ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS MERYEM DERYA ÖZDEMİR Atmalı Plazma Katodik Ark Yöntemi ile Elde Edilen ZnO İnce Filmlerin Optik ve Yapısal Özellikleri FİZİK ANABİLİM DALI ADANA, 2006

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ATMALI PLAZMA KATODİK ARK YÖNTEMİ İLE ELDE EDİLEN ZnO İNCE FİLMLERİN OPTİK VE YAPISAL ÖZELLİKLERİ MERYEM DERYA ÖZDEMİR YÜKSEK LİSANS FİZİK ANABİLİM DALI Bu Tez /./.. Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği /Oyçokluğu ile Kabul Edilmiştir. İmza İmza İmza Prof. Dr. Hamide KAVAK DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No: Prof.Dr.Aziz ERTUNÇ Enstitü Müdürü İmza ve Mühür Bu çalışma Ç.Ü. Rektörlüğü Bilimsel Araştırma Proje Birimi tarafından desteklenmiştir. Proje No: FBE YL. 11 Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

3 İÇİNDEKİLER SAYFA İÇİNDEKİLER I ÖZ..IV ABSTRACT V TEŞEKÜR.VI ÇİZELGELER DİZİNİ..VII ŞEKİLLER DİZİNİ..VIII SİMGELER VE KISALTMALAR.XI 1. GİRİŞ 1 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 3 3. MATERYAL VE METOD Kristal Yapılar Bazı Tanımlar Kristal ( tek-kristal, toz kristal, polikristal, kırınım ve yansıma) Davranış (Habit) Biçim (Form) Simetri Kristal Örgüsü Kristal Yapı Kusurları Noktasal Kusurlar Çizgisel Kusurlar. Dislokasyonlar Yüzeysel Kusurlar Basit Kristal Yapılar Heksagonal Sıkı Paket Yapı Miller İndisleri X-Işınları Bragg Yasası Düzlemler Arası Uzaklık X-Işını Kırınım Yöntemleri Döner Kristal Yöntemi..45 I

4 3.8. Optik Özellikler Temel Soğurma İzinli Doğrudan Geçişler Yasaklı Doğrudan Geçişler Dolaylı Bantlar Arasında Dolaylı Geçişler Direk Bantlar Arasındaki Dolaylı Geçişler Bant Kuyrukları Arasındaki Geçişler İnce Film Depolama Yöntemleri Fiziksel İşlemler Fiziksel ve Kimyasal İşlemler Palslı Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama Ark Spotu ve Plazma Katodik Ark Kaynakları Filmlerin Yapısal Özelliklerinin Blirlenmesi Örgü Parametresinin Ölçümü ve Tanecik Büyüklüğü Hesabı Filmlerin Esneklik Özelliklerinin Belirlenmesi Filmlerin Optik Özelliklerinin Belirlenmesi Soğurma Katsayısının Hesaplanması Yasak Enerji Aralığının Bulunması Film Kalınlığının Belirlenmesi Çinko Oksitin (ZnO) Kristal Yapısı Depolama Parametrelerinin ZnO in Materyal Özellikleri Üzerine Etkisi Depolama Parametrelerinin ZnO in Yapısal Özellikleri Üzerine Etkisi Depolama Parametrelerinin ZnO in Optik Özellikleri Üzerine Etkisi Depolama Parametrelerinin ZnO in Elektriksel Özellikleri Üzerine Etkisi ARAŞTIRMA ve BULGULAR Palslı Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama Yöntemi İle Elde Edilen ZnO İnce Filmlerin X-Işını Çalışmaları 86 II

5 4.2. Palslı Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama Yöntemi İle Elde Edilen ZnO İnce Filmlerin Optik Özelliklerinin Belirlenmesi SONUÇLAR ve ÖNERİLER.99 KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ 106 III

6 ÖZ YÜKSEK LİSANS ATMALI PLAZMA KATODİK ARK YÖNTEMİ İLE ELDE EDİLEN ZnO İNCE FİLMLERİN OPTİK VE YAPISAL ÖZELLİKLERİ MERYEM DERYA ÖZDEMİR ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI Danışman: Prof. Dr. Hamide KAVAK Yıl: 2006, Sayfa: 106 Jüri: Prof. Dr. Hamide KAVAK Prof. Dr. Ramazan ESEN Prof. Dr. Birgül YAZICI Bu çalışmada Palslı Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama yöntemi ile ZnO ince filmler oda sıcaklığında cam ve silisyum olmak üzere iki ayrı alttaban üzerine aynı kalınlık farklı basınçlarda ve aynı basınç farklı kalınlıklarda üretildi. Elde edilen filmlerin optik ve yapısal özelliklerinin kalınlık ve basınç değişiminden nasıl etkilendiği araştırıldı. Anahtar Kelimeler: PFCVAD Yöntemi, İnce Film, ZnO IV

7 ABSTRACT MSc OPTICAL AND STRUCTURAL PROPERTIES OF ZnO THIN FILMS WHICH ARE GROWN BY CATHODIC ARC DEPOSITION MERYEM DERYA ÖZDEMİR DEPARTMENT OF PHYSICS INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF ÇUKUROVA Supervisor: Prof. Dr. Hamide KAVAK Year: 2006, Pages: 106 Jury: Prof. Dr. Hamide KAVAK Prof. Dr. Ramazan ESEN Prof. Dr. Birgül YAZICI In this work, ZnO thin films were produced on glass and silicon substrates by Pulsed Filtered Cathodic Vacuum Arc Deposition Method at room temperature for the same thickness at different pressure and for different thickness at the same pressure. Furthermore, the influence of thickness and pressure on the optical and structural properties were investigated for the produced ZnO thin films. Key Words: PFCVAD Method, Thin Film, ZnO V

8 TEŞEKKÜR Çalışmalarım sırasında bana yol gösteren Danışmanım Prof. Dr. Hamide KAVAK a, bu konuyu bana öneren ve çalışmalarım boyunca desteğini hep hissettiğim hocam Prof. Dr. Ramazan ESEN e, deneylerim sırasında yardımlarından dolayı Arş. Gör. Ebru ŞENADIM ve arkadaşım L. Nükhet ÖZBAYRAKTAR a, Ç.Ü. Fizik Bölümünün tüm Öğretim Üyelerine, Araştırma Görevlilerine ve Çalışanlarına teşekkür ederim. Ayrıca, tezimi hazırlarken karşılaştığım zorluklarda maddi manevi desteğini benden esirgemeyen arkadaşım Zeynep ARKADAŞ a ve ailesine teşekkürü bir borç bilirim. Ve tabii çalışmalarımı sürdürmemde gösterdikleri anlayış, sabır ve tüm desteklerinden dolayı aileme sonsuz teşekkür ederim. VI

9 ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 3.1. Kristal sistemleri 21 Çizelge 3.2. Uzay örgüleri.23 Çizelge 3.3. Çeşitli metal hedefler, oluşturulan dalga boyları ve filtreler.40 Çizelge 3.4. ZnO tek kristalinin fiziksel özelikleri 81 Çizelge 4.1. Cam alttabanlar üzerine depolanan aynı basınç (6x10-4 Torr) farklı kalınlıktaki ZnO ince filmlerin X-ışını kırınım desenlerinin değerlendirmesi..87 Çizelge 4.2. Si alttabanlar üzerine depolanan aynı basınç (6x10-4 Torr) farklı kalınlıktaki ZnO ince filmlerin X-ışını kırınım desenlerinin değerlendirimesi.88 Çizelge 4.3. Cam alttabanlar üzerine depolanan aynı kalınlık (~236 nm) farklı basınçtaki ZnO filmlerin X-ışını kırınım desenlerinin değerlendirmesi90 Çizelge 4.4. Si alttabanlar üzerine depolanan aynı kalınlık farklı basınçtaki ZnO filmlerin X-ışını kırınım desenlerinin değerlendirmesi.91 Çizelge 4.5. Aynı basınç (6x10 Torr) farklı kalınlıktaki ZnO filmlerin geçirgenlik ve soğurma spektrometrelerinden elde edilen sonuçların değerlendirmesi..95 Çizelge 4.6. Aynı kalınlık (~236 nm) farklı basınçtaki ZnO filmlerin geçirgenlik ve soğurma spektrometrelerinden elde edilen sonuçların değerlendirmesi..97 VII

10 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA NO Şekil 3.1 Şekil 3.2 Şekil 3.3 Şekil 3.4 Şekil 3.5 Şekil 3.6 Şekil 3.7 Şekil 3.8 Şekil 3.9 Şekil 3.10 Şekil 3.11 Şekil 3.12 Şekil 3.13 Şekil 3.14 Şekil 3.15 On dört uzay örgüsüne ait birim hücreler...23 (a) Frenkel ve (b) Schottky kusurlarının oluşması..24 (a) Yerdeğişme ve (b) arayer katkı atomları...25 (Sb + - B ) kompleksinin silisyum örgüsünde gösterimi 26 Kenar dislokasyonunun gösterimi: (a) MO yarıdüzleminin düzlemler arasında; (b) atomların dislokasyonunun etrafında yerleşmeleri 27 Silisyum yüzeyindeki atomların yerleşmesi: (a) kopmuş bağlar, (b) çift birleşen atomlar 28 Tane sınırları (φ tanelerin düzensizlik açısıdır)..29 Yüzey merkezli kübik kristalde paketlendirme kusurları: (a) iç (çıkarma) paketlendirme kusuru, (b) dış (sunma) paketlendirme kusuru.30 Sıkı paketlenmiş küreler. A noktaları birinci tabakadaki küre merkezlerini gösterir. Bu tabakanın üzerine buna özdeş küreler B işaretli noktalara yerleşir. Üçüncü tabaka için iki seçenek vardır: Ya A noktası üzerine yada C noktası üzerine konulabilir. Eğer ilk tabakadaki A noktaları üzerine gelirse ABABAB dizilişi ve sıkı paketli altıgen yapı oluşur. Eğer C noktalarına konursa ABCABCABC dizilişi olur ve yüzey merkezli kübik yapı elde edilir 31 Heksagonal birim hücre..33 Kübik bir kristalde bazı önemli düzlemlerin indisleri. (200) düzlemi (100) ve (100) düzlemlerine paraleldir...34 Hızlandırma gerilimine bağlı olarak elde edilen sürekli x-ışını spektrumu...35 (a) Elektronun yavaşlaması ile x-ışınının elde edilmesi (b) değişik yayınım çizgileri için atomik geçişler Karakteristik x-ışınları 37 X-ışınları kaynağı 38 VIII

11 Şekil 3.16 Şekil 3.17 Şekil 3.18 Şekil 3.19 Şekil 3.20 Şekil 3.21 Şekil 3.22 Şekil 3.23 Şekil 3.24 Şekil 3.25 Şekil 3.26 Şekil 3.27 Şekil 3.28 Şekil 3.29 Şekil 3.30 Şekil 3.31 Şekil 3.32 Şekil 3.33 Şekil 3.34 Şekil 3.35 Şekil 3.36 Şekil 3.37 Şekil 3.38 Şekil 3.39 Şekil 3.40 Şekil 3.41 Şekil 3.42 Şekil 3.43 X-ışınları tüpü.39 Monokromatik x-ışını elde etmek için beta filtresinin kullanılması...39 Bir kristalin atomik düzlemlerinden x-ışınlarının yansıması..41 S arka ve ön yüzün alanıdır. d 100, S ye diktir.42 Döner kristal yöntemi için deneysel düzenek.46 Döner kristal metodunda film üzerinde çizgilerin oluşumu...46 Parabolik bir bant yapısında doğrudan geçiş..48 Dolaylı geçişler...50 Soğurmanın sıcaklık bağımlılığı.53 İki fonon yardımlı geçişler..53 Optik soğurmanın iletim bandı durumlarının doldurulmasıyla değişimi...54 Aşırı katkılamanın bant kenarına etkisi..55 Taşıyıcı yoğunluğunun soğurmaya etkisi...55 İletim bandına doğrudan geçişler 56 GaAs' ın oda sıcaklığındaki soğurma kenarı...57 İletim bant kuyruğunun optik soğurma ile gözlenmesi...57 Turbomoleküler pompa sistemi..63 Reaksiyon odacığı...63 Palslı plazma ark kaynağı...64 PFCVAD sisteminin şematik gösterimi..65 PFCVAD sisteminin temel bileşenleri 66 Ark spotunun şematik gösterimi.67 (a) Katodik ark kaynağının temel bileşenleri (b) Katodik ark kaynağında aşınma..68 Difraktometrenin diyagramı 69 Polikristal ZnO in x-ışını kırınım deseni...69 İnce bir tabakadaki soğurma...75 İnce bir filmde çok yansımalı ışık geçirimi 76 Amorf bir yarıiletkenin soğurma katsayısının enerji ile değişimi..78 IX

12 Şekil 3.44 Şekil 3.45 Şekil 3.46 Şekil 4.1 Şekil 4.2. Şekil 4.3. Şekil 4.4. Şekil 4.5. Şekil 4.6. Şekil 4.7. Şekil 4.8. Şekil 4.9. Şekil ZnO in (wurtzite) heksagonal örgüsü: küçük daireler Zn atomlarını gösterirken büyük daireler O atomlarını gösterir 81 a) Katkısız b) Al katkılı ZnO filmlerin geçirgenlik (T) ve yansıma (R) spektrumları 83 ZnO ince filmlerin iletkenliği ve geçirgenliği üzerine oksijen yoğunluğunun ve alt taban sıcaklığının etkisi: koyu daireler - opak ve iletken, açık daireler - geçirgen ve iletken olmayan, yarım daireler - geçirgen ve iletken..85 Cam alttabanlar üzerine depolanan aynı basınç (6x10-4 Torr) farklı kalınlıktaki ZnO ince filmlerin X-ışını kırınım desenleri...87 Si alttabanlar üzerine depolanan aynı basınç (6x10-4 Torr) farklı kalınlıktaki ZnO ince filmlerin X-ışını kırınım desenleri...89 Cam alttabanlar üzerine depolanan aynı kalınlık (~236 nm) farklı basınçtaki ZnO filmlerin X-ışını kırınım desenleri.90 Si alttabanlar üzerine depolanan aynı kalınlık (~236 nm) farklı basınçtaki ZnO filmlerin X-ışını kırınım desenleri.92 Aynı basınç (6x10-4 Torr) farklı kalınlıklarda elde edilen ZnO ince filmlerin optik geçirgenlik değerlerinin dalga boyuna karşı grafiği...94 Aynı basınç (6x10-4 Torr) farklı kalınlıklarda elde edilen ZnO ince filmlerin soğurma katsayısının enerjiye karşı grafiği.94 Aynı basınç (6x10-4 Torr) farklı kalınlıklarda elde edilen ZnO ince filmler için (αe) 2 nin E ye göre değişimi 95 Aynı kalınlık (~236nm) farklı basınçlarda elde edilen ZnO ince filmlerin optik geçirgenlik değerlerinin dalga boyuna karşı grafiği...97 Aynı kalınlık (~236 nm) farklı basınçlarda elde edilen ZnO ince filmlerin soğurma katsayılarının enerjiye karşı değişimi 98 Aynı kalınlık (~236nm) farklı basınçlarda elde edilen ZnO ince filmler için (αe) 2 nin E ye göre değişimi 98 X

13 SİMGELER ve KISALTMALAR AES AFM TEM SEM XPS XRD RHEED PL DLE NBE NIR PVD CAD FVAD FCVA PFCVAD MBE MOCVD LED SAW FBAR FWHM RF DC : Auger Electron Spectroscopy : Atomic Force Microscopy : Transmission Electron Microscopy : Scanning Electron Microscopy : X-ray Photoelelectron Spectroscopy : X-Ray Diffraction : Reflection High Energy Electron Diffraction : Photoluminescence : Deep Level Emission : Near Band Edge : Near Infrared Region : Physical Vapor Deposition : Cathodic Arc Deposition : Filtered Vacuum Arc Deposition : Filtered Cathodic Vacuum Arc : Pulsed Filtered Cathodic Vacuum Arc Deposition : Molecular Beam Epitaxy : Metal Organic Chemical Vapor Deposition : Light Emitting Diode : Surface Acoustic Wave : Film Bulk Acoustic Wave Resonator : Full Width Half Maximum : Radio Frequency : Direct Current XI

14 1. GİRİŞ Meryem Derya ÖZDEMİR 1. GİRİŞ Katıhal fiziğinin en fazla araştırma yapılan dalları arasında ince film teknolojisi ve bu teknolojiyle üretilen filmlerin özelliklerinin incelenmesi günümüzde büyük önem taşımaktadır. Yarıiletkenlerin kullanımıyla büyük önem kazanan bu kristal büyütme teknikleri çok fazla çalışma alanına sahip olup, çeşitliliği nedeniyle de birçok elektronik düzeneğin temelini oluşturmaktadır. Yarıiletkenlerin asıl faydası çok küçük hacimler içerisinde birçok işlev görebilen, hızlı elektronik devre elemanlarının yapımını kolaylaştırması ve bu sayede çağımız teknolojisini giderek geliştirmesidir. Günümüz teknolojisinde yarıiletken aygıt üretiminde II-VI bileşik materyalleri yaygın olarak kullanılmaktadır. II-VI grubu elementlerinin birleşimiyle oluşan yarıiletken materyallerin temel özellikleri; iletim ve değerlik bantları arasındaki oldukça geniş enerji bant aralığı sağlayan yüksek iyoniklikleri ve geniş bant aralıklarının direk bant aralığı olması, soğurma ve fotolüminesans için yüksek optik geçirgenlik özelliğine sahip olmalarıdır. Bütün bu özelliklerinden dolayı güneş pili, LED, fotorezistör, fotoalgılayıcı, fotodedektör, transistör gibi pek çok katıhal aygıtının yapımında kullanılmaktadırlar. Bunların uygun bant aralıkları ve üretim kolaylıkları en önemli tercih sebepleridir. Özellikle II-VI grubu bileşikleri mavi ve morötesi bölgede optoelektronik aygıtların kullanımı için uygun ve umut vaat edicidir. Bu II-VI grubu bileşikleri arasında yer alan ZnO ince filmlerin önemi özellikle bir geçirgen iletken oksit olarak oldukça fazladır. ZnO gaz sensörleri, yüzey akustik dalga aygıtları içeren çeşitli alanlarda kullanılan çok fonksiyonel bir yarıiletken materyaldir. Oda sıcaklığında 3.3 ev yasak enerji bant aralığına sahip ZnO, güneş pili ve düz gösterge panelleri için ideal bir geçirgen iletken pencere materyalidir. 1 nm den birkaç μm ye kadar uzanan kalınlık bölgesindeki ince filmlerin üretim teknolojileri oldukça geniş uygulama alanına sahiptir. İnce filmler çoğunlukla depolama yoluyla elde edilirler ve ileri teknoloji uygulamaları sayılamayacak kadar çoktur. Günümüzde kullanılan pek çok ince film depolama tekniği vardır. Bunlar istenilen özellik ve kalitede ince film üretimi yapılabilmesi için çeşitli sınıflara 1

15 1. GİRİŞ Meryem Derya ÖZDEMİR ayrılmışlardır. İnce film depolama teknikleri genel olarak; buharlaştırma gibi sadece fiziksel, gaz ve sıvı faz kimyasal işlemler gibi sadece kimyasal olabildiği gibi elektriksel deşarj ve reaktif söktürme gibi hem fiziksel hem de kimyasal işlemlerin birleşiminden oluşabilir. Sayılan bu yöntemlerin her biri farklı özelliklere sahip olup, birinin getirdiği sınırlamalar diğerinde bulunmaz. Bu nedenle aygıt üretiminde istenilen özellikte film üretebilmek için uygun depolama tekniği göz önünde bulundurulmalıdır. Depolama tekniklerine bakıldığında, üretilen filmlerin kararlılığı ve tekrarlanabilirliği, homojen bir tabaka elde edilmesi oldukça önemlidir. Bu depolama teknikleri arasında yüksek iyonizasyon oranı ve yüksek iyon sürüklenme enerjisi ile tanımlanan katodik vakum ark depolama sistemi ile ZnO gibi bileşik yarıiletken filmlerin depolanabilir. Katodik vakum ark depolama sisteminde plazma manyetik alan tarafından alt tabana yönlendirilir. Bu çalışmada; günlük yaşantımızda yer alan optoelektronik aygıtların üretiminde önemli bir yeri olan II-VI bileşiklerinden ZnO bileşiği oda sıcaklığında palslı fltreli katodik vakum ark depolama (PFCVAD) yöntemiyle üretildi. Bu yöntemle üretilen ZnO ince filmler için uygun büyüme şartları belirlendi. Değişik depolama koşullarında cam ve silisyum alt tabanlar üzerine filmler büyütüldükten sonra bunların geçirgenlik ve soğurma özellikleri nm dalga boyu aralığına sahip Perkin-Elmer UV/VIS Lamda 2S spektrometresi ile incelendi. Soğurma ve geçirgenlik verilerinden yasak enerji aralıkları ile film kalınlıkları bulundu. Daha sonra bu örnekler dalga boyu 1.54 Å olan X-ışını spektrometresi ile incelendi. Elde edilen kırınım desenlerinden filmlerin kristalografik yapıları incelenerek ZnO ince filmlerin tanecik büyüklükleri ve örgü parametreleri belirlendi. 2

16 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Meryem Derya ÖZDEMİR 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Bu çalışmada, Ar-O 2 gazları karışımının kontrollü kullanımıyla, geleneksel diyot ve magnetron olmak üzere iki ayrı sistemle ZnO ince filmler DC reaktif söktürme yöntemiyle elde edilmiştir. Alt tabanın yerleştirilme konumuna göre iki tür depolama şekli (paralel ve dikey konum olmak üzere) kullanılarak incelemelerde bulunulmuştur. Geleneksel diyot sisteminde alt taban paralel konumdayken; film yapısının gaz karışımındaki oksijen miktarına bağlı olduğu görülmüştür. En baskın 002 yansıması ile 011 ve 010 yansımaları gözlenmiş, oksijen miktarının artmasıyla rasgele yönelimli filmler elde edilmiştir. Dikey konumdayken yani alt taban şiddetli boşalma bölgesinin dışına yerleştirildiğinde oksijen miktarının herhangi bir değeri için kırınım örneğinde sadece 002 yansımaları sergileyen yüksek yönelimli filmler elde edilmiştir. Magnetron söktürme sisteminde; düşük basınçlarda (0.4 Pa), enerjik oksijen bombardımanının yol açtığı, yüksek baskıcı gerilime sahip filmler elde edilirken, yüksek basınçlara çıkıldığında (4-7 Pa) bu yan etkiler ortadan kaldırılmıştır. Ayrıca depolama sonrası tavlamayla da gerilim ortadan kalkmış ve daha yüksek kaliteli filmler elde edilmiştir. (Petrov ve V. Orlinov, 1984). RF diyot söktürmeyle geniş alan (15 mm x 45 mm) ZnO film dönüştürücüler c kesimli safir üzerine büyütülmüştür. T s > C den büyük alt taban sıcaklığıyla filmler epitaksiyel olarak büyümüştür. T s = C de filmler yüzeye dik c eksen yöneliminde büyümüştür. Epitaksiyel ve yüzeye dik c eksen yöneliminde büyüyen filmlerin her ikisinin de tüm alan boyunca homojen ve 35 GHz üzeri frekanslarda ses ışın topografisi için kullanışlı oldukları gözlenmiştir. (TH. Aeugle ve H. Bialas, 1991). ZnO ince filmleri RF söktürme yöntemiyle cam, alüminyum (Al), altın (Au) ve R kesim (R_cut) safir alt tabanlar üzerine depolanmıştır. ZnO ve alt taban ara yüzeyi arasındaki mikro yapılar TEM le incelenmiştir. ZnO/cam ara yüzeyinde amorf bir tabaka ve ZnO/Al ara yüzeyinde ise daha kalın bir amorf tabaka gözlenmiştir. ZnO/Au ve ZnO/safir ara yüzeyleri arasında ise herhangi bir amorf tabaka gözlenmemiş, her iki ara yüzeyde de direk ZnO ince film yöneliminin başladığı gözlenmiştir. Bu sonuçlar açıkça ZnO ince filmlerin alt tabanın yüzey 3

17 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Meryem Derya ÖZDEMİR morfolojisinden ve yüzey kristalliğinden oldukça etkilendiğini kanıtlamaktadır. (Y. Yoshino ve K. Inoue, 1998). RF söktürme yöntemiyle ZnO ince filmler Al, Au, Ni, Cu ve cam alt tabanlar üzerine büyütülmüştür. ZnO ince filmlerin kristalliği XRD ve RHEED sonuçlarından incelenmiştir. ZnO ve alt taban ara yüzeyleri arası TEM le gözlenmiştir. Alt taban türüne bağlı olarak cam, Au ve Al üzerine depolanan filmler iyi c eksen yönelimi gösterirken, Ni ve Cu üzerine depolanan filmlerin yönelimlerinin düzensiz olduğu gözlenmiştir. Alt taban yüzey morfolojisi ve ZnO kristalliği arasındaki ilişki göz önüne alındığında, alt taban yüzeyi sert olduğunda ZnO ince filmlerin yöneliminin düzensiz olduğu görülmüştür. Bu çalışmada en iyi ZnO kristalliğini Au alt tabanı üzerine büyütülenler sergilemiştir. (Y. Yoshino ve K. Inoue, 2000). Epitaksiyel ZnO filmler, tek kristal ZnO (0001) in iki kutup yüzeyi üzerine (oksijen ve çinko yüzeyleri üzerine) magnetron söktürmeyle büyütülmüştür. Epitaksiyel film büyümesini oldukça etkileyen iki kutup ZnO yüzeylerin, farklı yüzey yapısı ve morfolojisine sahip olduğu bulunmuştur. Yüksek sıcaklıkta tavlanan ZnO tek kristallerinin oksijen kutbu yüzeyinin üzerine büyütülen filmlerin yüzey yapısının, karşıt yüzey üzerine (Zn yüzey) büyütülenden daha iyi geliştiği gözlenmiştir. ZnO alt tabanlar üzerine büyütülen homoepitaksiyel filmlerin yapı ve morfolojisi, Al 2 O 3 üzerine büyütülen heteroepitaksiyel filmlerden farklı olduğu bulunmuştur. XRD ve AFM analizlerinden ZnO epitaksiyel film büyümesi için oksijen kutbu yüzeyinin daha elverişli olduğu görülmüştür. (Shen Zhu ve C. -H. Su, 2000). ZnO filmler cam alt tabanlar üzerine DC reaktif magnetron söktürme tekniğiyle metalik bir çinko hedeften bir argon ve oksijen atmosferinde hazırlanmıştır. 3 x x 10-2 mbar arası değişen basınçların yapısal, elektriksel ve optiksel özellikler üzerine etkisi araştırılmıştır. XRD çalışmaları filmlerin alt taban yüzeyine dik (002) yönelimli polikristal yapı sergilediğini göstermiştir. Tanecik boyutunun ise artan basınçla 25 nm den 55 nm ye arttığı gözlenmiştir. Elektriksel direnç 3 x 10-2 mbar ile 6 x 10-2 mbar arasında artan basınçla 32 x 10-2 Ω cm den 6.9 x 10-2 Ω cm ye düşerken 10 x 10-2 mbar basınçta 1 Ω cm ye çıkmıştır. Yine 3x10-2 mbar ile 6 x 10-2 mbar arası basınçlarda, optik geçirgenlik % 80 den % 85 e çıkmış 4

18 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Meryem Derya ÖZDEMİR daha sonra artan basınçta 10 x 10-2 mbar da optik geçirgenlik % 73 değerine düşmüştür. Optik bant aralığı ise artan basınçla 3.24 ev dan 3.32 ev değerine artış göstermiştir. Artan basınçla bant aralığının genişlemesinin taşıyıcı yoğunluğunun artışıyla alakalı olduğu düşünülmüştür. Ayrıca böyle bir genişleme sitokiyometrik olmayan filmlerin göstergesi olarak düşünülmüştür. Sonuç olarak elde edilen en iyi filmlerin 6 x 10-2 mbar basınçta 2.6 x 10-2 Ω cm gibi düşük bir direnç, % 83 lük bir optik geçirgenlik ve 3.28 ev luk bir bant aralığına sahip oldukları bulunmuştur. (T. K. Subramanyam ve B. Srinivasulu Naidu, 2000). Bu çalışmada, (0001) ve (11 2 0) yönelimli safir alt tabanlar üzerine, RF magnetron söktürme yöntemiyle depolanan ZnO filmlerin yapısal özellikleri üzerine, alt taban sıcaklığı, Ar gaz basıncı ve uygulanan RF gücü gibi depolama şartlarının etkisi çalışılmıştır. XRD ve RHEED ölçümlerinden (11 2 0) yönelimli safir alt taban üzerine depolanan filmlerin depolama koşullarından bağımsız olarak mozaik yapılı (0001) yönelimli heteroepitaksiyel filmler olduğu, fakat mozaik yapının c eksen tabakasının alt taban sıcaklığı ve/veya film kalınlığıyla geliştiği gözlenmiştir. Yine bu ölçümler sonucunda (0001) yönelimli safir üzerine depolanan filmlerin çoğunun (0001) yönelimi içeren fiber kristalit yapısında olduğu ve a eksen tabakasının depolama koşullarına bağlı olarak değiştiği gözlenmiştir. (Igasaka ve Naito, 2001). Bu çalışmada filtreli katodik vakum ark (FCVA) tekniğiyle Si (100) üzerine depolanan ZnO ince filmlerin yapısal ve optiksel özellikleri alt taban sıcaklığı oda sıcaklığında, 230 o C ve 430 o C deyken incelenmiştir. XRD sonuçlarından oda sıcaklığında depolanan filmlerin amorf yapıda olduğu, artan sıcaklıkla da polikristal ZnO in baskın (002) ve (103) kristal yönelimleri görülmüştür. Bu da ZnO in kristal yapısının gelişimi için sıcaklığın yükseltilmesi gerektiğini göstermiştir. ZnO in optik geçirgenlik incelemeleri için ZnO quartz cam üzerine Si alt tabanla benzer özelliklerde depolanmış, oda sıcaklığında geçirgenliğin düşük dolayısıyla oksijenin film oluşumuna çok az katıldığı düşünülmüş, 230 o C de oldukça dik soğurma sınırlı bir geçirgenlik gösterdiği bunun da çok düşük kusur seviyesine sahip filmler elde edildiğinin göstergesi olduğu düşünülmüştür. Ayrıca bu sonuçlar UV PL yayınım şiddetiyle de desteklenmiş NBE nin filmdeki kusurlardan kaynaklanan DLE ye 5

19 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Meryem Derya ÖZDEMİR oranının yaklaşık 100 olduğu yani yüksek kalitede filmlerin FCVA ile üretildiği gözlenmiştir. (X. L. Xu ve S. P. Lau, 2001). Değişik ters gerilim değerlerinde ve alt taban sıcaklıklarında FCVA ile depolanan ZnO ince filmlerin özellikleri XRD, XPS, AFM, PL, optik geçirgenlik ve Raman spektroskopisi ile incelenmiştir. Oda sıcaklığında gerilim uygulanmayan örneklerin geniş kırınım piklerinin olduğu ve tercihi yönelimleri olmadığı için amorf yapıda oldukları gözlenmiştir. Alt taban sıcaklığı 230 o C ye çıktığında filmlerin (002) ve (103) doğrultusunda büyümüş polikristal yapıda oldukları, ayrıca alt taban sıcaklığı 430 o C olduğunda kırınım piklerinin daha keskinleştiği gözlenmiştir. Ters gerilim ve yüksek alt taban sıcaklığı ( > 430 o C ) nda yüksek enerjili Zn iyonlarının yüzeye ulaşmasıyla Zn-O bağlarının koptuğu ve oksijenin salıverildiği için oksijen eksikliğine bağlı kusurların arttığı XPS analizlerinden gözlenmiştir. Optik geçirgenlik spektrometresinden yüksek gerilim değerinde (-200 V) yüksek oksijen eksikliğine bağlı düşük % 60 lık bir geçirgenlik gözlenmiş, bunun dışında yüksek alt taban sıcaklığındaki tüm örneklerin yüksek % 80 geçirgenlik sergilediği gözlenmiştir. Ayrıca PL spektroskopisinden NBE (UV yayınımı) nin filmdeki kusurlardan kaynaklanan DLE (green emission) ye oranı, MBE ve MOCVD ile depolanan ZnO filmlerin sonuçlarıyla kıyaslanabilecek düzeyde, yaklaşık 100 olarak bulunmuştur. (X. L. Xu ve S. P. Lau, 2001). ZnO filmler (001) Si alt tabanlar üzerine RF magnetron söktürmeyle büyütülmüştür. Söktürmede RF gücü ve k = O 2 /Ar gaz akış oranının etkisi çalışılmıştır. XRD sonuçlarından RF gücü ve k = O 2 /Ar oranı arttırıldığında tüm ZnO filmler daha iyi kristal kalitesine sahip ve c eksen yöneliminde olduğu gözlenmiştir. PL spektrumundan k oranının artışıyla DLE yayınımının daha kuvvetli olduğunu, dolayısıyla O 2 boşluklarının azalmış ve Zn boşluklarının artmış olduğunu düşünerek DLE yayınımının sebebi olarak Zn boşluklarını göstermişler. Yapısal kusurların konsantrasyonu PL spektrumundaki NBE yayınımının DLE yayınımına oranından elde edilebileceğinden, elde ettikleri filmlerin yapısal kusur konsantrasyonunun MOCVD yöntemiyle elde edilenlere kıyasla daha yüksek değerde olduğunu hesaplamışlar. Ayrıca PL spektrumunda k oranının en yüksek olduğu grafikte UV yayınımında iki pik değeri gözlenmiş ve bunlardan 3.30 ev değerinde gözlenenin 6

20 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Meryem Derya ÖZDEMİR serbest eksiton yayınımından kaynaklandığını, diğerinin 3.24 ev değerinde gözlenenin ise donor akseptör geçişiyle ilgili olduğunu düşünmüşler. (Yuantao Zhang ve Guotong Du, 2002). Bu çalışmada, (002) c eksen yönelimli polikristal ZnO filmler silikon alt tabanlar üzerine RF magnetron yöntemiyle depolanmıştır. Depolanan filmler depolama sıcaklığı, Ar-O 2 gaz akış oranı ve RF gücünün bir fonksiyonu olarak karakterize edilmiştir. Filmlerin kristal yapısı, gerilim ve pürüzlülük özellikleri XRD, SEM ve AFM analizleriyle araştırılmıştır. Tavlama sıcaklığı depolama parametrelerinin kontrolüyle safsızlık gerilimi ve yüzey pürüzlülüğü azaltılmıştır. Yüzey pürüzlülüğü artan tavlama sıcaklığıyla (300 o C) azalsa da, (002) c eksen yöneliminin sütunsal yapısı 100 o C de tavlanan örnektekinden daha zayıf kalmıştır. ZnO filmlerin büyümesi için uygun alt taban sıcaklığı 200 o C ve optimum oksijen oranı % 40 olarak bulunmuştur. Ayrıca artan tavlama sıcaklığıyla da gerilimin azaldığı görülmüştür. Sonuç olarak uygulanan depolama koşullarında SAW aygıt uygulamaları için üretilen filmlerin kalitesinin iyi olduğu gözlenmiştir. (Walter Water ve Sheng-Yuan Chu, 2002). Polikristal katkısız ZnO ince filmlerin ozon duyarlılığı, değişen parametrelerle, spray pyrolysis, DC ve RF söktürme teknikleri kullanılarak üretilmiştir. Ozon duyarlılığı ölçümleri; tersine çevrilebilir bir süreçte, öncelikle elde edilen filmlerin fotoazalım için, sabit bir iletkenlik değeri elde edilene dek vakumda UV ışığına tutulmasıyla ve ardından oksidasyon işlemine geçilerek yapılmıştır. Fotoazalım ve oksidasyonun filmlerin elektriksel iletkenliğine etkisi çalışılmış ve sensör cevabı (ozon duyarlılığı) hesaplanmıştır. Filmlerin XRD ve AFM analizleri tüm filmlerin mikrokristal yapıya sahip olduğunu göstermiştir. Film yapısının, büyütme tekniği ve kullanılan parametrelerle oldukça ilgili olduğu gözlenmiş, en iyi sonuçlara yüksek toplam basınçta depolanan RF söktürülen filmlerle ulaşılmıştır. Elde edilen en iyi filmlerin sensör cevabı 1.2 x 10 8 olarak bulunmuştur. (M. Bender ve E. Gagaoudakis, 2002). Yüksek kalitede ZnO ince filmler Si (100) alt tabanlar üzerine MgO çok katlı tabakalarıyla birlikte büyütülmüştür. MgO çok katlı tabakalarını Si alt tabanlar üzerine büyütmek için bir elektron ışın buharlaştırma tekniği kullanılmış ardından Zn 7

21 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Meryem Derya ÖZDEMİR filmleri okside edip ZnO şekline getirmek için iki aşamalı bir tavlama işlemi uygulanmıştır. Nanokristal ZnO ince filmlerin yönelimi ve fotolüminesansı üzerine tavlama sıcaklığının etkisi çalışılmış, 400 ila 700 o C arası oksijen ortamlı tavlamada artan sıcaklıkla ZnO filmlerin kalitesinin arttığı ancak 800 o C üstü tavlama sıcaklıklarında istenmeyen bir faz geçişiyle ZnO yerine Mg -x Zn 1-X O alaşımı elde edilmiştir. XRD sonuçlarından bu alaşım filmlerin, örgü sabiti çinko oksidinkine yakın hegzagonal yapıyı sürdürdükleri gözlenmiştir. Ayrıca PL spektrumu bu alaşımın 53 mev lik büyük bir eksiton bağlanma enerjisi ile artan tavlama sıcaklığıyla artan 3.76 ev luk geniş bir bant aralığına sahip olduğunu göstermiştir. (S. J. Chen ve Y. C. Liu, 2003). Bu çalışmada ZnO ince filmler SiO 2 alt tabanı üzerine RF magnetron söktürme yöntemiyle depolanmış ve tavlama sıcaklığının yapı kalitesine etkisi araştırılmıştır. XRD sonuçlarından baskın (002) piki yanı sıra (100) ve (110) pikleri de gözlenmiş ve artan tavlama sıcaklığıyla (002) kırınım pikinin ve c eksen yöneliminin artış gösterdiği gözlenmiştir. Yarı maksimumdaki genişliğinin artan tavlama sıcaklığıyla azaldığı, buna bağlı olarak da tanecik boyutunun arttığı gözlenmiştir. Ayrıca yapılan SEM analizleri de bu XRD sonuçlarını doğrulamıştır. (Kwang Kim ve Hyoun Kim, 2003). Daha iyi elektronik özelliklere sahip ZnO filmler ve bu filmlerin yayınım veriminin arttırılması için bu çalışmada ZnO; Al alt tabanlar ve AAO (Anodic Alumina Oxide) kalıplar üzerine RF magnetron söktürme yöntemiyle depolanmıştır. Al alt taban üzerine depolanan filmlerin iyi c eksen yönelimine sahip polikristal yapıda olduğu, AAO kalıplar üzerine depolanan filmlerin, arayüzey yakınındaki kristalliğin düzensiz olması nedeniyle yönelimsiz oldukları görülmüştür. Burdan ZnO kristalliğinin, alt tabanın yüzey morfolojisinden oldukça etkilendiği sonucu çıkarılmıştır. PL ölçümlerinden nm dalga boyu aralığında mavi bir bant yayınımı gözlenmiş ve bunun ZnO filmlerdeki Zn safsızlıklardan kaynaklandığı düşünülmüştür. (Zebo Fang ve Yinyue Wang, 2003). Bu çalışmada oda sıcaklığında FCVA ile depolanan ZnO ince filmlerin uygulanabilirliğini kanıtlamak amaçlanmış ve oksijen basıncının, yapısal, optiksel ve elektriksel özellikler üzerine etkisi sistematik bir şekilde araştırılmıştır. Sonuçlar 8

22 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Meryem Derya ÖZDEMİR yüksek geçirgenlikli ( > % 90 ), düşük dirençli ( 4.1 x 10-3 Ω cm ), 5 x x 10-3 Torr basınç aralığında yüksek c eksen yönelimli filmler elde edildiğini göstermiştir. Yüksek taşıyıcı konsantrasyonu olarak Zn safsızlıkları gösterilmiştir. Yüksek iyon enerjisi ve düşük alt taban sıcaklıklarında Zn safsızlıklarının oluşma olasılığı artmıştır. Yüksek enerji iyonları, film yüzeyi üzerinde büyüme çeşitlerinin gelişmesine ve ZnO filmlerin depolanmasına öncülük etmiştir. Oksijen basıncının artmasıyla çeşitlerin enerjileri oldukça düşmüş, dolayısıyla düşük sıcaklıkta yüksek kaliteli filmler sadece yakın bir oksijen basınç aralığında ( 3.5 x x 10-3 Torr) FCVA sisteminde üretilebilmiştir. (Y. G. Wang ve S. P. Lau, 2003). Bu çalışmada nm arası kalınlıklarda depolanan ZnO filmlerin 373 K- 673 K arasında değişen tavlama sıcaklıklarında optik ve yapısal özellikleri çalışılmıştır. Alınan XRD sonuçlarından sadece 2θ =34.4 o açı değerinde (002) piki gözlenmiştir. Depolama sonrası artan tavlama sıcaklıklarıyla da (002) pikinin keskinleştiği görülmüştür. Bu da kristal boyutunun artmasıyla bağlantılıdır. Elde edilen tüm filmler nm dalga boyu aralığında ortalama % 90 geçirgenlikle, yaklaşık 380 nm de soğurma sınırına sahip olarak gözlenmiştir. Filmlerin kırılma indisi ve soğurma katsayısı artan tavlama sıcaklığıyla artarken, artan film kalınlığıyla azalmıştır. Optik bant aralığı Eg ise artan tavlama sıcaklığıyla artarken, artan film kalınlığıyla azalmıştır. (A. Moustaghfir ve E. Tomasella, 2003). Bu çalışmada c eksen yönelimli ZnO ince filmler başarılı bir şekilde Si (100) alt tabanlar üzerine oda sıcaklığında RF magnetron söktürme tekniğiyle depolanmıştır. RF gücünün ZnO ince filmlerin yapı kalitesini etkilediğini, bu etkinin ise daha yüksek RF gücü değerlerinde film kalınlığının artmasıyla alakalı olduğu ispatlanmıştır. SEM analizleri artan film kalınlığıyla tanecik morfolojisinin değiştiğini ve tanecik boyutunun arttığını göstermiştir. XRD sonuçları, azalan RF gücüyle sabit film kalınlığında c eksen yönündeki baskıcı gerilimin arttığını ve c eksen yöneliminin daha iyi olduğunu göstermiştir. Ayrıca tanecik boyutunun azalan RF gücüyle daha küçüldüğü bulunmuştur. Bu çalışmada RF magnetron söktürmeyle Si alt tabanı üzerine ZnO düşük sıcaklıkta (400 o C) direk olarak depolanmış, daha sonra oluşan bu tabaka üzerine tekrar ZnO büyütülmüş ve oluşan son filmin yapısal ve optik kalitesi araştırılmıştır. Yapılan çalışmalar düşük sıcaklıkta Si üzerine 9

23 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Meryem Derya ÖZDEMİR depolanan bu ilk ZnO tabakasının yüksek sıcaklıklarda yüksek kalitede ZnO depolanmasında iyi bir alt taban olduğunu göstermiştir. XRD ve SEM sonuçları iki aşamada depolanan bu ZnO filmlerin direk depolanan ZnO filmlere kıyasla yarı maksimum tam genişliklerinin daralması ve daha yumuşak yüzey morfolojilerine sahip olmasıyla yapısal kalitelerinin gelişmiş olduğunu göstermiştir. (Sang-Hun Jeong ve Il-Soo Kim, 2004). Bu çalışmada p tipi Si alt tabanlar üzerine depolanan tercihi c eksen yönelimli ZnO ince filmlerin oluşum mekanizması araştırılmıştır. ZnO/Si heteroyapılarının kompozisyonunu karakterize etmek için AES, ZnO ince filmlerin kristalizasyonunu araştırmak için XRD ve ZnO/p_Si (100) mikroyapısal özelliklerini araştırmak için TEM sonuçları kullanılarak filmlerin olası oluşum mekanizmaları tanımlanmıştır. AES sonuçları yüzeyde çinko, oksijen, karbon ve 70 nm derinlikte ise çinko ve oksijen bulunduğunu göstermiştir. XRD sonuçlarından kuvvetli bir c eksen yöneliminin sergilendiği, TEM sonuçlarından da ZnO ve Si ara yüzeyinde amorf bir tabakanın bulunduğu gözlenmiştir. Bu sonuçlardan c eksen tercihi yönelimli ZnO ince filmler amorf ara yüzey üzerine büyütüldüğü için, yüzey enerjisinin etkisinin, Si alt tabanı ve ZnO ince filmi arasındaki ara yüzey enerjisinden daha baskın olduğu, bu nedenle de c eksen yönelimi yapısının oluşumunun amorf tabakanın varlığına bakmaksızın yüzey enerjisinin minimizasyonunun öncülük ettiği sonucu çıkarılmıştır. (H. S. Lee ve J. Y. Lee, 2004). Polikristal ince ZnO filmler oda sıcaklığında cam alt tabanlar üzerine filtreli vakum ark depolama (FVAD) ile depolanmıştır. Elektriksel, optiksel ve yapısal özellikler, oksijen basıncının Pa aralığında değişen değerlerinin ve ark akımının A arası değişen değerlerinin bir fonksiyonu olarak araştırılmıştır nm aralığında film kalınlıklarının ark akımına lineer olarak bağlı olduğu görülmüştür. O/Zn 0.75 konsantrasyon oranıyla, oksijen taban basıncına sadece zayıf bir şekilde bağlı, sitokiyometrik olmayan filmler elde edilmiştir. Tanecik boyutu oksijen taban basıncıyla düşmüştür. Film kalınlığı oksijen taban basıncıyla yaklaşık lineer bir şekilde düşerken, geçirgenlik T, görünür bölge ve NIR (near_ir) bölgede oksijen taban basıncıyla artmıştır. XRD analizleri filmlerin basınca bağlı tercihi yönelimle polikristal yapıda olduğunu göstermiştir. Ölçüm parametrelerinin 10

24 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Meryem Derya ÖZDEMİR göreli standart sapması, aynı akım ve basınç değerleriyle depolanan yedi örneğin incelenmesi sonucu % 4 den az olarak tanımlanmıştır. (T. David, S. Goldsmith ve R. L. Boxman, 2004). DC reaktif magnetron söktürme yöntemiyle üretilen ZnO ince filmlerin yapısal ve optik özellikleri üzerine depolama sonrası tavlama ve iyon ışın bombardımanının etkisi araştırılmıştır. XRD sonuçlarından alt taban yüzeyine dik sadece (002) c eksen yönelimli ZnO fazları gözlenmiştir. Depolama sonrası hem tavlama hem de iyon bombardımanı etkisiyle kırınım piklerinin daraldığı dolayısıyla tanecik boyutunun arttığı ve kırınım piklerinin daha yüksek 2θ değerlerine kaydığı bunun sonucunda da gerilimin azaldığı gözlenmiştir. Geçirgenlik spektrometresinden tüm filmlerin nm arasında yüksek geçirgenlik sergiledikleri ve başlıca soğurmanın başladığı UV bölgesinde keskin bir düşüş yaptığı gözlenmiştir. Depolama sonrası tavlanan örneklerin bant aralığının ise azaldığı gözlenirken, iyon bombardımanı yapılan örneklerin bant aralığının arttığı gözlenmiştir. (Ruijin Hong ve Jianbing Huang, 2005). RF magnetron söktürme yöntemiyle ZnO ince filmler önce düşük sıcaklıkta çok katlı tabakalar (Al 2 O 3 ) üzerine depolanmış daha sonra elde edilen bu tabaka üzerine yüksek sıcaklıklarda yüksek kalitede ZnO ince filmler depolanabilmiş ve bu filmlerin optik özellikleri araştırılmıştır. Düşük sıcaklıkta elde edilen çok katlı tabakalar üzerine büyütülen ZnO ince filmlerin XRD sonuçlarından örgü uyumunun ve kristalliğinin geliştiği gözlenmiştir. Ayrıca PL spektrumunda kusurlarla ilgili PL şiddetinin ihmal edilebilecek kadar düşük olduğu ve serbest-eksiton PL ının gözlendiği dolayısıyla yüksek kaliteli filmler elde edildiği görülmüştür. (T. Shimomura ve D. Kim, 2005). Bu çalışmada p_tipi Si alt tabanlar üzerine RF magnetron söktürmeyle depolanan ZnO ince filmlerin optik ve elektronik özellikleri üzerine tavlamanın etkisi araştırılmıştır. XRD sonuçları p_si (100) üzerine büyütülen ZnO filmlerin kristalliğinin tavlama işlemiyle arttığı gözlenmiş ayrıca tavlanmış ve tavlanmamış örneklerin her ikisinde de [0001] kristal doğrultusunda c eksen tercihi yönelimi gözlenmiştir. PL spektrumundan tavlama sonrası serbest eksiton ve derin seviye 11

25 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Meryem Derya ÖZDEMİR lüminesans (deep_level luminescence) pikleri gözlenirken tavlanmamış örneklerde herhangi bir lüminesans piki gözlenmemiştir. (W. G. Han ve S. G. Kang, 2005). Bu çalışmada, depolama sonrasında ZnO filmlerin CO 2 lazer ışınıyla taranması sonucu, filmlerin yapı ve fotolüminesansı üzerine ne gibi etkiler yaratacağı araştırılmıştır. XRD sonuçlarından c eksen yöneliminin dik, bir tek ZnO fazından (002) oluştuğu, rasgele yönelimli tanecikler ya da safsızlıklar olmadığı gözlenmiştir. CO 2 lazer ışını etkisiyle kırınım piklerinin daraldığı ve 2θ açılarının daha yüksek değerlere kaydığını gözlemişler. Hesaplar tanecik boyutu ve film geriliminin depolanan enerji ile ilgili olduğunu ortaya çıkarmıştır. Elde edilen tüm filmlerin geçirgenlik spektrometreleri görünür bölgede yüksek geçirgenlik sergilemiştir. UV bölgesinde geçirgenlik başlıca soğurmanın başladığı yerde keskin bir şekilde düşmüştür. Ayrıca soğurma katsayısının karesinin enerjiyle değişimi grafiğinden hesaplanan bant aralığı değerleri artan enerji miktarıyla azalmıştır. PL spektrumundan görünür bölge pikinin göreli şiddetinin lazer ışını etkisiyle arttığı gözlenmiştir.(ruijin Hong ve Chaoyang Wei, 2005). Bu çalışmada ZnO ince filmleri, ZnO ve Al arayüzeyinde amorf tabakayı korumak için, Ru çok katlı tabakası üzerine depolanmıştır. C eksen yönelimi ve morfoloji özelliklerinin geliştirilmesine yönelik, tavlama işlemiyle ZnO ince filmlerin değişimi araştırılmıştır. Alt taban olarak kullanılan Ru metali ZnO ince filmleriyle aynı yapıya sahip olduğu için, artan tavlama sıcaklıklarıyla filmlerin c eksen yönelimini sağladığı ve yarı maksimum tam genişliklerinin de daraldığı X_ışını kırınımı örneklerinden görülmüş, dolayısıyla Schrerrer eşitliğiyle hesaplanan kristal boyutu da artmıştır. ZnO ince filmler kullanılarak üretilen tekzar FBAR (Film Bulk Acoustic Wave Resonator) larda artan tavlama sıcaklığıyla merkez frekans değeri (0.79 GHz) değişmeksizin, geri dönüş kaybı (return loss) değerinde -17 db den -25 db e iyi bir düşüş gözlenmiştir. (Eung Kwon Kim ve Tae Yong Lee, 2005). Bu çalışmada GaN ve safir üzerine, MBE ve RF magnetron söktürme yöntemleri kullanılarak depolanan ZnO tabakalar araştırılmıştır. GaN (0001) üzerine MBE ile yapılan büyüme sonrası yapılan analizlerden tabakaların, yüksek yoğunluklu kusurlar içerdiği ve GaN-ZnO ara yüzeyler arasında örgü eşleşmesiyle 12

26 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Meryem Derya ÖZDEMİR alakalı uyumsuz bölgeler bulunduğu gözlenmiştir. (M. Abouzaid ve P.Tailpied, 2005). Bu çalışmada PFCVAD (Pulsed Filtered Cathodic Vacuum Arc Deposition); Atmalı Plazma Katodik Vakum Ark Depolama sistemiyle cam üzerine ZnO ince filmler oda sıcaklığında depolanmıştır. Yapılan x-ışını çalışmaları tüm filmlerin heksagonal kristal yapıda, tercihi yöneliminin sadece (002) doğrultusunda olduğunu göstermiş ve tanecik boyutlarının nm aralığında değiştiği tahmin edilmiştir. Tavlamanın etkisiyle kristal boyutlarının arttığı ve x-ışını kırınım örneklerinin keskinleştiği gözlenmiştir. Ayrıca düzlemler arası uzaklık d ve örgü sabiti c değerlerinin artan tavlamayla azaldığı gözlenmiştir. Optik ölçümler sonucu artan tavlamayla soğurma katsayısı ve kırılma indisi azalırken optik band aralığı değerlerinin arttığı gözlemiştir. Optik özelliklerden bu sistem için cam üzerine depolanan ZnO ince filmlerin en iyi tavlama sıcaklığının C olduğu bulunmuştur. Camın özelliklerinden dolayı bu sıcaklık cam alttabanlar için çalışılabilecek en yüksek sıcaklık olduğu belirtilmiştir (E. Şenadım, H. Kavak ve R.Esen, 2006). 13

27 3. MATERYAL VE METOD 3.1. Kristal Yapılar Katı cisimler yapısal olarak en genel halde doğada amorf ve kristal olmak üzere iki şekilde bulunurlar. Kristal yapı, uzun erimli bir düzenin söz konusu olduğu atom, molekül veya atom ve molekül gruplarının üç boyutta periyodik olarak düzenlenmesiyle oluşan yapıdır. Buna karşılık kısa erimli bir düzene sahip amorf yapı için ise böyle periyodik bir dizilim söz konusu olmamasına rağmen bir düzenin varlığından söz edilebilir. Cisimlerin kristal yapısı ilk önce kar tanelerinde ve buzda görüldüğünde Yunanlılarca buza kristal (crystal) adı verilmiş, daha sonra kristal sözcüğü kuvars için kullanılmıştır. Elmas gibi düzgün yüzeyli maddelerin kullanılışı arttıkça bunların ortak yanları dikkati çekmiş, hepsine kristal denmiştir. Kristallerin düzgün ve belli açılarla birbirine bağlı dış yüzeyleri vardır. Bu özellikleri jeologlar tarafından minerallerin tanınmasında kullanılmıştır. Tuğlalar gibi birtakım yapı birimlerinin düzenli bir şekilde yığılmaları sonucunda kristalin dışında gördüğümüz düzgün yüzeylerin meydana geldiğini 1784 de Abbe Haüy bulmuştur. Haüy, 1700 lü yılların sonu ile 1800 lü yılların başında yaşamış olup kristalleri belirli geometrik şekillere göre matematiksel olarak sınıflandırmıştır. Christian Westfeld ( ) birim hücre kavramını ortaya koymuştur. Christian Weiss ( ) kristalleri bugün hala kullanılmakta olan farklı kristal sistemlerine ayırmıştır. Bu düzgün yapı birimlerinin ne olduğu 20. yüzyılın başına kadar anlaşılamamıştır de Röntgen ışınlarının keşfi ile kristallerin incelenmesinde yeni bir yöntem kazanılmıştır de M. von Laue kristallerin X-ışını demeti karşısında üç boyutlu bir optik ağ gibi davrandığını önce teorik sonra da deneysel olarak gösterdi. Bu sayede, bir yandan bu optik ağın üç doğrultudaki ağ sabitlerini diğer yandan örgü parametreleri dediğimiz bu sabitlerle teşkil edilen birim hücre içerisindeki atomların konumlarını bulma olanağı doğdu. Bir kristal madde birçok kez çözülüp yeniden kristalleşse bile iç yapısında bir değişiklik olmaz; yani moleküllerin diziliş düzenini sağlayan simetri öğeleri ve bu 14

28 öğelerin birbirine göre durumları değişmez. Moleküllerin birbirine göre konum, yönlenme ve aralıkları aynı kalır. Bu yığılma düzeni için o kristalde harcanan enerji minimumdur. Başka türlü düzenlenişler daha fazla enerji gerektirir; doğa gerekmedikçe fazla enerji harcamaz (Kabak, 2004) Bazı Tanımlar Kristal ( tek-kristal, toz kristal, polikristal, kırınım ve yansıma) İdeal olarak bir kristal, kendisini üç boyutta periyodik olarak tekrar eden (yineleyen) atom veya atom gruplarının düzenlenişine denir. bu atom grubuna yapı birimi yada baz denir. Yapı birimi gerçekte kendisini sonsuz kez yinelemez. Sınırlı sayıdan sonra çeşitli fiziksel etkenlerden dolayı kristalin büyümesi (genişlemesi) durur. Çok küçük (x-ışınları ile kırınımı aşırı etkilemeyecek kadar) deformasyonlar göz önüne alınmazsa yukarıdaki ideal tanıma uyan sonlu büyüklükteki bir kristale tek-kristal denir. Bütün bir tek-kristal içerisinde bazların diziliş düzeni (yani iç simetri) bozulmadan devam eder. Elmas, yemek tuzu taneleri, kuvars, şeker tanecikleri tek-kristale örneklerdir. Tek-kristallerin düzensiz yığılımı ile elde edilen katı maddeye polikristal denir. Polikristalde birbirine gelişigüzel yapışmış bulunan tek-kristallerin büyüklüğü optik mikroskopta görülemeyecek kadar küçük olabileceği gibi büyüteçle hatta çıplak gözle de görülebilir. Kaya, taş, toprak, metal parçaları gibi günlük yaşamımızda çok rastladığımız maddeler polikristaldir. Bir tek-kristali yada polikristali öğüterek elde edilen kristale toz-kristal denir. Toz kristali meydana getiren tek kristallerin ideal büyüklüğü 10-3 cm dir. Daha küçük kristallerde kırınım çizgileri genişler, kristal daha büyük olunca da kırınım deseninde tek-kristaller görülmeye başlar. Kırınım, ilerleyen bir dalganın yönünün veya doğrultusunun değiştirilmesidir. Yansıma, gelen dalganın yansıma yaptığı düzlemin normali ile yaptığı açının yansıyan dalga düzlemi arasındaki açıdır. 15

29 Davranış (Habit) Bir tüp içerisine bir miktar susuz alkol koyarak derişik yemek tuzu çözeltisi damlatılırsa tüpün dibinde düzgün geometrik şekilli tek kristallerin biriktiği görülür. Az büyütmeli bir mikroskopla incelediğimizde bu kristallerin bazılarının küp, bazılarının düzgün sekiz yüzlü, bazılarının köşeleri yada kenarları yontulmuş küp bozması v.b. biçimli olduğunu görürsünüz. Bunların şekli ne olursa olsun hepsi de küpün özelliklerini taşırlar. Bu tek kristallerin her birine kristalin bir davranışı denir ve kristalin büyüklüğü davranışı değiştirmez. İrili ufaklı bütün küpler o kristalin küp davranışıdır Biçim (Form) Düzgün küp şeklinde oluşan kristalin altı yüzü de karedir. Düzgün sekiz yüzlünün yüzleri birer üçgendir. Kare ve üçgen yüzler birbirine belli bir simetri ile bağlıdır. Altı adet karenin tümüne birden kristalin bir biçimi denir, üçgenler de başka bir biçimdir. Hem köşeleri yontularak beliren üçgenlerde hem de köşeleri kesilmiş kareler bir arada varsa kristalin iki biçimi vardır. Bir yüz verildiği zaman simetrinin zorunlu kıldığı bu yüzden türetilen yüzlerin topluluğuna biçim denir. O halde davranış farklı biçimlerin göreli gelişmeleri sonunda ortaya çıkan genel görünümüdür Simetri İki şekil herhangi bir yolla birbiri üzerine çakışıyorsa bu şekillere simetriktir denir. Bir şekle belirli bir noktadan baktığımızda, bu noktanın her iki tarafındaki birimlerin, şekli 2 ye 3 e vs. ayırınca veya şekli bir düzlemle ayırınca ayrılan parçalar arasında benzerlikler olması şekillerin birbiri ile çakışması durumunda bu parçalar arasında simetrinin olduğu söylenir. Bir atom grubunu kendisi ile çakıştırmak için farklı yollar vardır. Bunlar öteleme (translation), dönme (rotation), noktaya göre simetri alma (inversion), yansıma (mirror), yansıma-öteleme/kayma (glide) ve 16

30 17 dönme-öteleme/vida (screw) simetri işlem(ci)leridir. Bu işlemlerle bir atom grubu uzayda çok sayıda yinelenir ve böylece makroskopik kristal elde edilir. a) Öteleme: Bir şeklin bir doğrultuda bir 1 t vektörü kadar ötelenmesi işlemidir. Bir şekil uzayda değişik doğrultulardaki 1 t, 2 t ve 3 t vektörleri ile tekrarlanarak uzayı doldurabilir. Bu simetri işlemleri sonunda elde edilen makroskopik cisim bir tek kristaldir. Bir öteleme işlemcisinin matris formunda herhangi bir, a, b c birim elemanına uygulanışı şu şekilde gösterilebilir (l, m, n pozitif veya negatif tam sayılardır): c b a nt mt t l = t c t b t a (3.1) b) Dönme: Bir şeklin bir eksen etrafında bir α açısı kadar dönmesi ile o şeklin simetrikleri elde edilir. Α açısı n her zaman bir tam sayı olmak üzere nα = 360 o bağıntısına uymak zorundadır. Ancak bu koşulla aynı şekle α dönmesi n kere uygulanınca o şekil ilk konuma gelir. Bir kristalde her biri sırasıyla 2π, 2π/2, 2π/3, 2π/4, 2π/6 radyanlık dönme işlemlerine karşılık gelen 1, 2, 3, 4 ve 6 kat simetriye sahip dönme eksenleri bulunabilir. Dönme eksenleri 1, 2, 3, 4 ve 6 rakamları ile simgelenir ve 1 li eksen, 2 li eksen vb adları ile okunurlar. 4 lü eksen, bir şekli 90 0 döndürerek ilk konumuna getirir. Diğerleri de benzer işlemleri yaparlar. Dönme işlemcisinin (z-ekseni etrafındaki R z dönme) matris formu: ( ) ( ) ( ) ( ) cos sin 0 sin cos n n n n α α α α z y x = ' ' ' z y x (3.2)

31 18 şeklinde gösterilebilir. Matristeki α dönme açısını göstermektedir. Buradaki matriste z-ekseni etrafındaki dönmeler için herhangi x, y, z noktaları ' x, ' y, ' z noktalarına taşınır. c) Yansıma: Bir m düzlemine göre simetri alma işlemidir. Kristalin bir, iki veya üç simetri düzlemi bulunabilir. Simetri düzlemleri m (mirror) harfi ile gösterilir. Yansıma işlemcisinin (xy düzlemine yerleştirilmiş bir ayna için) matris formu: M = z y x = ' ' ' z y x (3.3) şeklinde gösterilebilir. Matristeki -1 ayna işlemcisini göstermektedir. Buradaki matriste xy düzlemine yerleştirilmiş bir ayna için herhangi x, y, z noktaları ' x, ' y, ' z noktalarına taşınır. d) Simetri merkezi: Bazlar (atom, atom grupları veya moleküller) birbirine simetri merkezi ile bağlı iseler kusursuz olarak büyümüş bir makro kristalin yüzleri de birbirine simetri merkezi ile bağlıdır. İnversiyon işlemcisi köşegen üzerindeki elemanları -1 olan bir matristir: I = z y x = ' ' ' z y x (3.4) şeklinde gösterilebilir. Matristeki köşegen üzerindeki -1 değerleri inversiyon işlemcisini göstermektedir.