1
ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
In0.15Ga0.85Se TEK KRİSTALİNİN VE AMORF YAPIDAKİ İNCE FİLMLERİNİN DOĞRUSAL OLMAYAN OPTİK ÖZELLİKLERİ
Ahmet KARATAY
FİZİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
ANKARA 2011 Her hakkı saklıdır
i ÖZET
Yüksek Lisans Tezi
In0.15Ga0.85Se TEK KRİSTALİNİN VE AMORF YAPIDAKİ İNCE FİLMLERİNİN DOĞRUSAL OLMAYAN OPTİK ÖZELLİKLERİ
Ahmet KARATAY Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Ayhan ELMALI
Bu tez çalışmasında, GaSe ve InSe yarıiletken malzemelerinin karışımından oluşan In0.15Ga0.85Se yarıiletken kristalinin ve farklı kalınlıklarda amorf çok ince filmlerinin doğrusal olmayan soğurma özellikleri açık yarık Z-tarama yöntemi kullanılarak araştırıldı. Amorf yapıdaki ince filmlerin yasak enerji aralıkları kalınlık arttıkça artmaktadır. Kalınlık arttıkça ince filmin parçacık büyüklüklerinin azalmasından dolayı kuantum sınırlama etkisi göstermektedir. Doğrusal olmayan soğurmaya neden olan mekanizmaların belirlenmesi için ince filmlerin ultra-hızlı pompa gözlem spektroskopi deneyleri yapılarak serbest taşıyıcıların ömürleri belirlendi. In0.15Ga0.85Se yarıiletken kristalinin ve amorf yapıdaki ince filmlerinin Z-tarama deneyleri iki farklı atma süreli (4 ns ve 65 ps) lazer kaynakları kullanılarak yapıldı. Kristalde her iki lazer ile yapılan deneylerde doğrusal olmayan soğurma gözlenmiştir. Amorf yapıdaki 43 nm’lik ince filmde 65 ps atma süreli lazer kaynağı ile yapılan deneyde doyurulabilir soğurma gözlendi. Film kalınlığı arttıkça yasak enerji aralığındaki kusur seviyelerinin de artmasından dolayı, kalın filmlerde doğrusal olmayan soğurma davranışı gözlenmiştir.
Film kalınlığının arttırılmasıyla doğrusal olmayan soğurma katsayıları artarken, kalınlık azaldıkça doyum eşik şiddetleri azalmaktadır. İnce filmlerin 4 ns atma süreli lazer ile yapılan açık yarık Z-tarama deneylerinde doyurulabilir soğurma özelliği gözlenmemiştir. Bunun nedeni elektronların uyarılmış durumda kalma sürelerinin (~3 ns) lazerin atma süresinden (4 ns) kısa olmasıdır.
Mayıs 2011, 54 Sayfa
Anahtar Kelimeler: Z-tarama, Doğrusal olmayan soğurma, Doyurulabilir soğurma, Amorf ince film
ii ABSTRACT
Master Thesis
NONLINEAR OPTICAL PROPERTIES OF In0.15Ga0.85Se SINGLE CRYSTAL AND ITS AMORPHOUS THIN FILMS
Ahmet KARATAY Ankara University
Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Physics Engineering Supervisor: Prof. Dr. Ayhan ELMALI
In this thesis, nonlinear optical absorption properties of mixed In0.15Ga0.85Se crystal from mixture InSe and GaSe and their amorphous very thin films have been investigated by using open aperture Z-scan technique. The bandgap of the films increases with increasing film thickness. Quantum confinement effect is observed in thin films because of particle sizes decrease with increasing film thickness. The lifetime of the free carriers is determined by using ultra-fast pump probe spectroscopy to understand nonlinear absorption mechanisms. Z-scan experiments of In0.15Ga0.85Se crystal and their amorphous thin films are done by using two different pulse duration lasers (4 ns and 65 ps). The investigated crystal exhibits nonlinear absorption for both 4 ns and 65 ps pulse duration. While saturable absorption is observed for amorphous 43 nm film thickness with 65 ps pulse duration, thicker films show nonlinear absorption because of the increased defect states. While nonlinear absorption coefficients increase with increasing film thickness, saturation thresholds decrease with decreasing film thickness. The saturable absorption in thin films with 4 ns pulse duration was not observed. This is attributed to the lifetime of the localized defect states (~3 ns), which is smaller than pulse duration (4 ns).
May 2011, 54 pages
Key Words: Z-scan, Nonlinear absorption, Saturable absorption, amorphous thin film.
iii TEŞEKKÜR
Tez çalışmamın bütün aşamalarında yardımlarını hiç esirgemeyen danışman hocam Prof. Dr. Ayhan ELMALI (Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fizik Mühendisliği Bölümü) başta olmak üzere, Doç. Dr. H. Gül YAĞLIOĞLU’na (Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fizik Mühendisliği Bölümü), Prof. Dr. Aytunç ATEŞ’e (Yıldırım Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Malzeme Mühendisliği Bölümü), malzemelerin üretimini sağlayan Prof. Dr. Nizami HASANLİ’ye (Orta Doğu Teknik Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü), Optik Malzemeler Araştırma Grubundaki tüm arkadaşlarıma ve bu tezin değerlendirilmesinde katkılarından dolayı Doç. Dr. Barış AKAOĞLU (Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fizik Mühendisliği Bölümü) ve Yard. Doç. Dr. Hakan ALTAN’a (Orta Doğu Teknik Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü) teşekkür ederim.
Ahmet KARATAY Ankara, Haziran 2011
iv
İÇİNDEKİLER
ÖZET ... i
ABSTRACT ... ii
TEŞEKKÜR ... iii
SİMGELER DİZİNİ ... vi
ŞEKİLLER DİZİNİ ... vii
ÇİZELGELER DİZİNİ ... ix
1. GİRİŞ ... 1
2. KURAMSAL TEMELLER ... 5
2.1 Yarıiletkenler ve Bant Yapıları ... 5
2.2 Yarıiletkenlerin Doğrusal Olmayan Optik Özellikleri ... 7
2.3 Doğrusal ve Doğrusal Olmayan Soğurma ... 8
2.3.1 Doğrusal soğurma ... 8
2.3.2 Doğrusal olmayan soğurma ... 9
2.3.2.1 İki foton soğurması ... 9
2.3.2.2 Doyurulabilir soğurma ... 11
2.3.2.3 Serbest taşıyıcı soğurması ... 12
2.3.2.4 Uyarılmış durum soğurması ... 13
2.3.2.5 İki foton yardımlı uyarılmış durum soğurması... 13
3. MATERYAL VE YÖNTEM ... 14
3.1 Dikey Bridgman (Bridgman Stochbarger) Yöntemi ... 15
3.2 In0.15Ga0.85Se Tek Kristalinin Büyütülmesi ... 16
3.3 Vakum Altında Isısal Buharlaştırma Yöntemi ... 17
3.3.1 In0.15Ga0.85Se ince filmlerinin büyütülmesi ... 18
3.4 Yarıiletkenlerde Doğrusal Soğurma Katsayısı ve Yasak Enerji Bant aralıklarının belirlenmesi ... 18
3.4.1 In0.15Ga0.85Se yarıiletkeninin kristal ve amorf yapıdaki ince filmlerinin doğrusal soğurma özellikleri ... 19
3.5 In0.15Ga0.85Se Yarıiletken Kristalinin ve Amorf Yapıdaki İnce Filmlerinin Kalınlıklarının Belirlenmesi ... 20
3.6 Z-Tarama Tekniği ... 23
3.6.1 Açık yarık Z-Tarama tekniği ... 24
3.6.2 In0.15Ga0.85Se yarıiletken kristalinin ve amorf yapıdaki ince filmlerinin doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurmalarının belirlenmesi ... 26
3.7 Ultra-Hızlı Pompa-Gözlem Spektroskopisi ... 27
v
3.7.1 In0.15Ga0.85Se amorf ince filmlerinin serbest taşıyıcı ömürlerinin
belirlenmesi ... 29
3.8 In0.15Ga0.85Se Amorf Yarıiletken İnce Filmlerinin Yüzey Haritalamasının Belirlenmesi ... 30
4. BULGULAR ... 31
4.1 In0.15Ga0.85Se Kristalin Ölçüm Sonuçları ... 31
4.1.1 In0.15Ga0.85Se kristalinin kalınlığının belirlenmesi ... 31
4.1.2 In0.15Ga0.85Se kristalinin doğrusal soğurma spektrumu ... 31
4.1.3 In0.15Ga0.85Se kristalinin yasak enerji aralığı ... 32
4.1.4 In0.15Ga0.85Se kristalinin doğrusal olmayan soğurma özellikleri ... 33
4.1.4.1 Nanosaniye atma süreli lazer sonuçları ... 33
4.1.4.2 Pikosaniye atma süreli lazer sonuçları ... 33
4.2 Amorf İnce Filmlerin Ölçüm Sonuçları ... 34
4.2.1 In0.15Ga0.85Se ince filmlerin XRD grafikleri ... 34
4.2.2 In0.15Ga0.85Se yarıiletken ince filmlerinin kalınlıkları ... 34
4.2.3 In0.15Ga0.85Se yarıiletken amorf ince filmlerin doğrusal soğurma spektrumları ... 38
4.2.4 In0.15Ga0.85Se amorf ince filmlerinin yasak enerji bant aralıkları ... 38
4.2.5 Yarıiletken In0.15Ga0.85Se amorf ince filmlerinin yüzey haritası ... 40
4.2.6 In0.15Ga0.85Se yarıiletken amorf ince filmlerinin doğrusal olmayan soğurma ve doyurulabilir soğurmaları ... 41
4.2.7 Yarıiletken In0.15Ga0.85Se amorf ince filmlerin serbest taşıyıcı ömürleri ... 42
5. TARTIŞMA VE SONUÇ ... 43
5.1 In0.15Ga0.85Se Külçe Kristali ... 43
5.2 In0.15Ga0.85Se Yarıiletken Amorf İnce Filmleri ... 45
KAYNAKLAR ... 50
ÖZGEÇMİŞ ... 54
vi
SİMGELER DİZİNİ
χ (3) Üçüncü dereceden doğrusal olmayan alınganlık β İki foton soğurma katsayısı
βeff Doğrusal olmayan soğurma katsayısı σ Soğurma tesir kesiti
σC Serbest taşıyıcı arakesiti Eg Yasak enerji bant aralığı α0 Doğrusal soğurma katsayısı N Sistemdeki molekül sayısı
NC (I) şiddete bağlı taşıyıcı yoğunluğu
T Geçirgenlik
τ Atma süresi
τC Elektron-deşik birleşme süresi TPA İki foton soğurması
RSA Ardışık foton soğurması SA Doyurulabilir soğurma FS Malzemenin doyum akısı I0 Odaktaki şiddet
IS Malzemelerin doyuma ulaşma eşik şiddeti ω0 Odaktaki ışın yarıçapı
z0 Işının kırınım uzunluğu (Rayleigh aralığı)
ns Nanosaniye
ps Pikosaniye
fs Femtosaniye
vii
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 2.1 Yarıiletkenlerde bant yapıları (Sari 2008) ... 6
Şekil 2.2 Yarıiletkenlerde direk ve indirek bant geçişleri (Sari 2008) ... 6
Şekil 2.3 a. Yarıiletkenlerin değerlik bandı ve iletim bandının yasak enerji aralığı ile ayrılması (Eg), b. >Eg için elektronların iletim bandına çıkarılması, c. Eg durumunda iki foton soğurması ile çizgisel olmayan soğurma meydana gelebilir ... 7
Şekil 2.4 Işığın madde içerisindeki doğrusal soğurması ... 8
Şekil 2.5 Şematik olarak iki foton soğurmasının gösterilmesi ... 10
Şekil 3.1 GaSe kristalinin hekzagonal yapıda birleşimi (Wikipedia 2011) ... 14
Şekil 3.2 Bridgman fırınının şematik gösterimi (http://www.fkf.mpg.de/crystal/D6- Bridgman_growth.pdf) ... 16
Şekil 3.3 In0.15Ga0.85Se kristalinin görüntüsü (foto 2011) ... 16
Şekil 3.4 Vakum altında ısısal buharlaştırma ile ince film kaplama sistemi (foto 2011) 17 Şekil 3.5 Fused silika alttaş üzerine büyütülmüş 43 nm ve 64 nm In0.15Ga0.85Se ince filmleri (foto 2011) ... 18
Şekil 3.6 Doğrusal soğurma spektrometresi (Shimadzu UV-1800 foto, 2011) ... 20
Şekil 3.7 Spektroskopik elipsometrenin sematik gösterimi ... 21
Şekil 3.8 Elipsometrede analiz basamakları... 22
Şekil 3.9 Spektroskopik elipsometre (Woollam,-M2000V foto, 2011) ... 23
Şekil 3.10 Açık yarık Z-Tarama deney düzeneği ve doğrusal olmayan soğurma eğrisi. 25 Şekil 3.11 Doyurulabilir soğurma eğrisi ... 25
Şekil 3.12 Açık yarık Z-Tarama deney düzeneği (foto, 2011) ... 26
Şekil 3.13 Ultra-hızlı pompa-gözlem spektroskopisi deney düzeneğinin şematik gösterimi ... 28
Şekil 3.14 Ultra-hızlı pompa-gözlem spektroskopi deney düzeneği (Spectra Physics, Helios foto, 2011) ... 29
Şekil 3.15 Atomik kuvvet mikroskobu ... 30
Şekil 4.1 In0.15Ga0.85Se külçe kristalinin doğrusal soğurma spektrumu ... 32
Şekil 4.2 In0.15Ga0.85Se kristalinin yasak enerji bant aralığı ... 32
Şekil 4.3 In0.15Ga0.85Se kristalinin nanosaniye açık yarık Z-tarama eğrileri ... 33
viii
Şekil 4.4 In0.15Ga0.85Se kristalinin nanosaniye açık yarık Z-tarama eğrileri ... 33
Şekil 4.5 64 nm kalınlığındaki In0.15Ga0.85Se ince filminin XRD grafiği ... 34
Şekil 4.6 43 nm kalınlığındaki ince filmin spektroskopik elipsometreden elde edilen ψ ve ∆ parametrelerinin dalga boyuna bağlılığı ... 35
Şekil 4.7 48 nm kalınlığındaki ince filmin spektroskopik elipsometreden elde edilen ψ ve ∆ parametrelerinin dalga boyuna bağlılığı ... 35
Şekil 4.8 54 nm kalınlığındaki ince filmin spektroskopik elipsometreden elde edilen ψ ve ∆ parametrelerinin dalga boyuna bağlılığı ... 36
Şekil 4.9 64 nm kalınlığındaki ince filmin spektroskopik elipsometreden elde edilen ψ ve ∆ parametrelerinin dalga boyuna bağlılığı ... 36
Şekil 4.10 Kalınlığa bağlı kırılma indisi değişimi ... 37
Şekil 4.11 Dalgaboyuna bağlı kırılma indisi değişimi (64 nm) ... 37
Şekil 4.12 In0.15Ga0.85Se ince filmlerinin doğrusal soğurma spektrumları ... 38
Şekil 4.13 In0.15Ga0.85Se ince filmlerinin yasak enerji bant aralıkları ... 39
Şekil 4.14 İnce filmlerin yasak enerji aralıklarının kalınlığa göre değişimi ... 40
Şekil 4.15 In0.15Ga0.85Se ince filmlerin AFM sonuçları a) 43 nm, b) 64 nm ... 40
Şekil 4.16 In0.15Ga0.85Se ince filmlerinin I0=1.35 GW/cm2 şiddetinde alınan pikosaniye açık yarık Z-tarama eğrileri ... 41
Şekil 4.17 64 nm kalınlığındaki In0.15Ga0.85Se ince filminin şiddete bağlı pikosaniye açık yarık Z-tarama eğrileri ... 42
Şekil 4.18 43 nm kalınlığındaki In0.15Ga0.85Se ince filminin ultra-hızlı spektroskopi sonucu ... 42
ix
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge 5.1 In0.15Ga0.85Se kristalinin nanosaniye ve pikosaniye atma süreli lazer ışık kaynaklarıyla farklı şiddet değerlerinde yapılan açık yarık Z-tarama deneylerinden elde edilen doğrusal
olmayan soğurma katsayıları (β)…...43 Çizelge 5.2 Ga0.85In0.15Se amorf ince filmlerinin kalınlığa bağlı pikosaniye
açık yarık Z-tarama deneylerinden elde edilen ISAT ve βeff
değerleri………...…..48
1 1. GİRİŞ
Optik, ışığı ve ışığın madde ile etkileşmesi sırasında olan olayları inceleyen bir bilim dalıdır. Teknolojinin en önemli hedeflerinden biri en hızlıyı üretmektir. Evrende ise en yüksek hıza ışık sahiptir. Işığın bu özelliğinden dolayı optiğe dayalı teknolojiler yaşamımıza hızla girmektedir. Optik sensörler, optik bilgisayarlar, optik anahtarlama, optik haberleşme, optik modülatörler optiğin uygulama alanlarına örnek olarak verilebilir. Bu uygulama alanlarından bazıları doğrusal olmayan optik prensiplere göre çalışır. Doğrusal olmayan optik, malzemenin yüksek şiddetli bir ışınla etkileşmesine dayanır. Burada malzemenin yüksek şiddetli ışın ile etkileşmesi sırasında gözlenen etkiler incelenir (soğurma, kırılma indisi, yansıma katsayısı gibi). Malzemelerin bu şekilde optik özelliklerini değiştirebilmek için gerekli yüksek şiddet, ancak lazer kaynaklarından elde edilebilmektedir. Bu nedenle doğrusal olmayan optik 1960 yılında Maiman tarafından lazerin yapımından bir yıl kadar sonra, Franken ve çalışma arkadaşları tarafından ikinci harmonik üretiminin keşfiyle başlamıştır (Boyd 1992, Franken vd. 1961). Bundan kısa bir zaman sonra toplam frekans üretimi (Bass vd.
1962), fark frekans üretimi (Neihuhr 1963, Smith vd. 1963), üçüncü harmonik üretimi (Terhune vd. 1962), optik düzeltme (Bass vd. 1962), optik parametrik yükseltme ve salınımı (Wang vd. 1965, Giordmaine vd. 1965) şeklinde yeni doğrusal olmayan optik kavramlar deneysel olarak kanıtlanmıştır.
Yarıiletken malzemeler elektronik aletlerde ve opto-elektronik teknolojisinde geniş bir kullanım alanına sahiptir. Bunun yanında, yarıiletkenlerin çok iyi doğrusal olmayan optik özellikleri vardır. Optik anahtarlama, mod kitleme (Fan vd. 2005, He vd. 2004), foton enerjisini arttırma (upconversion lasing) (He vd. 2002), ve optik sınırlama (Maciel vd. 2001) gibi doğrusal olmayan optikte önemli uygulama alanlarına sahiptir.
Bu tez çalışmasında III-IV yarıiletken ailesinden olan galyum selenid (GaSe) ve indiyum selenid (InSe) kristallerinin karışımından oluşan (%15 InSe ve %85 GaSe) In0.15Ga0.85Se kristali çalışılmıştır. GaSe ve InSe kristalleri üzerine yapılan literatürde çok sayıda çalışma vardır. GaSe kristalinin iki foton soğurması ilk olarak Abdullaev vd.
(1971) tarafından gözlenmiştir. Burada yapılan deneylerde 1064 nm dalga boylu Nd:YAG lazer kullanılmıştır.
2
Kulibekov vd. (2004) tarafından yasak enerji bant aralıkları 2.020 eV olan 0.86, 1.92, 2.32 mm gibi farklı kalınlıklardaki GaSe kristalleri 60 fs atma süreli ve 1.98 eV enerjili lazer ile doğrusal olmayan soğurma özellikleri çalışılmıştır. Adduci vd. (1977) tarafından GaSe, GaS, ve PbI2 kademeli kristallerinin doğrusal olmayan soğurma özellikleri 1064 nm dalga boylu, 20 ns atma süresine sahip Q-anahtarlamalı Nd:YAG lazeri kullanılarak 200 MW güçte çalışılmıştır. Burada GaSe kristali için 1.17 eV enerjili lazer ışını altındaki iki foton soğurma katsayısı 1.1 x 10-7 cm/W olarak bulunmuştur. Yine bu çalışmada bu yarıiletken kristallerin taşıyıcı ömürleri de ölçülüp, bulunan değerler teorik modellerle karşılaştırılmıştır. GaSe için taşıyıcı ömürleri fotoiletkenlik ve fotoelektromagnetik etki ölçümleri ile yaklaşık olarak 0.4 ns olarak bulunmuştur. Vodopyanov vd. (1998) tarafından GaSe ve CdGeAs2 yarıiletken kristallerinin iki foton soğurma özellikleri incelenmiştir. Burada 0.68 µm – 2.8 µm dalga boyu aralığında ve nanosaniye ve pikosaniye atma süreli lazerler kullanılmıştır.
İki foton soğurma katsayısı GaSe için ( λ=700 nm) β = ~ 6 x 10-9 cm/W ve CdGeAs2 için ( λ=2800 nm) β = ~ 2.5 x 10-7 cm/W olarak bulunmuştur. Allakhverdiev (1999) tarafından GaSe ve farklı alaşımlardan oluşan yarıiletken külçe kristallerin doğrusal olmayan soğurma özellikleri 1064 nm dalga boyunda ve 35 ps atma süreli Nd:YAG lazer ile incelenmiştir. Burada GaSe içi iki foton soğurma katsayısı β = 6.3 x 10-9 cm/W olarak bulunmuştur. Allakhverdiev vd. (2006) tarafından Bridgman yöntemi ile büyütülen GaSe tek kristalinin iki foton soğurma katsayısının ışığın kristal içerisindeki ilerleme yönelimine bağlı olup olmadığı ve GaSe kristalinin içine katkılama yapıldığında bunun iki foton soğurma katsayısını nasıl etkilediği ile ilgili çalışma yapılmıştır. Burada farklı yönelimlerde hesaplanan iki foton soğurma katsayısı değerleri β = 1.07 x 10-9 cm/W ve β = 1.88 x 10-9 cm/W olarak bulunmuştur. Buradan da anlaşılacağı gibi iki foton soğurma katsayısı anizotropiye fazla bağlı değildir. Fakat kristal içerisine katkılama yapıldığında β değerinin oldukça arttığı gözlenmiştir.
İndiyum selen kristali külçe halinde doğrusal olmayan optik alanında ilk kez Catalano vd. (1979) tarafından çalışılmıştır. InSe külçe kristalinin doğrusal olmayan soğurma davranışı Segura vd. (1997) tarafından incelenmiştir.
Bringuier vd. (1994) tarafından ikinci harmonik ışınını soğuran GaSe ve InSe kristallerinde ikinci harmonik üretimi ile ilgili çalışma yapılmıştır. Burada temel ve
3
ikinci harmonik ışını arasındaki faz eşlemesi yeteri kadar iyi yapılamamıştır. İkinci harmoniğin soğurulması ve faz eşlemesinin yapılamaması olaylarının her ikisinin pompa ışınının (temel ışık) dalga boyunun azalmasına neden olduğu bulunmuştur. Son olarak GaSe ve InSe kristallerinde 1064 nm dalga boyunda temel ışık kullanılması durumunda ikinci harmoniğin çıkış şiddeti rapor edilmiştir.
Yarıiletkenlerin doğrusal olmayan veya doyurulabilir soğurma davranışı kullanılan lazer ışığının atma enerjisi ile yarıiletken malzemenin yasak enerji bant aralığına bağlıdır.
Kullanılan lazer ışığının atma enerjisi yarıiletkenin yasak enerji aralığının yarısından büyük ve tamamından küçük ise /2 (Vodopyanov vd. 1998) doğrusal olmayan soğurma davranışı gözlenir. Fakat bu kural yarıiletken malzemesinin yasak enerji aralığında katkı veya kusurların olmadığı durumlarda geçerlidir. ışığın enerjisi ne kadar bant aralığına yaklaşırsa, malzemenin iki foton soğurma yapma olasılığı da o kadar artar ve rezonans durumunda maksimum olur. Bunun yanında
olması durumunda da doyurulabilir soğurma gözlenebilir.
Bu tez çalışmasında, In0.15Ga0.85Se kristalinin ve amorf yapıdaki çok ince filmlerinin doğrusal olmayan soğurma davranışları ve buna neden olan mekanizmalar Z-tarama deney sistemi ve ultra-hızlı pompa-gözlem spektroskopi (pump-probe) yöntemiyle incelendi.
InSe’nin çok ince amorf filmlerinin doğrusal olmayan soğurma özellikleri daha önce araştırılmıştır (Yüksek vd. 2010). 20 ve 52 nm kalınlığındaki filmler doyurulabilir soğurma özelliği gösterirken, daha kalın filmlere doğru gidildikçe (70 ve 104 nm) doğrusal olmayan soğurma özelliği gözlenmektedir. Bu da kalınlığın artması nedeniyle bant aralığındaki kusur seviyelerinin artmasından kaynaklanmaktadır. Literatürde ilk defa çok ince filmlerde doyurulabilir soğurma gözlenmiş ve kalınlığın kontrolü ile doğrusal olmayan soğurmaya geçilmiştir.
Kürüm vd. (2010) tarafından 38 ile 74 nm aralığında farklı kalınlıklarda GaSe, GaSe:Ge, GaSe:Sn amorf yapıdaki ince filmleri yine yukarıda olduğu gibi ısıl buharlaştırma yöntemiyle büyütülerek, doğrusal olmayan soğurma özellikleri nanosaniye ve pikosaniye atmalı lazerlerle incelenmiştir. Burada Ge ve Sn
4
katkılandırmalarının doğrusal olmayan soğurma üzerine etkisi araştırılmış ve ultra-hızlı pompa-gözlem spektroskopi yöntemiyle doğrusal olmayan soğurma mekanizmaları araştırılmıştır.
Kullanılan lazer kaynağının atma süresine göre malzemelerin doğrusal olmayan soğurma özellikleri değişim göstermektedir. Bu tez çalışmasında, malzemelerin doğrusal olmayan soğurma özellikleri 4 ns ve 65 ps atma sürelerine sahip iki tür lazer kullanılarak, Z-tarama deney sistemi ile araştırılmıştır.
5 2. KURAMSAL TEMELLER
2.1 Yarıiletkenler ve Bant Yapıları
Yarıiletkenler elektrik iletkenliği bakımından iletkenlerle yalıtkanlar arasında kalan malzemelerdir. Normal durumda yalıtkan olan bu malzemeler ısı, ışık, manyetik etki, veya elektriksel gerilim gibi dış etkiler uygulandığında, değerlik elektronlarını serbest hale geçirerek iletken duruma gelirler. Uygulanan bu dış etki veya etkiler ortadan kaldırıldığında yalıtkan hale gelirler. Bu özellik yarıiletkenlerin elektronik alanda yoğun olarak kullanılmasını sağlamıştır. Bunların yanında bu malzemeleri diğerlerinden ayıran en önemli özellik, elektron ve deşikler gibi serbest taşıyıcılarının çok rahat bir şekilde hareket edebileceği geniş bantlara ve farklı yasak enerji aralıklarına () sahip olmalarıdır.
Yarıiletkenler değerlik ve iletim bandından oluşmak üzere sürekli bant yapılarına sahiptirler. Yarıiletkenlerdeki bu sürekli bant yapılarının oluşması aşağıda kısaca açıklanmıştır. Herhangi bir atomu ele alıp baktığımız zaman bir çekirdek ve etrafında elektronlar bulunmaktadır. Bu elektronların uyarılabileceği kuantumlu enerji seviyeleri mevcuttur. Şekil 2.1’de görüldüğü gibi bir Si atomunun yanına başka bir Si geldiğinde 3s ve 3p yörünge enerjileri ikiye bölünür ve diğer alt yörüngelerin (2s ve 2p) tersine bu yörüngeler her iki atoma aittir. Si atomlarının sayısı artınca 3s ve 3p yörünge enerjileri atom sayısı kadar bölünmeye uğrar ve bu yörünge enerjileri bütün atomlara aittir. Bir araya gelen atom sayısı arttıkça s ve p yörüngeleri Avagadro sayısı kadar yarılmalara uğrar ve artık kesikli enerji seviyelerinden oluşan sürekli bir enerji aralığı (bant) oluşur.
Bu s ve p bölgeleri yarılmasıyla oluşan enerji bantları arasında kalan bölge yasak enerji aralığıdır.
Değerlik bandı mutlak sıfır noktasında tamamen doludur ve iletkenlik bandı ile arasındaki enerji farkı yaklaşık 1 eV kadardır. Bu nedenle oda sıcaklığında bu malzemeler yalıtkan haldedir. Yarıiletkenler ışık, ısıtma veya elektrik akımına maruz bırakarak, değerlik bandındaki elektronlar kolaylıkla iletim bandına uyarılabilirler.
6
Şekil 2.1 Yarıiletkenlerde bant yapıları (Sari 2008)
Yarıiletkenler kendi aralarında yasak enerji bant aralıkları ve değerlik bantlarıyla karakterize edilirler. Değerlik bantlarının maksimum noktası ile iletim bantlarının minimum noktası k uzayında üst üste geliyorsa, yarıiletken malzeme direk bant aralığına sahiptir. Değerlik bandının maksimumu ile iletim bandının minimumu tam üst üste çakışmıyorsa, yarıiletken malzeme indirek bant aralığına sahiptir. Direk ve indirek bant geçişleri şekil 2.2’deki gibidir.
Şekil 2.2 Yarıiletkenlerde direk ve indirek bant geçişleri (Sari 2008)
7
2.2 Yarıiletkenlerin Doğrusal Olmayan Optik Özellikleri
Yarıiletken malzemeler yüksek doğrusal olmayan soğurma ve doyurulabilir soğurma özellikleri göstermeleri nedeniyle doğrusal olmayan optikte önemli bir rol oynarlar.
Yarıiletkenlerin doğrusal olmayan optik tepkisi malzemenin üzerine gelen lazer ışığının enerjisinin malzemenin yasak enerji aralığından küçük veya büyük olmasına bağlıdır.
Şekil 2.3 a. Yarıiletkenlerin değerlik bandı ve iletim bandının yasak enerji aralığı ile ayrılması (Eg), b. >Eg için elektronların iletim bandına çıkarılması, c. Eg durumunda iki foton soğurması ile çizgisel olmayan soğurma meydana gelebilir
Eğer gelen fotonun enerjisi yasak enerji aralığından büyük ise ( >Eg) taban seviyesinde bulunan elektronlar tek bir foton soğurarak iletim bandına geçiş yaparlar.
Bu soğurma tek foton soğurmasıdır. Gönderilen lazer ışığının enerjisi yarıiletken malzemenin yasak enerji arlığından düşük ( Eg) olduğu zaman, doğrusal olmayan soğurmanın gözlenebilmesi için şekil 2.3.c’de görüldüğü gibi iki foton soğurması yapmalıdır.
Gönderilen ışının enerjisinin bant aralığından büyük olduğu durumlarda doğrusal olmayan etkiler bantlar arası geçişlerle olmaktadır. Önemli olan rezonans durumunda olmadan yüksek doğrusal olmayan etki gösteren malzemeler bulmaktır. Kısa atma süresine sahip lazerlerde doğrusal olmayan etkiler aşağıdaki denklemde verildiği gibi iletim bandının nüfuslanmasına göre tanımlanabilirler.
2.1
2
8 Burada Nc(0)
iletim bandındaki nüfuslanma, lazer frekansındaki soğurma katsayısı ve
elektron-deşik birleşme zamanıdır. Düzgün durumda (ısısal dengede) bu denklem şu hali alır;
2.2
Burada gönderilen lazer ışınının atma süresi malzemenin tepki süresinden küçük ise lazer atmasının etki ettiği süre boyunca iletim bandındaki elektron yoğunluğu artar.
2.3 Doğrusal ve Doğrusal Olmayan Soğurma
2.3.1 Doğrusal soğurma
Doğrusal olmayan soğurmaya katkı sağlayan etkenlerden biri de doğrusal soğurmadır.
Yarıiletken malzemelerin kristal formlarında doğrusal soğurmanın gerçekleşebilmesi için gönderilen ışının enerjisinin yarıiletkenin yasak enerji aralığına ( ) eşit ya da büyük olması gerekmektedir. Fakat yarıiletken düzensiz (amorf) yapıda ise, yasak enerji aralığında bulunan kusur seviyeleri, daha geniş bir spektral aralıkta doğrusal soğurmaların gözlenmesine neden olur.
Şekil 2.4 Işığın madde içerisindeki doğrusal soğurması
Şekil 2.4’de görüldüğü gibi malzeme üzerine gelen I0 şiddetindeki ışık malzeme tarafından doğrusal olarak soğurularak, I şiddetinde malzemeyi terk eder. Burada I
<I0’dır. I0 şiddeti çok yüksek olmadığından, sadece doğrusal soğurma gözlenir ve
9
doğrusal olmayan soğurmalar gerçekleşmez. Doğrusal soğurma tek foton yardımıyla elektronun taban durumundan üst duruma geçmesi ile gerçekleşir.
2.3.2 Doğrusal olmayan soğurma
Doğrusal olmayan soğurma malzemenin üzerine düşen ışın şiddetinin yüksek olduğu (>MW/cm2) durumlarda gözlenir ve ışığın şiddetine ve enerji yoğunluğuna bağlı olarak değişim gösterir. Yüksek şiddetlerde, malzemenin taban durumuna inmeden önce birden fazla foton soğurma olasılığı arttırılabilir. Göppert-Meyer (1931) ikinci dereceden pertürbasyon teorisini kullanarak bir sistemde iki fotonlu geçiş olasılığını teorik olarak türetmiştir (Sutherland vd. 2003). Lazerin keşfinden beri, malzemelerin geniş bir bölümünde sadece kendiliğinden iki foton soğurması değil, ikiden çok foton soğurması geniş ölçüde çalışılmıştır. Buna ek olarak, şiddetli lazer alanları tarafından indüklenen nüfuslanmanın yeniden düzenlenmesi, katılarda serbest taşıyıcıların üretilmesi, karmaşık moleküllü sistemlerde karmaşık enerji geçişleri (ardışık foton soğurması) ve uyarılmış yayılma ve soğurma da çalışılmıştır. Bu olay, artan şiddete bağlı olarak geçirgenlik artıyorsa; doyurulabilir soğurma, geçirgenlik azalıyorsa; ardışık foton soğurması, iki veya daha fazla foton soğurması, serbest taşıyıcı soğurması ve uyarılmış durum soğurması olarak adlandırılır.
Malzemelerin doğrusal olmayan soğurma davranışlarının doğrusal olmayan spektroskopi, optik sınırlama, optik anahtarlama, optik veri depolama, gibi önemli uygulama alanları vardır.
2.3.2.1 İki foton soğurması
Yüksek şiddette, yarıiletkenin yasak enerji bant aralığı gönderilen fotonun enerjisinden büyük ise malzeme iki foton soğurması gösterebilir. Bu olay sistemin taban durumundan bir üst duruma eş zamanlı olarak iki foton soğurmasıyla geçmesi sonucu gerçekleşir. Buradaki soğurma tek foton soğurmasında olduğu gibi enerjiye değil, şiddete bağlıdır.
10
İki foton soğurmasında (TPA) iki olası durum bulunmaktadır ve bunlara şekil 2.5’de gösterilmektedir. Birincisinde ω frekansındaki iki foton soğurularak rezonansa geçildiği durumdur. İkinci durumda ise ωe ve ωp frekanslarına sahip iki fotonun soğurularak rezonans durumuna geçilmesidir. Bu durumdaki ilk alan (e alt indisli) pompa veya uyarma ışını, ikincisi ise (p alt indisli) pompa ışınına göre geciktirilmiş ışındır. Her iki durumda da yasak enerji aralığındaki seviye sanaldır.
Şekil 2.5 Şematik olarak iki foton soğurmasının gösterilmesi
a. Kendiliğinden iki foton soğurması, b. Ultra-hızlı pompa-gözlem spektroskopi
Tek ışınla iki foton soğurmasında doğrusal olmayan soğurma şiddetin karesiyle orantılıdır. Ve soğurmanın şiddete bağlı ifadesi
2.3
şeklinde verilir. Burada α bant içerisindeki safsızlıklardan kaynaklanan doğrusal soğurma katsayısı ve β iki foton soğurma katsayısıdır.
İki foton soğurma katsayısı β malzemeyi karakterize eden makroskobik bir parametredir. Moleküler için TPA soğurma tesir kesiti " ile β arasındaki bağıntı,
"
2.4
ile verilir. Burada N sistemdeki molekül sayısı ve gelen fotonların enerjisidir.
11
İki foton soğurma katsayısının üçüncü dereceden alınganlıkla ilişkisi,
3$
%& '( m*+ 2.5
şeklindedir. Burada % boş uzayın elektriksel geçirgenliği, n kırılma indisi, c ışık hızı, ( gelen ışının dalga boyu, *+ malzemenin üçüncü dereceden alınganlığıdır. Doğrusal olmayan soğurma *+’ün sanal kısmıyla ilgilidir.
İki foton soğurması gibi nicelikleri belirlemek için en çok kullanılan yöntemlerden biri geçirgenliğe dayalı Z-tarama yöntemidir. Burada iki foton soğurmasını belirlemek için
frekansındaki ışığa karşı malzemenin geçirgenliği bulunmalıdır. Geçirgenlik, gelen ışığın şiddetine bağlı olarak değişim göstermektedir. Fakat her zaman ölçülen atmanın veya ışığın enerjisidir. Böylece geçirgenlik geçen enerjinin gelen enerjiye oranı olarak yazılabilir. Gaussian atmalı lazer kullanıldığında malzemenin geçirgenliği şu şekilde verilir (Sutherland vd. 2003).
- 1 . /012
√$4 5 ln81 4>? /09:; < 2.6
0?
Burada, 4 1 .@ABB, @ABB C0A1DEF ve < / (z0 Rayleigh aralığıdır, z malzemenin konumu).
Buradaki bütün durumlarda I0 malzemenin üzerine gelen ışımanın şiddeti, R parametresi de malzemenin yüzeyindeki Fresnel yansımasıdır.
2.3.2.2 Doyurulabilir soğurma
Yüksek şiddetli ışına maruz kalan malzemelerin göstermiş oldukları doğrusal olmayan etkilerinden bir tanesi de doyurulabilir soğurmadır. Birçok malzemenin soğurma katsayısı yüksek şiddetli ışına maruz kaldığı zaman düşmektedir. Şiddetli lazer ışığına maruz kalan bir malzemenin şiddete bağlı soğurma katsayısı
1 G 2.7
12
şeklinde verilmektedir. Burada doğrusal soğurma katsayısı ve G doyuma ulaşma şiddetidir.
Bu tür özelliğe sahip malzemeler kullanılarak, lazer ışığının atma süresinin kısaltılmasında, kullanılan yarıiletken doyurulabilir soğurma aynaları (SESAM, Semiconductor Saturable Absorber Mirror) yapımında ve lazer kavitelerinde kullanılırlar (Keller vd. 1996, Jung vd. 1997).
2.3.2.3 Serbest taşıyıcı soğurması
Yarıiletkenlerde doğrusal soğurma ile üretilen serbest taşıyıcılar, fononlar aracılığıyla iletkenlik bandının daha üst seviyelerine taşınabilir. Bu olay serbest taşıyıcı soğurması olarak adlandırılır (Sutherland vd. 2003).
Bu durumda şiddetteki azalma;
" 2.8
ile verilir. şiddete bağlı taşıyıcı yoğunluğu, " serbest taşıyıcı soğurma tesir kesitidir. Yüksek frekans geçirgenliğine 1/ω2 ile orantılı olarak katkıda bulunmaktadır.
Yarıiletken malzemelerde kızılötesi ışımalarda serbest taşıyıcı soğurması büyük önem taşımaktadır.
Serbest taşıyıcı yoğunluğunun zamana göre değişimi;
2.9
ile verilir. Burada elektron-deşik birleşme süresidir. Eğer malzemeye gelen ışığın atma süresi serbest taşıyıcı durulma süresinden ( küçük ise, o zaman yukarıdaki denklemdeki ikinci terim ihmal edilir. Bu durumda denklem (2.8) denklem (2.10)’a dönüştürülebilir.
K L1 K
2KGM K 2.10
13 Burada KG OP
Q doyum akısıdır. Burada tanımlanan ara kesit serbest taşıyıcı ara kesitidir.
2.3.2.4 Uyarılmış durum soğurması
Malzemenin üzerine gönderilen ışığın şiddeti malzemenin doyum şiddetinden çok daha büyük ise, uyarılma yapılan bu seviye önemli bir şekilde doldurulmuş olur.
Yarıiletkenler ve çok atomlu sistemlerde uyarılan seviyenin yakınlarında yüksek yoğunlukta seviyeler vardır. Uyarılan bir elektron taban durumuna inmeden bu seviyelerden birine hızlı bir şekilde geçiş yapar. Ayrıca uyarılan seviyeden daha yukarıda yer alan ve gelen foton ile yakın rezonansta olan seviyelerde mevcuttur. Bu yüzden foton taban durumuna geçmeden bir foton soğurarak yukarıdaki seviyelere geçiş yapabilir. Bu işlem uyarılmış durum soğurması olarak bilinir ve çok yüksek şiddetlerde gözlenebilir. Uyarılan seviyenin soğurma tesir kesiti taban seviyesinin soğurma tesir kesitinden daha düşük olduğu durumlarda yüksek şiddetlere çıkıldığında malzemenin soğurmasında düşme gözlenecektir ve bu doyurulabilir soğuma olarak adlandırılır. İki seviyeli sistemlerde doyurulabilir soğurmanın gözlenebilmesi için uyarılan elektronun tekrar taban durumuna dönmesi için geçen sürenin, lazer ışığının atma süresinden daha uzun olması gerekir.
2.3.2.5 İki foton yardımlı uyarılmış durum soğurması
Bir malzeme etkin bir şekilde iki foton soğurması yapıyorsa TPA’nın (two photon absorption) olduğu seviyeden daha üst seviyelere uyarma yapabilir. Bu durum yarıiletken malzemelerde ve çok atomlu moleküllerde gözlenmektedir. Bu durumda şiddetteki yola bağlı değişim;
" 2.11
olur. Buradaki kusur seviyelerinden kaynaklanan doğrusal soğurma katsayısıdır.
14 3. MATERYAL VE YÖNTEM
Bu bölümde InSe ve GaSe karışımından oluşmuş In0.15Ga0.85Se yarıiletken kristalinin ve amorf yapıdaki ince filmlerinin hazırlanması, kristal ve ince filmlerin kalınlıklarının, doğrusal ve doğrusal olmayan optik özelliklerinin belirlenmesinde kullanılan yöntemler ve deney sistemleri hakkında bilgi verilecektir.
GaSe ve InSe kristalleri III-VI yarıiletkenler grubundan olup anizotropik elektriksel ve optik özelliklerinden dolayı yoğun olarak çalışılmaktadır (Terhell 1983, Chevy vd.
1977, Vodopyanov vd. 1998, Kulibeko vd. 2004). GaSe ve InSe tabakalı yapıdadır.
Tabaka içinde kovalent bağlar, tabakalar arasında van-der Waals bağları vardır. Bu tez çalışmasında incelenen yarıiletken malzeme, InSe ve GaSe karışımından oluşmaktadır ve bu oluşan yeni yapıda Ga atomlarının yerine In atomları gelmektedir. Şekil 3.1’de hekzagonal yapıya sahip olan GaSe’nin kristallenme şekli görülmektedir. InSe’de aynı yapıya sahiptir.
Şekil 3.1 GaSe kristalinin hekzagonal yapıda birleşimi (Wikipedia 2011)
15
GaSe ve InSe kristallerinin özellikleri aşağıda kısaca verilmiştir.
GaSe kristali tabakalı yapıya sahiptir ve büyütme koşullarına göre hekzagonal ve ya rombohedral yapılarda kristallenebilir. GaSe’nin erime sıcaklığı 936 °C’dir (Gouskov vd. 1982). İndirek bant aralığına sahiptir. Yasak enerji bant aralığı oda sıcaklığında 2.1 eV’dur. GaSe kristali çok geniş bir iletim aralığına (0.62 – 2.0 µm) sahiptir. Çok yüksek çift kırıcılık özelliğine sahiptir (Fernelius 1994). Koyu kırmızı renkte olan GaSe çok kırılgan, yumuşak ve kolayca bölünebilen tabakalar halinde kristalleşir (Gouskov vd.
1982).
InSe kristali, GaSe kristalinde olduğu gibi tabakalı yapıya sahiptir. Oda sıcaklığında 1.3 eV’luk yasak enerji bant aralığına sahiptir. Erime sıcaklığı 660°C’dir. Eksiton seviyelerine sahiptir. Direk bant aralığına sahiptir.
3.1 Dikey Bridgman (Bridgman Stochbarger) Yöntemi
Dikey Bridgman-Stockbarger yöntemi oldukça kolay olmasından dolayı, kristal büyütme için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu yöntemde iyi belirlenmiş bir sıcaklık eğrisine sahip, iki veya üç bölgeli düşey durumda sabit bir büyütme fırını kullanılır.
Büyütülecek malzeme kuartz ampul içerisine yerleştirilir. GaSe ve InSe bileşiklerinin çok iyi kristalleri sivri ve düz uçlu ampuller kullanılarak büyütülebilmektedir. Ampul içerisine yerleştirilen malzeme kristal büyütme fırınının sıcak bölgesinde eriyik halindedir. Kristalleşme sürecinin başlaması için fırın ile ampul arasında büyütme ampulünün alt ucunda sıcaklık azalmasıyla sonuçlanan göreli bir hareket başlar. Dipteki sıcaklık, erime sıcaklığının altına düştüğünde kristalleşme süreci başlar. Sonuç olarak tüm kristal oluşuncaya kadar daha fazla hareketle çok daha fazla malzeme katılaşır. Bu süreç devam ederken göz önünde bulundurulması gereken en önemli parametre fırın ve ampuldeki sıcaklık dağılımıdır (Gouskov vd. 1982, Boschert vd. 2000, Kokh vd. 2005).
Şekil 3.4’te Bridgman fırınının şematik gösterimi ve ısı dağılımı yer almaktadır.
16
Şekil 3.2 Bridgman fırınının şematik gösterimi (http://www.fkf.mpg.de/crystal/D6- Bridgman_growth.pdf)
3.2 In0.15Ga0.85Se Tek Kristalinin Büyütülmesi
Bu çalışmada kullanılan In0.15Ga0.85Se yarıiletken kristali, Orta Doğu Teknik Üniversitesi Fizik Bölümünde Prof. Dr. Nizami HASANLİ tarafından Bridgman Stochbarger yöntemi kullanılarak büyütülmüştür. Elde edilen tabakalı külçe kristalin fotoğrafı şekil 3.3’te görülmektedir.
Şekil 3.3 In0.15Ga0.85Se kristalinin görüntüsü (foto 2011)
17
3.3 Vakum Altında Isısal Buharlaştırma Yöntemi
İnce film büyütmek için en yaygın kullanılan yöntemlerden biri vakum ortamında buharlaştırma yapmaktır. Katı malzeme ısıtılarak buharlaştırılır ve ortamdaki havanın boşaltılması sebebiyle hiçbir engelle karşılaşmadan alttaş üzerine büyütülür. Alttaş üzerine gelen buhar halindeki tanecikler enerjilerinin çok büyük bölümünü alttaş ile paylaşarak soğururlar ve tekrar katı hale geçerler. Bu şekilde tanecikler birbirlerinin üzerine eklenerek istenilen büyüklüklerde ince film elde edilebilir.
Farklı kalınlıklardaki In0.15Ga0.85Se ince filmler Ankara Üniversitesi Fizik Mühendisliği Bölümünün Optik Malzemeler Araştırma Laboratuarında bulunan Şekil 3.4’te görülen ısısal buharlaştırma yöntemi ile büyütüldü. Sistem bilgisayar kontrollü olarak bilgisayardan basınç ve filmin büyütme hızını kontrol ederek, bütün filmlerin aynı koşullarda büyütülmesine olanak sağlar. Sistemde bulunan kalınlık algılayıcısı ve mönitörü sayesinde film büyütülürken aynı zamanda film kalınlığı belirlenebilmektedir.
Şekil 3.4 Vakum altında ısısal buharlaştırma ile ince film kaplama sistemi (foto 2011)
18
3.3.1 In0.15Ga0.85Se ince filmlerinin büyütülmesi
İnce filmlerin büyütülmesi için kristal formunda olan malzeme bir jilet yardımıyla parçalanarak, istenen kalınlıklara göre uygun ağırlıklarda tartıldı. Filmler fused silika alttaş üzerine 43, 48, 54, ve 64 nm olacak şekilde büyütüldü. Buharlaştırma işleminde molibden kaşık kullanıldı ve alttaş tutucu molibden kaşıktan uygun uzaklığa yerleştirildi. Alttaş tutucu ve malzemeler yerlerine yerleştirildikten sonra vakum odasının basıncı 5x10-5 Torr’a ayarlandı. Kaşık içinden elektrik akımı geçirilerek ısıtılmaya başlandı. Kasık ~44 Amper’de kızarmaya başladı ve büyüme hızı ~0.5A/s olacak şekilde kaşıktan geçirilen akım ayarlandı (53 Amper civarında). Fused silika alttaş üzerine büyütülen 43 nm ve 64 nm In0.15Ga0.85Se ince filmleri şekil 3.5’de verilmektedir.
Şekil 3.5 Fused silika alttaş üzerine büyütülmüş 43 nm ve 64 nm In0.15Ga0.85Se ince filmleri (foto 2011)
3.4 Yarıiletkenlerde Doğrusal Soğurma Katsayısı ve Yasak Enerji Bant aralıklarının belirlenmesi
Yarıiletkenlerde doğrusal soğurma katsayıları kristal ve amorf durumlar için iki şekilde belirlenebilir. Yarıiletken kristaller için (Urbach 1953, Pankove 1971);
RS T UVW
3.1
19
eşitliğinden bulunabilir. Burada A bir sabit, E uygulanan dalgaboyundaki fotonun enerjisi, Eg yasak enerji aralığı ve n= 2, 3, 1/2 ve 3/2 gibi değerler alabilir. Burada n=2 indirek bant geçişli, fakat yasak enerji aralığında safsızlıkların veya katkı seviyelerinin bulunması, n=3 indirek bant geçişli ve yasak enerji aralığında herhangi bir seviyenin bulunmaması, n=1/2 direk bant geçişli fakat yasak enerji aralığında safsızlık veya katkı seviyelerinin bulunması ve n=3/2 direk bant geçişli fakat yasak enerji aralığında herhangi bir seviyenin bulunmaması durumlarında kullanılır (Quasrawi 2005).
Amorf yapıdaki yarıiletkenler için hesaplamalar biraz farklıdır. Amorf yarıiletkenlerde soğurma katsayısı 10X'Y0C olması durumunda, eşitlik (3.1) kullanılırken, 1
10X'Y0C aralığında olması durumunda (Pankove 1971, Quasrawi 2005);
exp L
AM 3.2
eşitliği kullanılır. Burada α0 sabit, E gelen fotonun enerjisi, ve Ee üstel kenar bölgesinin eğimini karakterize eder ve filmde var olan kusur veya katkı seviyelerinin bant kuyruğunun genişliğine karşılık gelir.
Hem kristal hemde amorf yarıiletkenlerin yasak enerji aralıklarının belirlenmesi için ise denklem (3.1) kullanılır. Bu durumda hυ’ye karşılık (αhυ)n grafiği çizilerek soğurma kenarından geçen doğrunun x’i kestiği nokta bize bant aralığını verir.
3.4.1 In0.15Ga0.85Se yarıiletkeninin kristal ve amorf yapıdaki ince filmlerinin doğrusal soğurma özellikleri
Bu tez çalışmasında, çalışılan kristal ve ince filmlerin doğrusal soğurma özellikleri, şekil 3.6’da gösterilen doğrusal soğurma spektrometresi (Shimadzu UV-1800) ile belirlendi. Bu spektrometre yardımıyla 190-1100 nm dalga boyları aralığında soğurma spektrumu alınabilmektedir.
20
Şekil 3.6 Doğrusal soğurma spektrometresi (Shimadzu UV-1800 foto, 2011)
Yarıiltken kristallerin doğrusal soğurma spektrumları alınırken, ortamdaki gürültüyü yok etmek için, spektrumun alınacağı dalga boyu aralığı malzeme yokken tarandı. Daha sonra malzeme ışığa dik bir şekilde konumlandırılarak, tekrar aynı spektrum bölgesi tarandı.
Fused silika alttaş üzerine büyütülmüş olan amorf yapıdaki yarıiletken ince filmlerin spektrumları alınırken, önce referans spektrumu almak için kaplama yapılmamış iki tane fused silika alttaşı, hem referans hem de malzemenin konulacağı yere konularak spektrum bölgesi taratıldı. Daha sonra malzemenin doğrusal soğurma spektrumu ölçüldü. Böylece alttaştan soğurma spektrumuna gelebilecek etkiler önlenmiş oldu.
3.5 In0.15Ga0.85Se Yarıiletken Kristalinin ve Amorf Yapıdaki İnce Filmlerinin Kalınlıklarının Belirlenmesi
Doğrusal olmayan soğurma katsayısının belirlenmesi için gereken parametrelerden biri de malzemenin kalınlığıdır. Mikrometre mertebesindeki kristallerin kalınlıkları optik mikroskop veya SEM ile ölçülebilirken, nanometre mertebesindeki ince filmlerin kalınlıkları spektroskokopik elipsometre yardımıyla hassas bir şekilde belirlenebilmektedir.
21
Elipsometre, yansıyan ve geçen ışığın kutupluluğundaki değişimi ölçer. İdeal elipsometre yansımaya dayalı ölçüm yapan elipsometredir. Elipsometre, malzemenin kalınlık, kırılma indisi, sönüm katsayısı, yüzey düzgünsüzlüğü, kristallenme derecesi özelliklerinin belirlenmesinde kullanılır. Bu alet yardımıyla birkaç nanometrelik kalınlıkların çok hassas bir şekilde ölçmek mümkündür. Şekil 3.7’de spektroskopik elipsometrenin şematik olarak gösterimi verilmektedir.
Kısaca elipsometrenin çalışma prensibi şu şekilde açıklanabilir. Dairesel olarak kutuplanmış ışık malzeme üzerine düşürülür ve malzemeden yansıyan ışımanın kutupluluğundaki değişimden yararlanarak, malzemenin kalınlık ve optik sabitleri (kırılma indisi, dielektrik sabiti) belirlenir.
Malzeme üzerine gelen ışığın kutuplanma durumunu s ve p şeklinde ayırabiliriz ( s geliş düzlemine dik kutupluluk ve p ise geliş düzlemine paralel kutupluluk bileşenidir).
Yansıyan ışının s ve p bileşenlerinin genliklerinin gelen ışının s ve p bileşenlerinin genliklerine oranları sırasıyla rs ve rp ile gösterilir. Elipsometre kompleks fresnel yansıma katsayılarının (ρ) oranlarını ölçmeye dayanır. Kompleks yansıma oranı ψ ve ∆ gibi iki parametre ile tanımlanır.
] ^_/^G tanb expcd 3.3
Şekil 3.7 Spektroskopik elipsometrenin sematik gösterimi
Burada tan ψ yansıma üzerindeki genlik oranı ve
alınan veriler, film kalınlığının, optik sabitlerin (n, k), yüzey haritalaması gibi özelliklerin belirlenebilmesi için analiz edilir. Bu analizin içerdiği basamaklar şekil 3.8’de verilmiştir.
tanımlamak için bir “model” kullanılır
kullanılan modellere bir örnek olarak verilebilir.
tabakalar ayrı ayrı modellenir. Daha sonra kırılma indisinin dalga gösteren (denklem 3.4)
parametresi olarak seçilir ve arıtım işlemi yapılır. En uygun arıtım değerlerini veren sonuçlar o malzemenin kalınlığı ve optik sabitleri olarak alınır.
Şekil
In0.15Ga0.85Se kristalinin kalınlığı optik mikroskop
belirlendi. Amorf yapıda elde etmiş olduğumuz ince film 3.9’da gösterilen spektroskopik elipsometre yardımıyla belirlendi.
sonuçlarımızın daha ölçümler alındı.
22
ıma üzerindeki genlik oranı ve ∆ faz kaymas
alınan veriler, film kalınlığının, optik sabitlerin (n, k), yüzey haritalaması gibi özelliklerin belirlenebilmesi için analiz edilir. Bu analizin içerdiği basamaklar şekil 3.8’de verilmiştir. Ölçülen örneğin kırılma indisinin dalgaboyuna bağımlılığını tanımlamak için bir “model” kullanılır. Denklem (3.4) ile verilen Cauchy modeli kullanılan modellere bir örnek olarak verilebilir. Alttaş dahil olmak üzere
tabakalar ayrı ayrı modellenir. Daha sonra kırılma indisinin dalga
(denklem 3.4) Cauchy modelindeki sabitler ve film kalınlığı değişim parametresi olarak seçilir ve arıtım işlemi yapılır. En uygun arıtım değerlerini veren sonuçlar o malzemenin kalınlığı ve optik sabitleri olarak alınır.
Şekil 3.8 Elipsometrede analiz basamakları
kristalinin kalınlığı optik mikroskop (Bel Photonics
belirlendi. Amorf yapıda elde etmiş olduğumuz ince filmlerin kalınlıkları ise şekil gösterilen spektroskopik elipsometre yardımıyla belirlendi.
sonuçlarımızın daha hatasız olması için üç farklı açıda (65°, 70°, 75
kaymasıdır. Ölçümden sonra alınan veriler, film kalınlığının, optik sabitlerin (n, k), yüzey haritalaması gibi özelliklerin belirlenebilmesi için analiz edilir. Bu analizin içerdiği basamaklar şekil gaboyuna bağımlılığını Denklem (3.4) ile verilen Cauchy modeli Alttaş dahil olmak üzere düzlemsel tabakalar ayrı ayrı modellenir. Daha sonra kırılma indisinin dalga boyuna bağlılığını auchy modelindeki sabitler ve film kalınlığı değişim parametresi olarak seçilir ve arıtım işlemi yapılır. En uygun arıtım değerlerini veren
(Bel Photonics-MPL-1) yardımıyla lerin kalınlıkları ise şekil gösterilen spektroskopik elipsometre yardımıyla belirlendi. Bütün ince filmlerde , 75°) ışın gönderilerek
23
Şekil 3.9 Spektroskopik elipsometre (Woollam,-M2000V foto, 2011)
3.6 Z-Tarama Tekniği
Z-Tarama tekniği malzemenin doğrusal olmayan soğurma ve doğrusal olmayan kırılma özelliklerindeki değişimi belirlemek için yaygın olarak kullanılan tekniklerden biridir.
Deney düzeneğinin karmaşık olmaması ve ölçüm verilerinin yorumlanmasının nisbeten kolay olması nedeniyle çok kullanışlıdır. Bu teknik ilk olarak Bahae ve çalışma arkadaşları tarafından keşfedilmiştir (Bahae vd. 1990). Bu teknikte tek ışın demeti kullanılması da deneyin yapılmasını kolaylaştırır. Diğer deney düzeneklerinden üstün kılan bir diğer özelliği de doğrusal olmayan kırılma ve soğurma değerlerinin büyüklüğüne ve işaretlerine duyarlı olması ve aynı anda ölçülebilmesidir. Bu teknik açık-yarık ve kapalı-yarık Z-Tarama olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır. Açık yarık Z-Tarama deneyinde malzemenin doğrusal olmayan soğurma özellikleri incelenirken, kapalı yarık Z-Tarama deneyinde ise doğrusal olmayan kırılma indisi özellikleri incelenmektedir. Doğrusal olmayan kırılma indisi, bu tez çalışmasının dışında olduğundan dolayı, kapalı yarık Z-Tarama deneyi üzerinde durulmayacaktır.
24 3.6.1 Açık yarık Z-Tarama tekniği
Bu deney sisteminde malzemeden çıkan ışının tamamı bir mercek vasıtasıyla toplanarak dedektöre ulaştırılır. Açık yarık Z-Tarama deney düzeneği şekil 3.10’da gösterilmektedir. TEM00 moduna ve Gaussian profiline sahip bir ışın demeti ince kenarlı bir mercek yardımıyla odaklanarak malzeme üzerine düşürülür. Bu deney için kullanılacak malzemenin kalınlığı (L), Rayleigh aralığı zR’ye göre çok küçük olmalıdır (L<<zR). Malzeme odak etrafında hareket ettirilerek, farklı şiddetlere maruz bırakılır.
Malzemenin odağa gelip oradan uzaklaşması durumunda, dedektöre düşürülen enerji oranında iki farkı durum oluşabilir. Bu durumlardan birincisi; malzeme odak noktasından uzak olduğunda, üzerine düşen şiddet düşük olmasından dolayı sadece doğrusal soğurmalar meydana gelir. Diğer taraftan malzeme odak noktasına yaklaştıkça, şiddet artacağından dolayı doğrusal soğurmaların yanında doğrusal olmayan soğurmalar meydana gelir. Odaktan tekrar uzaklaşıldıkça şiddet düşeceği için doğrusal olmayan soğurmalar azalacak ve dedektörde ölçülen değer artmaya başlayacaktır. Yani şiddetin maksimum olduğu yerde (odak) soğurma maksimum olacaktır. Dedektör tarafından ölçülen enerji değerleri 1’e normalize edilerek şiddete bağlı olmayan doğrusal soğurmanın etkisi yok edilmiş olur. Şekil 3.10’da normalize geçirgenliğin z ile değişimi görülmektedir. Burada z örneğin odak noktası (z=0)’na göre konumudur. Şekil 3.10’daki tepki doğrusal olmayan soğurma tepkisi olarak bilinir ve bu tepkiye tek foton soğurması, iki foton soğurması, serbest taşıyıcı soğurması, ardışık foton soğurması gibi etkiler katkıda bulunur. Bir başka durumda ise doğrusal bölge geçildikten sonra doğrusal olmayan tepkinin olduğu bölgeye yani odağa doğru yaklaşılırken dedektöre gelen enerjide artış olur ve odaktan uzaklaşıldığında dedektörde azalma meydana gelir.
Burada dedektöre gelen veriler 1’e normalize edildiğinde şekil 3.11’deki gibi bir eğri elde edilir. Bu tepkiye de doyurulabilir soğurma denir.
25
Şekil 3.10 Açık yarık Z-Tarama deney düzeneği ve doğrusal olmayan soğurma eğrisi
Şekil 3.11 Doyurulabilir soğurma eğrisi
26
3.6.2 In0.15Ga0.85Se yarıiletken kristalinin ve amorf yapıdaki ince filmlerinin doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurmalarının belirlenmesi
In0.15Ga0.85Se yarıiletken malzemesinin kristal ve amorf yapıdaki ince filmlerinin doğrusal olmayan soğurma ve doyurulabilir soğurma özellikleri literatürde tanımlanan açık yarık Z-Tarama tekniği ile belirlenmiştir (Bahae vd. 1990). Açık yarık Z-Tarama deney düzeneği şekil 3.12’de gösterilmektedir. Burada açık yarık Z-Tarama deneyleri iki farklı lazer kaynağı ile yapılmıştır. Bu ışık kaynaklarından birincisi 4 ns atma süreli, 1064 nm dalga boylu (1.16 eV) ve 10 Hz tekrarlama frekanslı Nd:YAG lazeridir (Quantel Brillant). İkinci ışık kaynağı da 65 ps atma süreli 1064 nm dalga boylu ve 10 Hz tekrarlama frekanslı diğer bir Nd:YAG lazeridir (Continuum Leopard SV).
Şekil 3.12 Açık yarık Z-Tarama deney düzeneği (foto, 2011)
In0.15Ga0.85Se kristalinin doğrusal olmayan soğurma özelliği hem nanosaniye hem de pikosaniye atma süreli lazer kaynaklarıyla yapılmıştır. Açık yarık Z-Tarama deneylerinde malzeme üzerine ışığı odaklamak için 20 cm’lik mercek kullanılmıştır.
Nanosaniye atma süreli lazer ile yapılan açık yarık Z-Tarama deneyleri I0=0.0030
27
GW/cm2, I0=0.0055 GW/cm2, ve I0=0.0075 GW/cm2 odak şiddetlerinde 3 farklı şiddette yapılmıştır. Pikosaniye atma süreli lazer ile yapılan açık yarık Z-Tarama deneyleri de I0=0.392 GW/cm2, I0=0.548 GW/cm2, ve I0=0.940 GW/cm2 odak şiddetlerinde yapılmıştır.
In0.15Ga0.85Se amorf ince filmlerinin kalınlığa bağlı doğrusal olmayan soğurma ve doyurulabilir soğurma davranışlarını belirlemek için pikosaniye lazer kaynağı kullanılmıştır. Burada da lazer ışını 20 cm ince kenarlı mercek kullanılarak malzeme üzerine odaklanmıştır. Pikosaniye açık yarık Z-Tarama deneyi farklı kalınlıktaki filmler için I0=1.35 GW/cm2 şiddetinde yapılmıştır. Ayrıca 64 nm kalınlığındaki ince film için pikosaniye lazer kullanılarak I0=1.35 GW/cm2, I0=1.71 GW/cm2, ve I0=2.08 GW/cm2 şiddetlerinde açık yarık Z-Tarama deneyleri yapılarak ince filmlerin şiddete bağlı doğrusal olmayan soğurmaları incelenmiştir.
3.7 Ultra-Hızlı Pompa-Gözlem Spektroskopisi
Ultra-hızlı pompa-gözlem spektroskopi tekniği kısa süreli soğurma spektroskopisinde kullanılır. Bu teknik ile elektronların uyarılabilecekleri izinli enerji seviyeleri ve elektronların birinci uyarılmış durumdaki ömürleri belirlenebilmektedir. Şekil 3.13’de ultra hızlı pompa-gözlem spektroskopi deney düzeneği görülmektedir.
Ultra hızlı pompa-gözlem spektroskopi tekniği ile incelenen örneklerin elektronları şiddetli ve çok hızlı bir pompa atmasıyla taban seviyesinden birinci uyarılmış seviyeye uyarılırlar. Şiddetçe zayıf olan geciktirilmiş diğer ışın (genellikle beyaz ışık kullanılır ve gözlem olarak adlandırılır) ile pompa ışını başlangıçta aynı anda gönderilir. Bu olay zamanda sıfır noktası olarak bilinir. Bu zamanda sıfır noktasında birinci uyarılmış durumdaki elektronların büyük bir kısmının daha üst seviyelere çıkması sağlanır. Daha sonra beyaz ışın yavaş yavaş geciktirilir. Bu durumda beyaz ışık ile karşılaşmadan taban seviyesine inen elektronların sayısında artış olacağından, daha üst uyarılmış seviyelere uyarılabilen elektronların sayısında üstel olarak azalma olur. Beyaz ışık atmalarının geciktirilmesi işlemi uyarılmış seviyesinden daha üst seviyelere elektronlar uyarılamayana kadar, yani tüm elektronlar taban durumuna düşene kadar devam ettirilir.
Beyaz ışın spektrumunun bir dalga boyunda oluşan soğurmanın zamanla azalışı, üstel
28
düşüş ifadesi ile arıtılarak bu dalgaboyuna karşı gelen seviyenin ömrü belirlenir. Beyaz ışın spektrumundan soğurulan dalgaboyları vasıtası ile elektronların uyarılabilecekleri izinli seviyeler de belirlenebilir.
OPA’nın çıkışı 250-2800 nm dalgaboyu aralığında ayarlanabilir bir pompa ışını elde etmek için kullanılır. Spitfire’den çıkan 800 nm dalgaboylu ışık safir plaka üzerine gönderilerek beyaz ışık elde edilir. Pompa ve beyaz ışık atmalarının malzeme üzerinde aynı noktadan geçmesi gerekir. Malzemenin içinden geçen pompa ışını bloklanır ve geçen beyaz ışın optik spektrometre ile algılanır. Pompa ile beyaz ışık atmaları arasındaki gecikme beyaz ışığın yolunun bir adım motoruna monte edilmiş geri yansıtıcı bir ayna ile değiştirilmesi ile sağlanmaktadır.
Şekil 3.13 Ultra-hızlı pompa-gözlem spektroskopisi deney düzeneğinin şematik gösterimi
TFP : İnce film kutuplayıcı, A : Ayna, Y : Yarık, TYA : ters yansıtıcı ayna, S : Adım motoru, ND : ND filtre, SP : Safir plaka, N : Malzeme, M : Mercek, F : Filtre, FOK : Fiber optik kablo, FOS : Fiber optik spektrometre, OPA : Optik parametrik yükselteç, K : Kesici, P : Kutuplayıcı ve B : Bloklayıcıyı göstermektedir
29
3.7.1 In0.15Ga0.85Se amorf ince filmlerinin serbest taşıyıcı ömürlerinin belirlenmesi
In0.15Ga0.85Se amorf ince filmlerinin serbest taşıyıcı ömürleri ultra hızlı pompa-gözlem spekroskopisi ile belirlendi. Deneyde kullanılan ultra hızlı pompa-gözlem spektroskopisi şekil 3.14’te görülmektedir (Spectra Physics, Helios).
Bu deneyde pompa ışını olarak, Ti:Safir lazer yükselteci-optik parametrik yükselteç sisteminden elde edilen, 800 nm dalga boylu, 1 kHz frekanslı ve 100 fs atma süreli lazer ışığı kullanıldı. Gözlem ışını olarak da, safir plakadan üretilen beyaz ışık kullanıldı (440-780 nm dalga boyu aralığına sahip). Gözlem ışınının geciktirilmesi motorize hareket düzeneği yardımıyla gerçekleştirildi.
Şekil 3.14 Ultra-hızlı pompa-gözlem spektroskopi deney düzeneği (Spectra Physics, Helios foto, 2011)
30
3.8 In0.15Ga0.85Se Amorf Yarıiletken İnce Filmlerinin Yüzey Haritalamasının Belirlenmesi
Üretilen ince filmlerdeki parçacık büyüklüklerin atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak belirlendi. Bunun için şekil 3.15’te görülen PSIA XE-100E model, 2 nm hassasiyetli, kontak olmayan modta (non-contact mode), ~0.2 Nm-1 kuvvet sabiti olan ve rezonans frekansı ~13 kHz olan atomik kuvvet mikroskobu kullanıldı.
Şekil 3.15 Atomik kuvvet mikroskobu
Buradan elde edilen veriler XEI 1.6 görüntü işleme programı kullanılarak analiz edildi ve ince filmlerin yüzey haritası oluşturuldu.
31 4. BULGULAR
Bu tez kapsamında Bridgeman Stochbarger yöntemi ile elde edilmiş olan In0.15Ga0.85Se kristalinin ve ince filmlerinin doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurma özellikleri incelendi. Doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurma özelliklerindeki doğrusal olmayan soğurma katsayısı (β) ve doyurulabilir eşik şiddeti (ISAT) parametreleri arıtım sonuçlarında elde edildi. Bu arıtımların yapımında kullanılan kalınlık değerleri, doğrusal soğurma katsayıları, yasak enerji bant aralıkları belirlendi. İnce filmlerin yapılarının belirlenmesi için XRD ölçümleri alındı. Bunun yanında doğrusal olmayan etkilere neden olan mekanizmaların araştırılması için, ultra-hızlı pompa-gözlem spektroskopi deneyleri yapıldı.
Bu bölümde In0.15Ga0.85Se yarıiletken kristalinin ve amorf yapıdaki ince filmlerinin doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurma verileri ve bu verilerin arıtımlarında ve yorumlanabilmesinde kullanılan kalınlık ölçümleri, doğrusal soğurma spektrumları, yasak enerji aralıkları gibi ölçüm sonuçları verilecektir.
4.1 In0.15Ga0.85Se Kristalin Ölçüm Sonuçları
4.1.1 In0.15Ga0.85Se kristalinin kalınlığının belirlenmesi
In0.15Ga0.85Se külçe kristalinin kalınlığı CCD kameraya bağlı optik mikroskop yardımıyla 70 mikro metre olarak belirlendi (Bel Photonics-MPL-1).
4.1.2 In0.15Ga0.85Se kristalinin doğrusal soğurma spektrumu
In0.15Ga0.85Se kristalinin doğrusal soğurma spektrumu Shimadzu UV-1800 spektrometresi yardımıyla alınmıştır ve şekil 4.1’de görülmektedir.
32
Şekil 4.1 In0.15Ga0.85Se külçe kristalinin doğrusal soğurma spektrumu
4.1.3 In0.15Ga0.85Se kristalinin yasak enerji aralığı
Yarıiletkenlerin yasak enerji aralıkları doğrusal soğurma spektrumlarından hesaplandı.
Denklem 3.1’i kullanarak burada n=1/2 (direk bant geçişler için) alınarak arıtıldı. Elde edilen sonuçlar ve tartışma kısmında verilecektir. Yasak enerji bant aralığını belirlemek için yapılan arıtım grafiği şekil 4.2’de verilmektedir.
Şekil 4.2 In0.15Ga0.85Se kristalinin yasak enerji bant aralığı
