronları belli atomlara, iyonlara veya kovalent bağda olduğu gibi atom çiftlerine sıkıca bağlı bulunmaktadır. Bu malzemeler dolayısıyla yalıtkandır. Aynı tip bağlara sahip birçok malzeme farklı elektriksel özellik de gösterebilmektedir. Mesela silisyum ve elmas her ikisi de benzer kristal yapıda ve kovalent bağlara sahip olmalarına rağmen, bilhassa yüksek sıcaklıklarda silisyum makul ölçülerde iyi bir iletken iken, elmas çok iyi bir yalıtkandır. Bunun sebebi bant yapılarından kaynaklanmaktadır (Çabuk, 2012).

5.2 Bir Yarıiletken Malzemenin Elektriksel Özellikleri

Katı cisimler elektriksel özdirençlerine göre metaller, yarıiletkenler (10-4-1010 Ωcm) ve yalıtkanlar (≥1010

Ωcm) olarak üç gruba ayrılırlar. Katılarda özdirenç kriteri açık değildir. Çünkü bir katıdan diğerine geçildiğinde özdirenç değerleri üst üste gelmektedir. Bundan dolayı metallerin, yarıiletkenlerin ve yalıtkanların özdirenç kriterine göre ayırt edilmesi her zaman geçerli değildir. Yarıiletkenlerin özdirenci, bazı sıcaklık aralığında metallere benzer veya bazı sıcaklıklarda da yalıtkanlara benzer davranıĢ gösterir (Erdoğan,2012)

Bir malzemenin özdirenci (ρ), elektriksel iletkenliğe (σ) Ģu Ģekilde bağlıdır.

ρ=

=

Burada n taĢıyıcı konsantrasyonu, e elektronun yükünün büyüklüğü (e=1.6x10-19 C) ve μ elektronların mobilitesidir. Metallerde elektron konsantrasyonu çok yüksektir (n≈1022

cm-3) ve sıcaklığa bağlı değildir. Metallerde sıcaklık arttıkça elektronların konsantrasyonu sabit kalırken, mobiliteleri bir miktar azalır ve böylece metallerin özdirenci sıcaklıkla artar. Yarıiletkenler de ise taĢıyıcı konsantrasyonu sıcaklık arttıkça exponansiyel olarak artar. Bu nedenle yarıiletkenlerin özdirenci sıcaklık arttıkça azalır.