ÖZET. Nisan 2010, 101 sayfa

Transkript

1 ÖZET Doktora Tezi BAKIR OKSİT/ÇİNKO OKSİT HETEROEKLEM YAPILARIN ELEKTRİKSEL VE OPTİKSEL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Figen ÖZYURT KUŞ Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman : Prof. Dr. Tülay SERİN Bu çalışmada, sol-jel daldırma yöntemiyle hazırlanan p-cuo/i-zno/n-ato yapıların arayüzey durumlarının elektriksel özelliklerine etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaca ulaşmak için heteroyapının katmanlarını oluşturan CuO, ZnO ve ATO ince filmler cam tabakalar üzerine kaplanmış, filmlerin optiksel özellikleri UV-Vis-NIR spektrumları, yapısal özellikleri XRD spektrumları, elektriksel özellikleri akım-gerilim (I-V) ölçümlerinden ve morfolojik özellikleri de atomik kuvvet mikroskobu (AFM) görüntüleri yardımıyla incelenmiştir. Filmlerin optik bant aralıkları CuO, ZnO ve ATO filmler için sırasıyla ev, ev ve 3.9 ev ve aktivasyon enerjileri de 158 mev, ve 0.81 mev bulunmuştur. Cam tabakalar üzerinde incelenen filmler aynı koşullarda üst üste kaplanarak p-cuo/i-zno/n-ato yapıları oluşturulmuştur. Yapıların I-V-T ve C-V-T belirtkenleri ölçülmüş. I-V ölçümlerinden yapıların diyot özelliği gösterdiği belirlenmiştir. Aradaki ZnO tabaka farklı sıcaklık koşullarında büyütülerek yapının belirtkenlerindeki değişim incelenmiş ve en iyi diyot eğrisi saptanmıştır. Ayrıca yapının akımiletim mekanizmasının çok-adımlı tünelleme olduğu ve yüzey durumlarının en iyi diyot için 6.93x10 10 cm -2 ev -1 olduğu hesaplanmıştır. Nisan 2010, 101 sayfa Anahtar Kelimeler : p-i-n, Heteroeklem, Sol-jel, Optiksel özellikler, Elektriksel belirtkenler, Arayüzey durumları.

2 ABSTRACT Ph. D. Thesis ELECTRICAL AND OPTICAL PROPERTIES OF COPPER OXIDE/ZINC OXIDE/ATO HETEROJUNCTION DEVİCES Figen ÖZYURT KUŞ Ankara University Graduate School Natural and Applied Sciences Department of Engineering Physics Supervisor : Prof. Dr. Tülay SERİN In this study, it was aimed to investigate the effect of the interface states on the electrical properties of p-cuo/i-zno/n-ato structures prepared by sol-gel dip coating method. For this reason, firstly the layer of structure which consist of CuO, ZnO and ATO thin films deposited on glass substrates. It was investigated that the optical properties of films via UV-Vis-NIR spectroscopy, structural properties of films via XRD spectroscopy, electrical properties of films via current-voltage (I-V) measurements and morphologic properties of films via atomic force microscophy (AFM) images. The optical band gap and activation energy of films for CuO, ZnO and ATO is found as ev, ev, 3.9 ev and 158 mev, , 0.81 mev respectively. Investigated films on glass substrate which were deposited one on top of the other at the same condition so that p-cuo/i-zno/n-ato structures were formed. I-V-T and C-V-T characteristics of structures were measured. It is observed from I-V measurements that the structures showed diode properties. The variation of the electrical characteristics of structure was investigated via ZnO layer deposited among at different annealing temperature and the best diode curve was determined. Also, it is observed that the current transport mechanism of structure was multistep tunnelling and it is calculated that the interface states of the best diode is 6.93x10 10 cm -2 ev -1. April 2010, 101 pages Key Words : p-i-n, Heterojunctions, Sol-gel, Optical properties, Electrical characteristics, Interface states.

3 ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DOKTORA TEZİ BAKIR OKSİT/ÇİNKO OKSİT HETEROEKLEM YAPILARIN ELEKTRİKSEL VE OPTİKSEL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Figen ÖZYURT KUŞ FİZİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ANKARA 2010 Her hakkı saklıdır

4 TEZ ONAYI Figen ÖZYURT KUŞ tarafından hazırlanan Bakır Oksit/Çinko Oksit Heteroeklem Yapıların Elektriksel ve Optiksel Özelliklerinin İncelenmesi adlı tez çalışması 02/04/2010 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından oy birliği ile Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Mühendisliği Anabilim Dalında DOKTORA TEZİ olarak kabul edilmiştir. Danışman : Prof. Dr. Tülay SERİN Jüri Üyeleri: Başkan : Prof. Dr. Mehmet ZENGİN, Ankara Üniversitesi Üye : Prof. Dr. Basri ÜNAL, Ankara Üniversitesi Üye : Prof. Dr. Tülay SERİN, Ankara Üniversitesi Üye : Prof. Dr. Şemsettin ALTINDAL, Gazi Üniversitesi Üye : Doç. Dr. Hüseyin SARI, Ankara Üniversitesi Yukarıdaki sonucu onaylarım Prof. Dr. Orhan ATAKOL Enstitü Müdürü

5 Canım Anneme ve Babama. ve Sevgili Eşime

6 ÖZET Doktora Tezi BAKIR OKSİT/ÇİNKO OKSİT HETEROEKLEM YAPILARIN ELEKTRİKSEL VE OPTİKSEL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Figen ÖZYURT KUŞ Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman : Prof. Dr. Tülay SERİN Bu çalışmada, sol-jel daldırma yöntemiyle hazırlanan p-cuo/i-zno/n-ato yapıların arayüzey durumlarının elektriksel özelliklerine etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaca ulaşmak için heteroyapının katmanlarını oluşturan CuO, ZnO ve ATO ince filmler cam tabakalar üzerine kaplanmış, filmlerin optiksel özellikleri UV-Vis-NIR spektrumları, yapısal özellikleri XRD spektrumları, elektriksel özellikleri akım-gerilim (I-V) ölçümlerinden ve morfolojik özellikleri de atomik kuvvet mikroskobu (AFM) görüntüleri yardımıyla incelenmiştir. Filmlerin optik bant aralıkları CuO, ZnO ve ATO filmler için sırasıyla ev, ev ve 3.9 ev ve aktivasyon enerjileri de 158 mev, ve 0.81 mev bulunmuştur. Cam tabakalar üzerinde incelenen filmler aynı koşullarda üst üste kaplanarak p-cuo/i- ZnO/n-ATO yapıları oluşturulmuştur. Yapıların I-V-T ve C-V-T belirtkenleri ölçülmüş. I-V ölçümlerinden yapıların diyot özelliği gösterdiği belirlenmiştir. Aradaki ZnO tabaka farklı sıcaklık koşullarında büyütülerek yapının belirtkenlerindeki değişim incelenmiş ve en iyi diyot eğrisi saptanmıştır. Ayrıca yapının akım-iletim mekanizmasının çok-adımlı tünelleme olduğu ve yüzey durumlarının en iyi diyot için 6.93x10 10 cm -2 ev -1 olduğu hesaplanmıştır. Nisan 2010, 101 sayfa Anahtar Kelimeler : p-i-n, Heteroeklem, Sol-jel, Optiksel özellikler, Elektriksel belirtkenler, Arayüzey durumları. i

7 ABSTRACT Ph. D. Thesis ELECTRICAL AND OPTICAL PROPERTIES OF COPPER OXIDE/ZINC OXIDE/ATO HETEROJUNCTION DEVİCES Figen ÖZYURT KUŞ Ankara University Graduate School Natural and Applied Sciences Department of Engineering Physics Supervisor : Prof. Dr. Tülay SERİN In this study, it was aimed to investigate the effect of the interface states on the electrical properties of p-cuo/i-zno/n-ato structures prepared by sol-gel dip coating method. For this reason, firstly the layer of structure which consist of CuO, ZnO and ATO thin films deposited on glass substrates. It was investigated that the optical properties of films via UV-Vis-NIR spectroscopy, structural properties of films via XRD spectroscopy, electrical properties of films via current-voltage (I-V) measurements and morphologic properties of films via atomic force microscophy (AFM) images. The optical band gap and activation energy of films for CuO, ZnO and ATO is found as ev, ev, 3.9 ev and 158 mev, , 0.81 mev respectively. Investigated films on glass substrate which were deposited one on top of the other at the same condition so that p-cuo/i-zno/n-ato structures were formed. I-V-T and C-V-T characteristics of structures were measured. It is observed from I-V measurements that the structures showed diode properties. The variation of the electrical characteristics of structure was investigated via ZnO layer deposited among at different annealing temperature and the best diode curve was determined. Also, it is observed that the current transport mechanism of structure was multistep tunnelling and it is calculated that the interface states of the best diode is 6.93x10 10 cm -2 ev -1. April 2010, 101 pages Key Words : p-i-n, Heterojunctions, Sol-gel, Optical properties, Electrical characteristics, Interface states. ii

8 TEŞEKKÜR Bana bu çalışmamda araştırma imkanı sunan, çalışmalarıma büyük ilgi gösteren ve yönlendiren, bilgi ve tecrübelerini esirgemeyen danışman hocam Prof. Dr. Tülay SERİN e (Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı), karşılaştığım teknik sorunlarda gösterdiği çözüm yolları ve yardımlarından dolayı Prof. Dr. Necmi SERİN e (Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı), tez izleme komitesindeki öneri ve katkılarından dolayı Prof. Dr. Basri Ünal a (Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı), Prof. Dr. Arsın Şener AYDINURAZ a (Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı) ve Prof. Dr. Mehmet ZENGİN e (Fizik Anabilim Dalı), laboratuvar çalışmalarımda yardımlarını esirgemeyen Prof. Dr. Ali GENCER e (Fizik Anabilim Dalı), Doç. Dr. Hüseyin SARI ya (Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı), Dr. Osman PAKMA ya, Özge HASANÇEBİ ye, Nurcan YILDIRIM a ve Sibel GÜRAKAR a, XRD ölçümlerindeki yardımlarından dolayı Ercüment YÜZÜAK a, AFM ölçümlerindeki yardımlarından dolayı Prof. Dr. Yalçın ELERMAN a (Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı) ve Murat YAVUZ a, çalışmalarım süresince manevi desteğini esirgemeyen, birçok fedakarlık göstererk beni destekleyen, sevgisiyle beni hayata bağlayan canım annem Fadime ÖZYURT a, karşılaştığım zorlukları aşmamda beni sürekli cesaretlendirip, sevgisiyle bana destek olan sevgili eşim Özgür Ecevit KUŞ a, neşe ve sevgileriyle hayatıma zevk katan yeğenlerim Simge ÇAĞLAYAN a ve Yağmur YILMAZ a, sevgileriyle bana destek olan ablalarım Filiz ÇAĞLAYAN ve Banu ÖZYURT YILMAZ a, bana inancını hiçbir zaman yitirmeyen ve bana güvendiğini herzaman dile getiren rahmetle andığım canım babam Birol ÖZYURT a en derin duygularımla teşekkürlerimi sunarım. Bu tez çalışması AU-BAP numaralı proje kapsamında Ankara Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP) tarafından desteklenmiştir. Figen ÖZYURT KUŞ Ankara, Nisan 2010 iii

9 İÇİNDEKİLER ÖZET... i ABSTRACT... ii TEŞEKKÜR... iii SİMGELER DİZİNİ... vii KISALTMALAR... xi ŞEKİLLER DİZİNİ... xii ÇİZELGELER DİZİNİ... xv 1. GİRİŞ KURAMSAL TEMELLER Heteroeklem Yapı İnce film heteroeklem p-n heteroeklem p-n heteroeklem bant yapısı p-i-n heteroeklem p-n heteroeklemin elektriksel özellikleri p-n heteroeklemin akım-iletim mekanizmaları Difüzyon modeli Emisyon modeli Emisyon-yeniden birleşme modeli Tünelleme modeli Tünelleme-yenidenbirleşme modeli p-n heteroeklemin kapasite-gerilim (C-V) belirtkenleri p-n heteroeklemin kapasite-frekans (C-f) belirtkenleri İnce Filmlerde Kalınlık Hesabı Yasak Bant Aralığı Enerjisi E g nin Bulunması İnce Filmlerde Elektriksel İletkenlik İnce Filmlerin Aktivasyon Enerjileri MATERYAL ve YÖNTEM Antimon Katkılı Kalay Oksit İnce Film Özellikleri Çinko Oksit İnce Film Özellikleri iv

10 3.3 Bakır Oksit İnce Film Özellikleri Sol-Jel Yöntemi Daldırma (Dip coating) yöntemi Alt Tabakanın Temizlenmesi İnce Filmlerin Hazırlanması ATO ince filminin hazırlanması ATO ince filmi için sol-jel çözeltisinin hazırlanması ATO filmlerin kaplanması ZnO ince filmlerin hazırlanması ZnO ince filmi için sol-jel çözeltisinin hazırlanması ZnO filmlerin kaplanması CuO ince filminin hazırlanması CuO ince filmi için sol-jel çözeltisinin hazırlanması CuO filmlerin kaplanması Elektriksel Ölçümler için Numunelerin Hazırlanması p-cuo/i-zno/n-ato Yapılarının Hazırlanması Deneyde Kullanılan Cihaz ve Düzenekler ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA Filmlerin Yapısal Özelliklerinin İncelenmesi ATO filminin yapısal özelliklerinin X ışını kırınımı yöntemiyle incelenmesi ZnO filminin yapısal özelliklerinin X ışını kırınımı yöntemiyle incelenmesi CuO filminin yapısal özelliklerinin X ışını kırınımı yöntemiyle incelenmesi İnce Filmlerin Optiksel Özelliklerinin Hesaplanması ATO ince filminin yasak enerji bant aralığının bulunması ZnO ince filmlerinin yasak enerji bant aralıklarının bulunması ZnO ince filmlerin yüksek frekans kırılma indislerinin ve dielektrik sabitlerinin bulunması CuO ince filminin yasak enerji bant aralığının bulunması Filmlerin Elektriksel Özelliklerinin İncelenmesi v

11 4.3.1 ATO ince filminin aktivasyon enerjisinin bulunması ZnO ince filmlerinin aktivasyon enerjilerinin bulunması CuO ince filmlerin aktivasyon enerjisinin bulunması ZnO İnce Filmlerinin Atomik Kuvvet Mikroskobu Görüntüleri p-cuo/i-zno/n-ato Heteroeklemin Bant Yapısı ATO/ZnO/CuO Yapılarının Elektriksel Belirtkenleri Akım-gerilim (I-V) ölçümleri Kapasite-gerilim (C-V) ölçümleri Kapasite-frekans (C-f) ölçümleri ATO/ZnO/CuO Yapıların Yüksek Sıcaklık Elektriksel Belirtkenleri Akım-gerilim belirtkenleri Kapasite-gerilim belirtkenleri p-cuo/i-zno/n-ato Heteroeklem Yapıların Düşük Sıcaklık Akım-Gerilim (I-V) Belirtkenleri SONUÇ KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ vi

12 SİMGELER DİZİNİ A Kontak alanı C Eklem kapasitesi c Işık hızı C HF C LF C i C 6 H 15 N C 2 H 5 OH CH 3 CHOHCH 3 cm Yüksek frekans kapasitesi Alçak frekans kapasitesi Yalıtkan tabaka kapasitesi Trietilamin Etanol İzopropanol Santimetre (CH 3 COO) 2 Cu.H 2 O Bakır (II) asetat CH 3 CHOH-COOH Laktik asit CuKα Bakır Kα radyasyonu CuO Bakır II oksit Cu 2 O Bakır I oksit d Film kalınlığı d hkl D D np E a E an E ap E c E cn E cp E f E fn E fp E g E gn Düzlemler arası mesafe Kristal boyutu p tipi yarıiletken içindeki elektronların difüzyon katsayısı Aktivasyon enerjisi n tipi yarıiletkenin aktivasyon enerjisi p tipi yarıiletkenin aktivasyon enerjisi İletkenlik bant kenarı enerjisi n tipi yarıiletkenin iletkenlik bant kenarı enerjisi p tipi yarıiletkenin iletkenlik bant kenarı enerjisi Fermi seviyesi n tipi yarıiletkenin Fermi seviyesi p tipi yarıiletkenin Fermi seviyesi Yarıiletkenin yasak enerji bant aralığı n tipi yarıiletkenin yasak enerji bant aralığı vii

13 E gp E v E vn E vp ev F g h Hz I I f I 0 J k k K l m * n n N a N ap N c N d N dn N v N IS ± N IS nm q Q IS Q 1,2 p tipi yarıiletkenin yasak enerji bant aralığı Değerlik bant kenarı enerjisi n tipi yarıiletkenin değerlik bant kenarı enerjisi p tipi yarıiletkenin değerlik bant kenarı enerjisi Elektron volt Farad (Kapasite birimi) Yerçekimi ivmesi Planck sabiti Hertz (Frekans birimi) Akım Düz beslem akımı Doyma akımı Elektriksel akım yoğunluğu Boltzmann sabiti Sönüm katsayısı Kelvin (Termodinamik sıcaklık) Filmin boyu Etkin kütle İdeallik faktörü Kırılma indisi Alıcı yoğunluğu p-tipi yarıiletkendeki alıcı (akseptor) yoğunluğu, İletkenlik bantındaki etkin taşıyıcı yoğunluğu Verici yoğunluğu n-tipi yarıiletkendeki verici (donor) konsantrasyonu Değerlik bantındaki etkin taşıyıcı yoğunluğu Ara yüzey durumları Dolu ara yüzey durumları Nanometre Elektrik yükü Ara yüzey yükü Herbir yarıiletken uzay yük bölgesindeki net yük viii

14 R Optiksel yansıma s Saniye Sb Antimon SbCl 3 Antimon triklorid SnCl 2.2H 2 O Kalay klorür T Alttabaka sıcaklığı T Optiksel geçirgenlik V Uygulanan gerilim V Düz örgü hacmi V d V dn V dp V u w ω x n x p Toplam difüzyon potansiyeli n tipi yarıiletkenin difüzyon potansiyeli p tipi yarıiletkenin difüzyon potansiyeli Katkısız bölge üzerine düşen gerilim Filmin eni Radyan (açısal) frekans n-tipi yarıiletkendeki tüketim bölgesi genişliği p-tipi yarıiletkendeki tüketim bölgesi genişliği Zn(CH 3 COO) 2.2H 2 O Çinko asetat ZnO Çinko oksit α Soğurum katsayısı π Pi sayısı η Sıvının akışkanlığı γ Likid-buhar yüzey gerilimi θ Bragg açısı λ Dalgaboyu ε n ε p ε u ε s ε 0 ε n tipi yarıiletkenin dielektrik sabiti p tipi yarıiletkenin dielektrik sabiti Katkısız bölgenin dielektrik sabiti Yarıiletkenin dielektrik sabiti Boşluğun dielektrik sabiti Yüksek frekans dielektrik sabiti ix

15 ε ε ε Gerçel dielektrik sabiti Sanal dielektrik sbiti Elektrik alan µ n n tipi yarıiletkenin mobilitesi µ p p tipi yarıiletkenin mobilitesi λ X-ışını dalgaboyu Ω Ohm ρ Yük yoğunluğu σ Elektriksel iletkenlik β Maksimum kırınım çizgisinin yarı genişliği τ np τ Q C Santigrat derece Å Angstrom Φ İş fonksiyonu Φ n Φ p χ χ n χ p E c E v υ υ xen p tipi yarıiletken içindeki elektronların yaşam süresi Ara yüzey yükünün durulma zamanı sabiti n tipi yarıiletkenin iş fonksiyonu p tipi yarıiletkenin iş fonksiyonu Elektron ilgisi n tipi yarıiletkenin elektron ilgisi p tipi yarıiletkenin elektron ilgisi İletim bantı süreksizliği Değerlik bantı süreksizliği Alttabaka hızı Elektronların ortalama hız bileşeni x

16 KISALTMALAR AFM Atomik kuvvet mikroskopu ATO Antimony Tin oxide (Antimon katkılı kalayoksit) C-V Kapasite-gerilim I-V Akım-gerilim UV-Vis-NIR Ultra viole-visible-near infrared (Mor ötesi-görünür-yakın kızılötesi) XRD X-ışını kırınımı xi

17 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 2.1 Yalıtılmış iki farklı yarıiletkenin eklem oluşturmadan önceki bant yapısı... 7 Şekil 2.2 Bir p-n heteroeklemin eklem oluştuktan sonraki bant yapısı (Isısal dengede)... 8 Şekil 2.3 Arayüzey durumlarının pozitif ve negatif yüklendiğinde oluşan p-n heteroeklemin bant yapısı... 8 Şekil 2.4 Ani p-n heteroeklemler için yarı-logaritmik akım-voltaj belirtkenleri Şekil 2.5 Ani p-n heteroeklemler için emisyon-yeniden birleşme modelinin şematik gösterimi Şekil 2.6 Anderson un enerji bant diagramına bağlı tünelleme modelinin şematik gösterimi Şekil 2.7 Üç farklı sıcaklıkta bir p-n heteroeklemin logi-v grafiği Şekil 2.8 Bir p-n heteroeklemin ileri beslemde tek adım ve çok adımlı tünelleme yeniden birleşme işleminin şematik gösterimi Şekil 2.9 Bir ince filmin geçirgenlik-dalgaboyu eğrisi Şekil 2.10 Üzerinden I akımı geçen ince filmin şematik gösterimi Şekil 3.1 Daldırma yöntemi film oluşum aşamaları Şekil 3.2 ATO ince filmi için sol-jel çözeltisi hazırlama ve film kaplama aşamaları Şekil 3.3 ZnO ince filmi için sol-jel çözeltisi hazırlama ve film kaplama aşamaları Şekil 3.4 CuO ince filmi için sol-jel çözeltisi hazırlama ve film kaplama aşamaları Şekil 3.5 İki nokta yöntemi ile iletkenlik ölçülmek üzere hazırlanan numune Şekil 3.6 p-cuo/i-zno/n-ato yapısı Şekil 3.7 Oda ve yüksek sıcaklık I-V belirtkenleri ölçüm sistemi Şekil 3.8 Oda ve yüksek sıcaklık C-V belirtkenleri ölçüm sistemi Şekil 3.9 Oda ve düşük sıcaklık I-V belirtkenleri ölçüm sistemi Şekil 4.1 ATO ince filmine ait X-ışını kırınım deseni Şekil 4.2 F1, F2 ve F3 ince filmlerine ait X-ışını kırınım desenleri Şekil 4.3 F5, F6, F7 ve F8 ince filmlerine ait X-ışını kırınım desenleri Şekil 4.4 CuO ince filmine ait X-ışını kırınım deseni Şekil 4.5 Hazırlanan ATO ince filminin geçirgenlik-dalgaboyu eğrileri Şekil 4.6 Hazırlanan ATO ince filminin (αhν) 2 - hυ grafiği Şekil 4.7 F1, F2, F3 ve F4 ince filmlerin geçirgenlik-dalgaboyu eğrileri xii

18 Şekil 4.8 F5, F6, F7 ve F8 ince filmlerin geçirgenlik-dalgaboyu eğrileri Şekil 4.9 F1, F2, F3 ve F4 ince filmlerin (αhν) 2 - hυ grafiği (F1 sol eksen diğerleri sağ eksen) Şekil 4.10 F5, F6, F7 ve F8 ince filmlerin (αhν) 2 - hυ grafiği Şekil 4.11 F5, F6, F7 ve F8 ince filmlerin n-λ grafiği Şekil 4.12 F5, F6, F7 ve F8 ince filmlerin (n 2 -k 2 ) - λ 2 grafiği Şekil 4.13 C1 ve C2 ince filmin geçirgenlik-dalgaboyu eğrileri Şekil 4.14 C1 ve C2 ince filmin (αhν) 2 - hυ grafiği Şekil 4.15 A1 ince filminin lnσ -1/T grafiği Şekil 4.16 F1, F2 ve F3 ince filmlerin 1V taki I-T grafiği (F3 sağ eksen diğerleri sol eksen) Şekil 4.17 F1, F2 ve F3 ince filmlerin lnσ -1/T grafiği (F3 sağ eksen diğerleri sol eksen) Şekil 4.18 C1 ince filminin 1V taki I-T grafiği Şekil 4.19 C1 ince filminin lnσ -1/T grafiği Şekil 4.20.a. F5, b. F6, c. F7 ve d. F8 ince filmlerinin 2-boyutlu AFM görüntüleri Şekil 4.21.a. F5, b. F6, c. F7 ve d. F8 ince filmlerinin 3-boyutlu AFM görüntüleri Şekil 4.22 FO2 yapısını oluşturan oksitlerin denge enerji bant diagramları Şekil 4.23 FO2 yapısının eklem oluştuktan sonraki bant yapısı Şekil 4.24 ATO/ZnO/CuO yapılarının oda sıcaklığı I-V belirtkenleri Şekil 4.25 ATO/ZnO/CuO yapılarının oda sıcaklığı lni-v grafikleri Şekil 4.26 ATO/ZnO/CuO yapılarının oda sıcaklığı 100 khz deki C-V belirtkenleri Şekil 4.27 ATO/ZnO/CuO yapılarının oda sıcaklığı 100 khz deki C -2 -V grafikleri (FO2 sağ eksen, diğerleri sol eksen) Şekil 4.28 FO2 yapısının oda sıcaklığındaki C-f grafiği Şekil 4.29 FO5 yapısının sıcaklığa bağlı I-V belirtkenleri ( T=10 K) Şekil 4.30 FO5 yapısının sıcaklığa bağlı lni-v grafikleri ( T=10 K) Şekil 4.31 FO5 yapısının sabit gerilim değerlerindeki lni-t grafikleri ( V=0.2V) Şekil 4.32 FO5 yapısının I /T grafiği Şekil 4.33 FO2 yapısının lni 0 -T grafiği Şekil 4.34 FO2 yapısının sıcaklığa bağlı C -2 -V grafiği xiii

19 Şekil 4.35 FO2 yapısının sıcaklığa bağlı I-V belirtkenleri ( T 10 K) Şekil 4.36 FO2 yapısının sıcaklığa bağlı lni-v grafikleri ( T 10 K) Şekil 4.37 FO2 yapısının sabit gerilim değerlerindeki lni-t grafikleri ( V=0.1V) Şekil 4.38 FO2 yapısının lni /T grafiği Şekil 4.39 FO2 yapısının lni 0 -T grafiği xiv

20 ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 3.1 Sol-jel yönteminin olumlu ve olumsuz yönleri Çizelge 3.2 Cam yüzeyine kaplanmış ATO filmlerin hazırlanma şartları Çizelge 3.3 Cam yüzeyine kaplanmış ZnO filmlerin hazırlanma şartları Çizelge 3.4 Cam yüzeyine kaplanmış CuO filmlerin hazırlanma şartları Çizelge 3.5 p-cuo/i-zno/n-ato yapılarının hazırlama şartları Çizelge 3.6 Deneylerde kullanılan cihazlar Çizelge 4.1 A1, F2, F5, F6, F7, F8 ve C1 ince filmlerinin örgü parametreleri, düzlemler arası mesafeleri ve kristal boyutları Çizelge 4.2 ATO, ZnO ve CuO ince filmlerinin kalınlık ve E g yasak enerji bant aralığı Çizelge 4.3 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış ZnO ince filmlerin optiksel parametreleri Çizelge 4.4 A1, F1, F2, F3 ve C1 ince filmlerin aktivasyon enerjileri Çizelge 4.5 F1, F2, F3 ve F4 ince filmlerinin ortalama tanecik boyutları ve pürüzleri Çizelge 4.6 ATO/ZnO/CuO yapılarının I f /I r, I 0, A ve n değerleri Çizelge 4.7 ATO/ZnO/CuO yapılarının V d ve N a değerleri Çizelge 4.8 FO2 yapısının I 0, A ve n değerleri Çizelge 4.9 FO2 yapısının sıcaklığa bağlı V d ve N a değerleri Çizelge 4.10 FO2 yapısının I 0, A ve n değerleri xv

21 1. GİRİŞ Bir çok elektronik ve optoelektronik aygıtta p-n eklemler kullanılır. Metal oksit yarıiletkenler oksijen veya metal atomlarının eksikliği ya da fazlalığından dolayı sahip oldukları kusurlar nedeniyle ya n tipi veya p tipi iletkenlik gösterir. Bu yarıiletkenlerin tipini oksit yarıiletken oluştuktan sonra katkı atomları yardımıyla değiştirmek mümkün değildir. Farklı tip oksit yarıiletkenler sadece oluşturulma aşamasında elde edilebilirler. Bundan dolayı oksit yarıiletkenlerden homoeklem yapılamaz fakat p tipi metal oksit üzerinde n tipi oksit yarıiletken büyütülerek p/n heteroeklem yapmak mümkündür. Metal oksit yarıiletkenlerin çoğu n tipidir. ZnO de geniş yasak enerji bant aralıklı (E g =3.3 ev), n tipi bir yarıiletkendir. CuO ise p tipi iletkenlik gösteren ender metal oksitlerden biridir ve dar yasak enerji bant aralığına sahiptir (E g = ev, Oral vd. 2004). Her iki oksit yarıiletken de düşük maliyette üretilebilen non-toksik, yüksek iletkenlik ve iyi optiksel özelliklere sahiptir. ZnO ve CuO ince filmler sol-jel daldırma yöntemi, püskürtme, sputtering, kimyasal buharlaştırma gibi çeşitli yöntemlerle elde edilebilirler. CuO, optiksel özellikleri dikkate alındığında güneş pili üretiminde soğurucu tabaka olarak kullanılmaya uygun bir yarıiletkendir (Oral vd. 2004). Yüksek güneş ışığı emiciliği ve düşük ısısal dirence sahip olmasından dolayı güneş soğurucu olarak çekicidir (Yoon vd. 2000). ZnO bazlı materyaller, piezoelektrik transducer, güneş pilleri, morötesi dedektörler ve yarıiletken lazerler, gibi birçok optoelektronik cihazların potansiyel uygulamalarında kullanılmaktadır. Son zamanlarda, birçok bilimadamı optoelektronik alanlardaki uygulamalarına, özellikle mavi ve morötesi lazer ve ışık yayan diyodlara (LED) odaklanmışlardır. Katkısız ZnO, düz panel göstergeleri ve güneş pillerindeki gibi geçirgen iletken elektrot uygulamalarında kullanılan bir malzemedir (Baik ve Cho 1999). Ayrıca ZnO ve katkılı ZnO filmlerin her ikisi de, optoelektronik gösterge aygıtlarında (Chopra ve Ranjon 1983) ve ultra-yüksek frekanslı elektro-akustik transduserlerde (Hickermell 1976), gaz sensörlerinde (Uozumi vd. 1997, Yoon vd. 1

22 1998, Bae ve Choi 1999, Choi and Choi 2000, Hu vd. 2003, Aygün ve Cann 2005, Mridha ve Basak 2006) kullanılır. n-zno/p-cuo heteroeklemler son zamanlarda özellikle gaz sensörü olarak çalışılmıştır (Nakamura vd. 1986, Uozumi vd. 1997, Yoon vd. 1998, Bae ve Choi 1999, Choi ve Choi 2000, Hu vd. 2003, Aygün ve Cann 2005, Mridha ve Basak 2006). n-zno/p-cuo heteroeklemler presleme (Choi ve Choi 2000), spin coating (Bae ve Choi 1999), sıvı faz co-precipitation (Hu vd. 2003) ve katı hal sentezleme (Aygün ve Cann 2005) gibi çeşitli yöntemlerle elde edilebilirler den günümüze kadar yapılan çalışmalarda p-n ve p-i-n tipi yapıların akım iletim mekanizmaları incelenmiş çok-adımlı tünelleme, tünelleme-yeniden birleşme, termoiyonik emisyon, difüzyon gibi çeşitli modellere uygun oldukları gözlenmiştir yılında Sarma vd. (1984) p-pbse/n-si heteroyapısının akım-iletim mekanizmasının yeniden birleşme-tünelleme olduğunu; 1988 yılında Chu vd. (1988) n- CdS/p-CdTe heteroyapısının akım iletim mekanizmasının oda sıcaklığının altında tünelleme ve arayüzeyde yeniden birleşme olduğunu; Chaudhry (1991) β-sic/si, Dimitriadis (1991) β-fesi 2 /Si, Zhang vd. (2006) ZnO/Si, Serin vd. (2009) Cu 2 O/p-Si heteroyapılarında akım iletim mekanizmasının çok-adımlı tünelleme olduğunu; Nagpal vd. (1991) (p)asi-(n)gaas heteroyapısının ileri beslem akım iletim mekanizmasının yeniden birleşme, geri beslem akım iletim mekanizmasının arayüzeyde tünelleme olduğunu; Magafas vd. (1992) a-sic/c-si heteroyapısının akım iletim mekanizmasının 250 K nin altındaki sıcaklıklarda yeniden birleşme, 250 K nin üzerindeki sıcaklıklarda yeniden birleşme-difüzyon olduğunu; Bayhan ve Erçelebi (1997) n-cds/p-cdte heteroyapısının akım iletim mekanizmasının 280 K nin üzerindeki sıcaklıklarda arayüzeyde yeniden birleşme, 280 K nin altındaki sıcaklıklarda çok-adımlı tünelleme olduğunu; Niraula vd. (1998) CdTe/GaAs heteroyapısının akım iletim mekanizmasının çok-adımlı tünelleme-emisyon ve uzay yükü akımı olduğunu; Shigetomi ve Ikari (2000) GaSe/InSe heteroyapısının ileri beslem akım iletim mekanizmasının tüketim bölgesinde veya arayüzey durumlarında yeniden birleşme, geri beslem akım iletim mekanizmasının yaratılma ve yeniden birleşme olduğunu; 2001 yılında Riad vd. n- 2

23 CdS/p-InP heteroyapısının ileri beslem akım iletim mekanizmasının çok-adımlı tünelleme-emisyon, geri beslem akım iletim mekanizmasının yaratılma ile sınırlandığı; Pezoldth vd. (2001) SiC/Si heteroyapısının ileri beslem akım iletim mekanizmasının difüzyon ve yeniden birleşme olduğunu; Zhang vd. (2004) Cu 2 O/ZnO/ITO heteroyapısının akım iletim mekanizmasının tünelleme-yeniden birleşme olduğunu; El- Nahass vd. (2006) p-h 2 Pc/n-Si heteroyapısının akım iletim mekanizmasının çok adımlı tünelleme-yeniden birleşme olduğunu göstermişlerdir. Bu çalışmada p-cuo/i-zno/n-ato heteroyapıların elektriksel ve optiksel özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla önce ATO, CuO ve ZnO ince fimler cam alttabakalar üzerinde sol-jel yöntemiyle büyütülerek filmlerin yapısal, optiksel ve elektriksel analizleri yapılmıştır. Yarıiletken filmlerin yasak enerji bant aralıkları, aktivasyon enerjileri gibi parametreleri bulunarak yapının bant diagramı oluşturulmuştur. Daha sonra CuO/ZnO/ATO yapıların I-V-T ve C-V-T ölçümleri yapılmıştır. Yapının ideallik faktörü, difüzyon potansiyeli, I 0 doyma akımları gibi parametreleri bulunmuş, bu parametrelerin sıcaklığa karşı değişimlerinden yapının akım iletim mekanizması belirlenmiştir. Film hazırlama koşulları değiştirilerek ideallik faktörü, doğrultma çarpanı gibi parametreler iyileştirilmeye ve en iyi diyoda ulaşılmaya çalışılmıştır. 3

24 2. KURAMSAL TEMELLER 2.1 Heteroeklem Yapı İnce film heteroeklemler Son yıllarda elde edilmeleri kolay ve ucuz olan çok kristalli ince film heteroeklemler üzerinde araştırmalar yapılmaktadır. İnce filmler yıllardır püskürtme (sypral pyrolysis), taşlama (sputtering), buharlaştırma (evaporation), sol-jel (sol-gel) gibi birçok farklı teknikler kullanılarak farklı alttabakalar üzerinde büyütülmüşlerdir. İnce film heteroeklemlerin fiziği büyütülme esnasında oluşan bozukluklardan (grain sınırı, boşluk, safsızlık v.b.) dolayı çok karmaşıktır. Heteroeklemi meydana getiren iki yarıiletkenin örgü uyumsuzluğu ve ısısal yayılım katsayısındaki fark eklemde tuzaklar veya yeniden birleşme merkezleri gibi arayüzey durumlarını ortaya çıkarır. Arayüzey durumlarının büyüklüğüne ve grain sınırlarına bağlı olarak eklemde taşıyıcı iletimine karşı direnç oluşabilir. İnce film heteroeklemlerin performansı arayüzeyde yeniden birleşme işlemi, tanecik sınırları ve film direnci ile sınırlıdır. Heteroeklemlerdeki iletim çok iyi anlaşılamamıştır. Çok kristalli heteroeklem ince filmlerin elektriksel özellikleri enerji süreksizlikleri, arayüzey durumları ve grain sınırlarının bulunmasından dolayı karmaşıktır p-n heteroeklem Yasak enerji bant aralıkları farklı iki yarıiletken materyalin birleşmesiyle meydana gelen ekleme heteroeklem denir ve eklemin fiziği çeşitli uyumsuzluklardan dolayı oldukça karmaşıktır. Eklemdeki yapısal ve periyodik ani değişikliğin sebep olduğu örgü uyumsuzluğu, ısısal yayılım uyumsuzluğu ve bir bileşenden diğerine difüzyondan dolayı arayüzey enerji durumları oluşur. Taşıyıcı iletim özellikleri karakterize edilemez. Heteroeklemler bir materyalden diğerine geçiş uzunluklarına bağlı olarak ani (abrupt) ve kademeli (graded) olmak üzere ikiye ayrılabilirler. Ani heteroeklemde bu geçiş birkaç atomik uzaklıkta ( 1µm) gerçekleşirken, kademeli heteroeklemde bu geçiş birkaç difüzyon uzunluğunun üzerinde gerçekleşir. Heteroeklemler her iki tarafındaki 4

25 iletkenlik türüne göre de ikiye ayrılabilir. İki yarıiletken benzer tip iletkenlik içeriyorsa izotip, farklı tip iletkenlik içeriyorsa anizotip heteroeklem olarak adlandırılır. Heteroeklemler yasak enerji bant aralıklarının büyüklüklerine göre p-n veya n-p olarak adlandırılırlar. Yasak enerji bant aralığı küçük olan malzemenin tipi önce, geniş olan malzemenin tipi ise sonra söylenir. Yasak enerji aralığı küçük olan yarıiletken p-tipi, geniş olan yarıiletken n-tipi ise bu iki yarıiletken bir araya geldiğinde oluşan ekleme p-n eklem; yasak enerji aralığı küçük olan yarıiletken n-tipi geniş olan yarıiletken p-tipi ise bu iki yarıiletken bir araya geldiğinde oluşan ekleme ise n-p heteroeklem denir p-n heteroeklem bant yapısı İdeal bir heteroeklem için 1960 yılında Anderson tarafından bir model önerilmiş ve bu model heteroeklemler için temel oluşturmuştur. Bu modelde materyal özelliklerindeki ani değişimin ara yüzeyde süreksizlikleri oluşturduğu ve bunun eklemdeki taşıyıcı iletiminde önemli rol oynadığı kabul edilmiştir. Bu model arayüzey durumlarını ve çift kutup katmanlarını ihmal etmektedir. Pratikte, heteroeklemde arayüzey durumları eklemdeki örgülerin periodikliklerinin geniş bir alana yayılmasına, ısısal genişleme uyumsuzluğunun düşük olmasına ve bileşen elementlerinin difüzyonunu önlemek için büyütme sisteminin seçilmesine dikkat edilerek azaltılabilir. Heteroeklemin akım-iletim mekanizmasını anlamada arayüzey yakınlarındaki enerji bant profili önemli bir rol oynar. Prensipte herhangi bir heteroeklemin enerjisi ve profili, arayüzey durumlarının yokluğunda, heteroeklemi oluşturan iki yarıiletkenin elektron ilgisine (iletim bantının en alt seviyesindeki bir elektronu vakum seviyesine çıkarmak için gerekli olan enerji), yasak enerji aralığına ve iş fonksiyonuna (Fermi seviyesindeki bir elektronu vakum seviyesine çıkarmak için gerekli enerji) bağlıdır. Bu üç parametre arasında elektron ilgisi ve yasak enerji bant aralığı yarıiletkenin temel özellikleridir ve katkılamadan bağımsızdır. İş fonksiyonu ise katkılamayla değişir. Her iki yarıiletkenin Fermi enerji seviyeleri ısısal dengede eşitlenene kadar, n-tipi yarıiletkenin ekleme yakın bölgesindeki elektronları p-tipi yarıiletkene doğru, p-tipi yarıiletkenin ekleme yakın bölgesindeki deşikleri n-tipi yarıiletkene doğru hareket ederler. Elektronlar p-tipi yarıiletkene hareket ederken geride pozitif verici iyonları, 5

26 deşikler ise n-tipi yarıiletkene hareket ederken geride negatif alıcı iyonları bırakırlar. Bu p ve n tipindeki alıcı ve verici iyonlar değerlik ve iletim bandında bükülmelere sebep olur. Bu bükülme miktarına engel potansiyeli, difüzyon potansiyeli veya built-in potansiyeli denir. Toplam bükülme miktarı her iki yarıiletkenin iş fonksiyonları farkına eşittir. (2.1) Her bir yarıiletkenin elektron ilgileri ve yasak enerji bant aralıkları farklı olduğu için iletim ve değerlik bandında bir süreksizlik meydana gelir. İletim bandındaki süreksizlik; (2.2) ifadesiyle, değerlik bandındaki süreksizlik ise; (2.3) ifadesiyle hesaplanabilir. İki yalıtılmış yarıiletkenin eklem oluşturulmadan önceki bant yapısı Şekil 2.1 de gösterilmiştir. Bu bant yapısı χ n >χ p, Φ n <Φ p ve E gn >E gp olacak şekilde seçilerek çizilmiştir. E an ve E ap sırasıyla n-tipi ve p-tipi yarıiletkenin aktivasyon enerjileri (iletim bandı ve Fermi seviyeleri arasındaki enerji mesafesi) olup, katkılama miktarı değiştikçe değişebilir. Sırasıyla n-tipi ve p-tipi yarıiletkenin elektron ilgileri χ n, χ p ve yasak enerji aralıkları E gn, E gp katkılama miktarı ile değişiklik göstermez, sabittir. 6

27 VAKUM SEVİYESİ Φ p χ p χ n Φ n E cp E gp E c E an E cn E fn E vp E fp E ap E v E gn Şekil 2.1 Yalıtılmış iki farklı yarıiletkenin eklem oluşturmadan önceki bant yapısı (Φ : İş fonksiyonu, χ : Elektron ilgisi, E c : İletim bandı süreksizliği, E v : Değerlik bandı süreksizliği, E c : İletim bandı, E v : Değerlik bandı, E F : Fermi seviyesi, E a : Aktivasyon enerjisi) E vn Eklem oluştuktan sonraki bir p-n heteroeklemin bant yapısı Şekil 2.2 deki gibidir. Şekil 2.2 de arayüzey durumları ihmal edilmiştir. Arayüzey durumları etkisi dikkate alınırsa, bant diyagramı arayüzey durumlarındaki net yüke bağlı olarak değişir. Bu etki heteroeklemi oluşturan iki yarıiletkenin kristal yapılarında veya örgü sabitleri arasında büyük bir fark olduğu durumda daha baskındır. Arayüzey durumları göz önüne alındığında oluşan bant diyagramı Şekil 2.3 te gösterilmiştir. 7

28 VAKUM SEVİYESİ V dp V dn V d χ p χ n E cp E gp E c E an E vp E ap E gn E cn E f E v x p E vn Şekil 2.2 Bir p-n heteroeklemin eklem oluştuktan sonraki bant yapısı (Isısal dengede) W (Φ : İş fonksiyonu, χ : Elektron ilgisi, E c : İletim bandı süreksizliği, E v : Değerlik bandı süreksizliği, E c : İletim bandı, E v : Değerlik bandı, E F : Fermi seviyesi, E a : Aktivasyon enerjisi, V d : Difüzyon potansiyeli) x n p (+) n p (-) n Şekil 2.3 Arayüzey durumlarının pozitif ve negatif yüklendiğinde oluşan p-n heteroeklemin bant yapısı 8

29 Eklem; elektrostatik alan, uzay yük bölgesi ve bant kıvrımlarındaki değişimin tanımlanması ile daha detaylı karakterize edilebilir. Tüketim yaklaşımı, ısısal dengede arayüzey durumları olmaksızın ani heteroeklem geçisi olarak varsayılmaktadır - bu uzay yük bölgesinde hareketli serbest taşıyıcı yokluğunu ifade eder. Tek boyutlu Poisson eşitliği aşağıdaki gibidir. (2.4) Burada ε elektrik alan, ρ yük yoğunluğu, ε yarıiletkenin dielektrik sabiti, ε 0 boşluğun dielektrik sabiti, q elektrik yükü, n ve p sırası ile elektron ve deşik yoğunluğu, N d ve N a sırası ile n-tipi yarıiletkendeki verici yoğunluğu ve p-tipi yarıiletkendeki alıcı yoğunluğudur. Eklem bölgesindeki toplam potansiyel, V uygulanan gerilim olmak üzere: (2.5) şeklindedir. Poisson denkleminin çözümü: (2.6) (2.7) durumları için Poisson denkleminin integrali alınarak ve 9

30 (2.8) ve (2.9) olarak elde edilir (Roy 1988). Burada x n ve x p sırasıyla n-tipi ve p-tipi yarıletkendeki tüketim bölgesi genişliğidir. x=0 arayüzey pozisyonunu gösterir. Arayüzey durumları olmadığında; (2.10) dir. x n ve x p yi toplanırsa tüketim bölgesi genişliği W, (2.11) şeklinde elde edilir. Yapının birim alan başına kapasitesi her bir yarıiletkenin kapasitesinin seri eşdeğerinden (2.12) 10

31 olarak bulunur p-i-n heteroeklem p-i-n eklem p-n ekleme benzer, fakat n-tipi ve p-tipi arasında d kalınlığında bir safsızlık bölgesi veya katkılanmamış bir bölge içerir. Böyle bir yapı tüketim bölgesini büyütmek, örneğin tüketim bölgesinde optiksel soğurumu arttırmak için, istenildiğinde kullanılabilir. Fotodiyot ve güneş pillerinde verimi artırmak için p-i-n eklemler kullanılabilir. p-i-n ekleminin analizi de p-n ekleme benzer. Katkısız bölgenin üzerinde düşen potansiyel,v u, eklem potansiyeline eklenirse yarıiletken üzerinde düşen toplam potansiyel: (2.13) olur. Burada (2.14) (2.15) ve (2.16) 11

32 (2.17) dir. Tüketim bölgesi genişliği ve kapasite (2.18) (2.19) Eşitlik 2.13, 2.14, 2.15, 2.16 ve 2.17 kullanılarak x n için çözülürse; (2.20) elde edilir. Bu çözümleme x p için yapılırsa, yukardaki eşitlikte N d yerine N a, N a yerine N d, ε n yerine ε p, ε p yerine ε n yazılarak elde edilebilir. x n ve x p elde edilince p-i-n eklemin diğer tüm parametreleri elde edilebilir. Yapı boyunca düşen potansiyel; (2.21) (2.22) (2.23) 12

33 şeklindedir. Burada x=-x n de potansiyelin sıfır olduğu varsayılmıştır ( 2009) p-n heteroeklemin elektriksel özellikleri Yapının elektriksel özelliklerini belirleyen akım-gerilim ve kapasite-gerilim belirtkenleridir. Bu belirtkenler yardımıyla yapının difüzyon potansiyeli, ideallik faktörü, taşıyıcı yoğunlukları gibi parametreleri bulunur ve aynı zamanda cihazın kullanılabilirliğini belirlemeyi de sağlar. Bu özellikler bir heteroyapının yapılış şekline ve yapıyı oluşturan iki yarıiletkenin katkılama miktarına kuvvetli bir şekilde bağlıdır p-n eklemin akım-iletim mekanizmaları Difüzyon Emisyon Emisyon-Yeniden birleşme Tünelleme Tünelleme-Yeniden birleşme p-n heteroeklemlerin akım-gerilim belirtkenlerini açıklamak için kullanılan modellerdir. İleri beslem akım-gerilim belirtkenleri (2.24) ifadesiyle verilir. Burada A ve I 0 sırasıyla mekanizmaya bağlı olarak değişen bir sabit ve doyma (saturasyon) akımı ve V uygulanan gerilimdir. İleri beslem standart diyot eşitliği (2.25) 13

34 ifadesiyle verilir. Burada q elektriksel yük, k Boltzmann sabiti, T mutlak sıcaklık ve n ideallik faktörüdür Difüzyon modeli Bu model ilk olarak Anderson (1962) tarafından geliştirilmiş ve daha sonra çift kutup ve arayüzey durumları ihmal edilerek diğerleri tarafından kullanılmıştır. Bu modelde Anderson, arayüzeyde bant süreksizlikleri olduğu ve difüzyon akımının hemen hemen elektron ve deşiklerden kaynaklandığını kabul etmiştir. p-n heteroeklemlerde baskın akım taşıyıcıları elektron geçişi için olan engel, deşik geçişi için olan engelden küçük olduğu için elektronlardır. Yaratılma ve yeniden birleşme akımı ihmal edilirse, akım-gerilim ilişkisi: (2.26) burada V p ve V n uygulanan voltajın p ve n tipi yarıiletken üzerinde düşen kısımları, k Boltzmann sabiti, T mutlak sıcaklık ve dir. Burada X elektronların arayüzeyi geçiş katsayısı, a eklem alanı ve D np ve τ np sırasıyla p tipi yarıiletken içindeki elektronlar için difüzyon katsayısı ve yaşam süresidir. Eşitlik 2.26 daki parantez içindeki ilk terim ileri beslem akımı için, ikinci terim ise ters beslem akımı için önemlidir. Eğer ise olur ve akım ileri ve geri beslemde gerilimle üstel olarak değişir Emisyon modeli Bu model emisyon akımlarının değerlendirildiği klasik kinetik model ile tüketim bölgesi kenarlarında oluşan azınlık taşıyıcı dağılımının değerlendirildiği difüzyon 14

35 modelini birleştirmektedir. Örneğin, taşıyıcı iletiminin elektronlara bağlı olduğu ani p-n heteroeklem durumunda akım-voltaj belirtkenleri için iki farklı işletim modu tahmin edilebilir: Tüketim bölgesi kenarında oluşan azınlık taşıyıcının akımı sınırlandığı bir işletim ve heteroeklemin n tipine ait potansiyel engeli tarafından akımın sınırladığı metal-yarıiletken işletim tipi. Uzay yük bölgesi dışında p-tipi malzemenin iletim bandının altında spike oluşması durumunda ilk tip işleme baskınken, eklem arayüzeyinde geniş ters beslem potansiyel engeli olduğunda ikinci işletim tipi baskındır. Uzay yük bölgesindeki yaratma ve yeniden birleşme ihmal edildiğinde p-n heteroeklemler için akım-gerilim belirtkenlerinin analitik ifadesi (2.27) ile verilir. Burada (2.28) p-n homoeklemler için Shockley tarafından önerilen elektron doyma akımıdır ve (2.29) emisyonla sınırlı akım ifadesidir. Burada V uygulanan gerilim, a eklem alanı, N dp ve N dn sırasıyla p ve n tipi materyaller için denge verici atomlarının yoğunluğu, n-tipi materyaldeki elektronların ortalama hız bileşeni, n- tipi materyaldeki elektronun etkin kütlesi, V F ileri beslem engel, D np ve τ np sırasıyla p- tipi materyaldeki elektronların difüzyon sabiti ve yaşam süresi ve X m geçirgenlik katsayısıdır. Şekil 2.4 te grafiksel olarak gösterilen teorik akım-gerilim belirtkenlerinde 15

36 kritik V T geriliminin üzerinde akımın azalması Schottky emisyon göstermektedir. sonuçlarını EKLEM AKIMININ LOGARİTMASI Log I d[0] Log I S EMİSYONLA SINIRLI AKIM DİFÜZYONLA SINIRLI AKIM V T UYGULANAN GERİLİM V Şekil 2.4 Ani p-n heteroeklemler için yarı-logaritmik akım-gerilim belirtkenleri Emisyon-yeniden birleşme modeli Bu model engelden ısısal yaymayla arayüzeye ulaşan elektron ve deşiklerin arayüzeyde yeniden birleşmesi ve arayüzeyde kuvvetli örgü dağılımına sahip ince bir tabaka olması yaklaşımına dayanılarak Dolega (1963) tarafından önerilmiştir. Arayüzeyde çok hızlı yeniden birleşme bu tabakadan daha geniş uzay yük bölgesi olmadıkça herhangi bir doğrultma oluşmayacak anlamına gelmektedir. Bu model için şematik olarak düzenlenen ani p-n heteroeklem denge bant diagramı Şekil 2.5 te gösterilmiştir. Bu modele göre p-n heteroeklem uygulanan gerilime bağlı olarak akım taşıyıcılarının sınır yoğunluklarına sahip aynı iki metal-yarıiletkenin seri olarak bağlanmasından oluşur. 16

37 E g1 - + ARAYÜZEY DURUMLARI E g2 d Şekil 2.5 Ani p-n heteroeklemler için emisyon-yeniden birleşme modelinin şematik gösterimi İleri beslem akım-gerilim belirtkenlerinin genel özelliklerini açıklamak için Dolega nın karmaşık ifadesi VanOpdorp (1964) tarafından basit bir formda (2.30) şeklinde yeniden yazılmıştır. Burada (2.31) ve B sıcaklığa zayıf olarak bağlıdır. β iki yarıiletkendeki safsızlık yoğunluğunun oranına bağlıdır. Logaritmik ileri beslem belirtkenlerinin doğrusal (lineer) bölgesinin eğimi q/kt ve q/2kt arasındadır (β değeri 1 ve 2 arasındadır). Bu model de ters beslem akımı gerilimle (ters beslem direnci maksimumken) üstel olarak artar. Bu model ikinci modeldeki yeniden birleşme durumlarının uzayda eşitçe dağılması, kesin iyonlaşma enerjisine sahip olması, ilk modeldeki sürekli enerji dağılımına sahip 17

38 olması ve arayüzeyde çok dar bir alanda sınırlanması hariç tutulduğunda homoeklemler için Sah vd. (1957) modeliyle temelde benzerdir (Sharma ve Purohit 1974) Tünelleme modeli Tünelleme mekanizması ani p-n heteroeklemin akım-gerilim karakteristiklerini tanımlamak için ilk olarak Rediker vd. (1964) tarafından tanıtılmıştır. Price ın (1962) analizini temel alarak elektronların n-tipinden p-tipine akışı için n-tipi geniş yasak enerji bant aralıklı malzemedeki potansiyel engelini aşması veya tünellemesi gerekmektedir. Tünelleme modelinin Anderson un enerji bant modeline bağlı olarak şematik gösterimi Şekil 2.6 da verilmiştir. Düz beslemde elektronların bu akışı temelde engel üzerinden ısısal emisyon veya engelden tünelleme yapması geniş bir kapsamda n- tipi malzemenin özelliklerine dayanmaktadır. X 2 X 1 - (1-α)V E b (x) E b (max) αv Şekil 2.6 Anderson un enerji bant diagramına bağlı tünelleme modelinin şematik gösterimi Şekil 2.6 da gösterilen durum için, klasik WKB yaklaşımı ve iletim bantının tabanından tünelleme olduğunu düşünürsek, ileri beslemde bandın tabanında tünelleyen elektron için olasılık ifadesi T, 18

39 (2.32) ile verilir. Burada E b (x) iletim bandı tabanının üzerinde harhangi bir x noktasındaki engel yüksekliği, αv geniş yasak enerji bant aralıklı n-tipi yarıiletkenin iletim bandını * yükseltmekte etkili olan uygulanan gerilimin kesitidir. m n n-tipi malzemedeki elektronların etkin kütlesi, q elektronik yük ve h Plank sabiti olmak üzere ħ=h/2π dir. E b (x) in x e bağlı bir fonksiyon olduğu düşünülürse, o zaman yukardaki eşitliğin çeşitli çözümleri elde edilebilir. x e doğrusal bağlı olduğu durumda, Rediker ve arkadaşları yaklaşık olarak (2.33) sonucunu elde etmişlerdir. Burada E b (max) sıfır beslemde iletim bandının tabanına göre maksimum engel yüksekliğidir. Tünelleme akımı, tünelleme olasılığı ile ani elektron akısının çarpımına eşittir. Bununla beraber bu modelde elektronların pekçoğu engeli ısısal emisyonla aşar, ileri beslemde akım-gerilim belirtkenlerinin genel ifadesi (2.34) ile verilebilir. Burada V 0 bir sabit ve I 0 (T) sıcaklığın zayıf bir fonksiyonudur. Şekil 2.7 de farklı sıcaklıklarda p-n heteroeklemler için lni nın gerilime karşı grafiği gösterilmiştir. 19

40 I s { T 1 TÜNELLEME MEKANİZMASI T 2 T 1 >T 2 >T 3 T 3 V T V Şekil 2.7 Üç farklı sıcaklıkta bir p-n heteroeklemin logi-v grafiği Newman (1965) I 0 (T) nin exp(t/t 0 ) ile orantılı olduğunu gösteren ilk kişidir. I 0 (T) için bu yaklaşımı kullanılarak akım ifadesi (2.35) şeklinde yeniden yazılabilir. Burada I 00, T 0 ve V 0 sabittir. Yukarıdaki ifade i. Gerilim ve sıcaklığın ayrı değişkenler olduğunu ( sıcaklıktan bağımsızdır) ii. Sıcaklığa bağımlılığın üstel ( ) olduğunu göstermektedir (Sharma ve Purohit 1974) Tünelleme-yeniden birleşme modeli Bu modelde elektronlar geniş enerji bant aralıklı materyalin (n-tipi) iletim bantından dar enerji aralıklı (p-tipi) materyalin boş arabant durumlarına tüneller ve deşiklerle yeniden birleşir veya deşikler p-tipi materyalden n-tipi materyalin boş durumlarına tüneller ve 20

41 burada elektronlarla yeniden birleşir (Şekil 2.8). Eğer tünelleme iletim bandının tabanından veya değerlik bandının üst sınırından oluyorsa, bu işlem ileri beslem akımının: (2.36) formunda olduğunu gösterir. Burada B gerilim ve sıcaklığın zayıf bir fonksiyonu, V d difüzyon potansiyeli, V uygulanan gerilim ve α yasak bölgedeki elektronun etkin kütlesine, dielektrik sabitine, denge taşıyıcı yoğunluğuna ve engelin tam şekline bağlıdır. Geçiş bölgesinde doğrusal engel yaklaşımı için ve tünelleme n-tipi malzemeden oluyorsa α; (2.37) şeklindedir. Burada m n *, ε n ve N Dn değerleri n-tipi materyali değerleridir. E g1 E g2 Şekil 2.8 Bir p-n heteroeklemin ileri beslemde tek adım ve çok adımlı tünelleme yeniden birleşme işleminin şematik gösterimi 21

42 p-n heteroeklemin kapasite-gerilim (C-V) belirtkenleri Ani heteroeklemin denge bant diagramını tanımlarken ve elektriksel özelliklerini incelerken arayüzey durumları önemli rol oynar. Ters beslemin bir fonksiyonu olarak eklem kapasitesinin ölçülmesi (C=dQ/dV), heteroeklemde yük dağılımı ve tüketim bölgesi potansiyelinin analizi için güçlü bir deneysel teknik olarak sıksık kullanılır. İletkenlik tipleri farklı iki yarıiletken eklem oluşturmak için biraraya getirildiğinde, Fermi seviyeleri eşitleninceye kadar (ısısal dengeye gelinceye kadar) birinden diğerine yük geçişleri olur. Arayüzeyin her iki tarafındaki tüketim tabakasının oluşması bundan kaynaklanır. Arayüzey durumları olmayan heteroeklemin kapasitesi eklem boyunca dielektrik sabitlerindeki ani değişim dışında p-n heteroeklemin kapasitesi ile aynıdır. Bu koşullar altında Anderson (Anderson 1962) birim alan başına p-n heteroeklemin kapasitesinin (2.38) olduğunu göstermiştir. Burada N d ve N a verici ve alıcı yoğunlukları, ε n, ε p n-tipi ve p- tipi yarıiletkenin dielektrik sabitleri, V d difüzyon potansiyeli, V uygulanan gerilim ve q elektrik yüküdür. Bu ifadeden görüldüğü gibi C -2 nin ters beslem gerilimine karşı grafiği doğrusaldır ve bu doğrusal çizgi uzatıldığında gerilim eksenini kestiği nokta engel yüksekliğini (engel potansiyelini, difüzyon potansiyelini) verir. Gerçekte, deneysel C -2 nin V ye karşı doğrusal değişimi ani heteroeklemin varlığını gösterir ve V d nin deneysel değerini belirlemede kullanılır. Bazı araştırmacılar, p-n heteroeklemler için eklem kapasitesinin uygulanan ters beslem gerilimine göre değişimini araştırmışlardır. Deneysel olarak belirlenen V d değerlerinin bir çok durumda Anderson tarafından ani heteroeklemler için önerilen enerji bant modeliyle uyumlu olduğu gözlenmiştir. 22

43 Yapılan bazı çalışmalar örgü uyumsuzluklarına (yaklaşık %4) rağmen C-V belirtkenlerinin Anderson (1962) denklemiyle ifade edilebileceğini göstermiştir. Donnellly ve Milnes (1967) yaptığı çalışmalarda C-V belirtkenlerinde arayüzey durumlarının ihmal edilemeyecek kadar belirgin olduğunu göstermişler ve C-V ifadesinde gerekli düzeltmeyi yapmışlardır. Arayüzey durumlarının metalurjik (yapısal) olarak ince bir tabakada yerleşmiş oldukları varsayılarak p-n heteroeklem için birim alan başına kapasitesini, Q IS birim alan başına arayüzey yükü olmak üzere (2.39) şeklinde önermişlerdir. Burada (2.40) (2.41) (2.42) ve A eklem alanı, ω frekans ve τ durulma zamanıdır. Arayüzey yükünden kaynaklanan kapasite C IS ve tüketme kapasitesi C d birbirine paraleldir ve toplam kapasite her zaman ideal tüketme bölgesi kapasitesinden büyüktür (Kamjoo vd. 1991) bağıntısı her iki kapasitenin toplamını göstermektedir. Tüketim bölgesi kapasitesi C d, 23

44 (2.43) ve arayüzey yük kapasitesi C IS, (2.44) şeklinde verilir. Yüksek frekansta arayüzey yükü ac sinyallere cevap veremez ve C IS sıfıra yaklaşır. Bu durumda toplam kapasite değişimi (2.45) şeklinde olur bağıntısında Q IS gerilimin bir fonksiyonu olarak kabul edilmiştir ve C -2 nin V ye karşı grafiği sabit bir eğime sahip değildir p-n heteroeklemin kapasite-frekans (C-f) belirtkenleri Kapasite dağılım ölçümü arayüzey durum yoğunluğunu tanımlamak için kullanılır. Ölçüm frekansı düşürüldükçe arayüzeyde veya arayüzeyin yanındaki daha derin düzeyler ac sinyallere cevap verebilmektedir. Böylece daha büyük kapasite üretmektedir. Tüketim ve arayüzeye bağlı toplam durum sayısı düşük frekans ve yüksek frekanstaki (yüksek frekanstaki kapasite sadece tüketim ile ilişkilidir) kapasite ölçümlerimden hesaplanabilir. Yüksek frekanstaki kapasitesi (C HF ), tüketim bölgesi kapasitesiyle ve düşük frekanstaki fazlalığı arayüzey (C IS ) durumlarıyla ilişkilendirebiliriz. Tüketim bölgesi Fermi seviyesindeki durum yoğunluğu (N IS ), arayüzey durumlarının en düşük limiti basitçe Eşitlik 2.46 ile hesaplanabilir (Tavakolian ve Sites 1988). 24

45 (2.46) 2.2 İnce Filmlerde Kalınlık Hesabı Filmlerin UV-Vis-NIR spektrumundan yararlanılarak film kalınlıkları Swanepoel (1983) yöntemine göre bulunabilir. Swanepoel yöntemine göre d kalınlığındaki filmin kompleks kırılma indisi n c =n+ik şeklinde ifade edilir. Burada n kırılma indisi ve k, α soğurum katsayısı ile ifade edilebilen sönüm katsayısıdır (k =αλ/4π). Cam alttabakanın kalınlığı film kalınlığından birkaç kat daha büyüktür ve soğurum katsayısı α s =0 dır. Çevredeki havanın kırılma indisi n 0 =1. Filmin d kalınlığı düzgün değilse, tüm arayüzey etkileri bozulur ve geçirgenlik eğrisi düz bir eğri olur, herhangi bir pik gözlenmez. Film kalınlığı homojense spektrumda girişim pikleri gözlenir ve kompleks kırılma indisinin gerçel kısmı n spektrumdaki zayıf ve orta soğurum bölgelerindeki ekstremum noktalarından hesaplanabilir. Gerçel kırılma indisi, (2.47) şeklinde ifade edilir. Burada s, camın kırılma indisi olup (2.48) denkleminden hesaplanır. T M, maksimum geçirgenlik değeridir denklemindeki N (2.49) 25

46 eşitliğiyle verilmektedir. Burada T m ler de T M lere karşı gelen dalga boyundaki minimum geçirgenlik değerleridir. Şekil 2.9 da verilen girişim desenindeki minimum noktalardan oluşturulan eğri (kırmızı eğri) kullanılarak her maksimum noktaya karşılık gelen minimum noktalar ve girişim desenindeki maksimum noktalardan oluşturulan eğri (mavi eğri) kullanılarak her minimum noktaya karşılık gelen maksimum noktalar fit edilerek bulunur ve her maksimum ve minimum nokta için kırılma indisi hesaplanır. Kırılma indisi n nin dalga boyu λ na karşı grafiğinden kırılma indisinin Cauchy dağınım bağıntısına (n=a+b/λ 2 ) uyduğu görülür. Deneysel veriler n=a+b/λ 2 bağıntısına fit edilerek A ve B katsayıları elde edilir. Drude teorisine göre gerçel dielektrik sabiti, ε ve sanal dielektrik sabiti, ε nin kırılma indisi ile arasındaki ilişkisi (Weijtens ve Van Loon 1991), 1.0 T M 0.8 Geçirgenlik (%) T m λ (nm) Şekil 2.9 Bir ince filmin geçirgenlik-dalgaboyu eğrisi 26

47 (2.50) ve (2.51) ifadesiyle verilmektedir. Burada ε yüksek frekans dielektrik sabiti, ε 0 serbest uzay dielektrik sabiti, N taşıyıcı yoğunluğu, m * e eektronun etkin kütlesi, c ışık hızı ve q ise elektronun yüküdür. Serbest elektron Drude modeline göre ε, λ 2 nin çizgisel fonksiyonu olmalıdır. (n 2 -k 2 ) nin λ 2 ile değişiminin doğrusal kısmını λ 2 =0 değerine ekstrapole ederek ε yüksek frekans dielektrik sabiti belirlenir. Film kalınlığı, peşpeşe iki ekstremum noktaya karşı gelen kırılma indisi (n i ) değerleriyle (2.52) formülünden hesaplanabilir. Film kalınlıklarının tavlama sıcaklığı arttıkça artığı gözlenmiştir. Ayrıca tavlama sıcaklığı artttıkça spektrumdaki pik sayısının arttığı gözlenmiştir. Pik sayısının artması, film kalınlığının daha düzgün olduğunu gösterir. Dolayısıyla tavlama sıcaklığı arttıkça filmler daha düzgün kaplanmaktadır diyebiliriz. 2.3 Yasak Bant Aralığı Enerjisi E g nin Bulunması Filmlere ait soğurum katsayıları (2.53) 27

48 bağıntısından elde edilebilir (Şenadım Tüzemen vd. 2009). Burada d film kalınlığı, R optiksel yansıma ve T optiksel geçirgenliktir. Yansımanın küçük olduğu durumlarda Eşitlik 2.53 (2.54) şeklini alır. Optiksel yasak enerji bant aralığı, E g, ile soğurum katsayısı arasında Tauc ilişkisi olarak bilinen (2.55) bağıntısı vardır. Burada hν, fotonun enerjisi, α 0 bir sabit ve n izinli direk geçiş için 0.5, yasaklı direk geçiş için 1.5, izinli indirek geçiş için 2 ve yasaklı indirek geçiş için 3 tür. İzinli direk geçiş (n=0.5) olduğu varsayılarak enerji bant aralıkları belirlenirse; yüksek enerji bölgesinde (αhν) 2, hν ile doğrusal olarak değişmektedir, düşük enerjilerde ise bu doğrusallıktan sapma gözlenir. Enerji bant aralığı bu eğrilerin doğrusal kısmının (αhν) 2 = 0 a ekstrapolasyonundan elde edilir. 2.4 İnce Filmlerde Elektriksel İletkenlik Bir maddedeki direnç ile özdirenç arasındaki ilişki; (2.56) ifadesiyle verilir. Burada; R : Filmin direnci, l : Filmin uzunluğu, A : Filmin kesit alanı, 28

49 w : Filmin eni, d : Filmin kalınlığıdır. Üzerinden akım geçen bir filmin şematik gösterimi Şekil 2.10 da verilmiştir. I E r d l W Şekil 2.10 Üzerinden I akımı geçen ince filmin şematik gösterimi Denklem 2.56 dan (2.57) özdirenç değeri bulunur ve filmin iletkenliği (2.58) denkleminden elde edilir. 2.5 İnce Filmlerin Aktivasyon Enerjileri Yarıiletkenlerde iletkenliğe katkı hem elektronlardan hem de deşiklerden gelir. Katkısız bir yarıiletkende elektronlarla deşiklerin sayısı eşittir. Akım yoğunluğu serbest taşıyıcı yoğunlukları ve mobilite cinsinden 29

50 (2.59) şeklindedir. Burada σ iletkenlik, q elektrik yükü, n ve p sırası ile elektron ve deşiklerin serbest taşıyıcı yoğunlukları, µ n ve µ p sırası ile elektron ve deşiklerin mobilitesi, ε elektrik alandır bağıntısından iletkenliği (2.60) şeklinde yazabiliriz. Elektron yoğunluğunun fazla olduğu ( n» p ) n tipi yarıiletkenlerde iletkenlik 2.61 bağıntısı ile, (2.61) deşik yoğunluğunun fazla olduğu ( p» n ) p tipi yarıiletkenlerde iletkenlik 2.62 bağıntısı (2.62) ile verilir. İletim bandındaki elektron yoğunluğu, (2.63) eşitliği ile, değerlik bandındaki deşik yoğunluğu ise, (2.64) 30

51 eşitliği ile verilir. Burada E F Fermi seviyesi, E C iletim bandının alt sınırı, E V değerlik bandının üst sınırı, m e * elektronların etkin kütlesi, m h * deşiklerin etkin kütlesidir. Eşitlik 2.63 Eşitlik 2.61 de yerine yazılırsa, (2.65) ve Eşitlik 2.64 Eşitlik 2.62 de yerine yazılırsa, (2.66) bağıntıları elde edilir bağıntısında E C -E F elektronların aktivasyon enerjisine, 2.66 bağıntısında E F -E V deşiklerin aktivasyon enerjisine eşit olduğundan iletkenlik için, (2.67) ifadesi yazılabilir. İletkenlik sıcaklığın bir fonksiyonudur, yarıilekenler için sıcaklıkla birlikte artar. Denklem 2.67 nin logaritması alındığında; (2.68) ifadesi elde edilir. Bu denkleme göre lnσ ifadesinin 1/T ye göre grafiği çizilirse bu grafiğin eğimi E a /kt değerini verir ve bu grafiğin eğiminden E a aktivasyon enerjisi hesaplanabilir. 31

52 3. MATERYAL VE YÖNTEM 3.1 Antimon Katkılı Kalay Oksit İnce Film Özellikleri Kalay oksit (SnO 2 ) ve katkılı kalay oksit filmler geçirgenliklerinin yüksek olması nedeniyle optik uygulamalarda tercih edilirler. Kalay oksit stokiometrik değildir ve iletkenliği oksijen eksikliğinden kaynaklanır ve bu oksijen eksikliğini kontrol etmek zordur (Lili vd. 2006). Katkılanmış kalay oksitler optoelektronik cihazlarda kullanılırlar. Özellikle Antimon (Sb) katkılı kalay oksitler iletken ve görünür bölgede geçirgen oldukları için tercih edilirler (Lili vd. 2006, Zhang vd. 2006). ATO filmlerin özellikleri katkılama miktarları ayarlanarak ve stokiometri değiştirilerek kontrol edilebilir (Zhang vd. 2006). ATO yasak enerji bant aralığı ev (Terrier vd. 1997) arasında olup, SnO 2 nin örgü parametreleri katkılama miktarı ile değişmediğinden (Fantini ve Torriani 1986) tetragonal (a=4.768 Å, c=3.210 Å (Thangaraju 2002)) yapıya sahip n-tipi bir yarıiletkendir. Elektron ilgisi (χ) 4.8 ev tur. 3.2 Çinko Oksit İnce Film Özellikleri Çinko oksit (ZnO), 3.3 ev luk direk bant aralığına sahip n-tipi bir yarıiletkendir (Jayaraj vd. 2002). Elektron ilgisi (χ) 4.2 ev tur (Mangamma ve Gnanasekaran 2000). Elektriksel iletkenliği temelde Zn fazlalığından dolayıdır. ZnO ısısal denge durumunda hegzagonal wurtize yapıda, kübik alltabaka üzerine büyütüldüğünde kübik zinc blende yapıda, oldukça yüksek basınç altında büyütüldüğünde cubic rocksalt yapıda büyür (Özgür vd. 2005). Hekzagonal wurtzite (a=b c, α=β=90 º ve γ=120 º ) yapıda örgü parametreleri c=5.205 Å, a= Å olan ZnO ince film, c ekseni boyunca tane yönlenmesi gösterir, görünür bölgede saydam ve geçirgendir. Elde edilme maliyeti düşüktür, zehirli değildir ve kolaylıkla katkılanabilir. Genellikle oksitlerin çoğu kimyasal olarak kararlıdır ve havadaki oksijenle reaksiyona girmez. 32

53 3.3 Bakır Oksit İnce Film Özellikleri Bakır II oksit (CuO), yasak bant aralığı ev (Balamurugan ve Mehta 2001, Serin vd. 2005) olup, p tipi bir yarıiletken olup siyah ya da kahverengi ile siyah arasında oldukça koyu bir renge sahip parlak bir katıdır. Elektron ilgisi (χ) 4,07 ev tur (Mangamma ve Gnanasekaran 2000). Molekül ağırlığı 79.45, yoğunluğu 6.3 g/cm 3 tür. Erime sıcaklığı l336 C dir. Oksit yarıiletken sınıfındadır. Monoklinik kristal yapıya (a 1 a 2 a 3, α = γ = 90 o β) sahip birim hücresinde iki atom bulundurmaktadır. Örgü parametreleri a= Å, b= Å, c=5.118 Å ve β=97 (Lanke ve Vedawyas 1999) dir. Yapısında Cu boşluklarının bulunması nedeniyle p-tipi bir iletkenlik gösterir (Jeong ve Choi 1996). 3.4 Sol-Jel Yöntemi Sol-jel yönteminde, genel olarak sol-jel sürecinde sistem sıvı fazdan (sol) katı faza (jel) doğru bir geçiş yapar. Sol-jel yöntemi özellikle organik olmayan ince film kaplamalarında kullanılmaktadır. Sol-jel yöntemi kullanılarak değişik taşıyıcılar üzerine farklı kompozisyonlarda çok bileşenli oksit tabakalar oluşturulması mümkündür. Sol-jel yöntemi ile düşük kırılma indisine sahip kaplamalar yapılabilir. Sol-jel yönteminde, ince filmleri, daldırma (dip coating), döndürme (spin coating) ve püskürtme (spray) yöntemleri ile üç farklı şekilde elde etmek mümkündür. Sol-gel yönteminin diğer kaplama yöntemlerine göre birçok olumlu ve olumsuz yönleri vardır, bu yönler Çizelge 3.1 de verilmiştir. 33

54 Çizelge 3.1 Sol-jel yönteminin olumlu ve olumsuz yönleri OLUMLU YÖNLERİ Basit bir düzeneği vardır. Saf bir kaplama elde edilebilir. İşleme ısısı düşüktür. Enerji tasarrufu sağlar. Kaplanan filmin mikro yapısı kolaylıkla kontrol edilebilir. Kaplanan film düzgündür, her yerinde aynı kalınlık elde edilebilir. Hava kirliliğine sebep olmaz. Hazırlanan ortamı etkilemez. Gözenekli bir yapı oluşur. Her türlü geometrik yapıya sahip malzemeye uygulanabilir. Yeni malzemelerin elde edilmesi için uygun bir yöntemdir. OLUMSUZ YÖNLERİ Malzeme maliyeti fazladır. Filmlerde karbon çökelti kalır. Kullanılan malzeme sağlığa zarar verebilir. İşleme sırasında malzeme kaybı oldukça fazladır Daldırma (Dip coating) yöntemi Bu yöntemde bir alt tabakanın belirlenmiş bir hızda, düşey doğrultuda hazırlanan çözeltinin içine daldırılıp aynı doğrultuda fakat ters yönde çekilmesiyle kaplama yapılır. Düzgün bir kaplama elde etmek için, daldırma yapılırken alt tabakanın sarsıntısız olması, düzgün hareket etmesi, akıcı bir yüzeye ve doğru hız kontrolüne sahip olması sağlanmalıdır. Bu yöntemde kaplama kalınlığı çekiş hızı, katının kalınlığı ve sıvının akışkanlığına bağlı olarak değişir. Daldırma işlemi i. Daldırma 34

55 ii. Çıkarma iii. Kaplama iv. Süzülme ve Buharlaştırma gibi dört aşamadan oluşur (Şekil 3.1). DALDIRMA YUKARI ÇEKME KAPLAMA SÜZÜLME VE BUHARLAŞMA Şekil 3.1 Daldırma yöntemi film oluşum aşamaları Daldırma yöntemi ile: Düzgün bir kaplama elde edilir. Kaplama kalınlığı kolayca kontrol edilebilir. Çok katlı kaplama yapılabilir. Kaplanacak yüzeyin geometrisi ne olursa olsun aynı özellikte kaplama elde edilir. Film kalınlığı aşağı ve yukarı hareket eden tabakaları ayıran ana akıntının şiddetine bağlı olarak değişir. Film kalınlığını, yukarı hareket eden taşıyıcının sıvı ile oluşturduğu sürtünme kuvveti, yerçekimi kuvveti, taşıyıcıya tutunmaya çalışan solün yüzey gerilimi, kaplama alanına ulaşan solün eylemsizlik momenti ve ayırıcı ya da birleştirici basınç kuvvetleri kontrol eder. Kaplama kalınlığı d Landau-Levich denkleminden (Denklem 3.1) kuramsal olarak hesaplanabilir: (3.1) 35

56 Bu denklemde; d : Kaplama kalınlığı ν : Alttabaka hızı η : Viskozite γ : Likid-buhar yüzey gerilimi ρ : Yoğunluk g : Yerçekimi ivmesidir. Sıvının viskozitesi ve alttabaka hızı yeteri kadar büyük ise film kalınlığı viskoz sürüklenme ve yerçekimi kuvvetini dengeler ve kalınlık, (3.2) şeklini alır. Burada C bir sabittir. 3.5 Alt Tabakanın Temizlenmesi Hazırlanacak filmlerin kaliteli olması için filmin kaplanacağı alttabakanın temizliği oldukça önemlidir. Alt tabaka ne kadar temizse o kadar kaliteli film elde edilir. Bu nedenle alttabaka temizliğinde büyük bir titizlik gösterilmelidir. Film yapımında alttabaka olarak 1x25x75mm boyutlarında mikroskop camları kullanılmıştır. Alt tabaka sırasıyla 10 dakika aseton içerisinde, 10 dakika saf su içerisinde, 10 dakika izopropanol (2-propanol, CH 3 CHOHCH 3 ) içerisinde ve son olarak 10 dakika saf su (H 2 O) içerisinde ultrasonik su banyosunda yıkanarak temizlenmiştir. Böylelikle camlar üzerinde bulunan yağlardan ve tozlardan arındırılmıştır. Temizlenen camlar hava verilerek kurutulmuştur. 36

57 3.6 İnce Filmlerin Hazırlanması ATO ince filminin hazırlanması ATO ince filmi için sol-jel çözeltisinin hazırlanması 8.37 g kalay klorür (SnCl 2.2H 2 O, Merck) 100 ml etil alkol (C 2 H 5 OH, Merck) içinde çözülür. 2 saat süreyle 80 C sıcaklıkta su soğutmalı olarak kapalı kapta manyetik karıştırıcı yardımıyla karıştırılır. Daha sonra kapak açılarak çözücü buharlaşıp toz haline gelene kadar 80 C sıcaklıkta karıştırmaya devam edilir. Aynı şekilde 408 mg antimon triklorid (SbCl 3 ) 20 ml etil alkolde çözülür. 2 saat süreyle 80 C sıcaklıkta su soğutmalı olarak kapalı kapta manyetik karıştırıcı yardımıyla karıştırılır. Daha sonra kapak açılarak çözücü buharlaşıp toz haline gelene kadar 80 C de manyetik karıştırıcıda karıştırılır. Oluşan iki toz çökelti 50 ml etil alkolde çözülür ve 2 saat süreyle 50 C sıcaklıkta su soğutmalı olarak kapalı kapta manyetik karıştırıcı yardımıyla karıştırılarak %4 Sb katkılı kalayoksit çözeltisi hazırlanır. Şekil 3.2 de çözelti hazırlama ve film kaplama aşamaları gösterilmiştir ATO filmlerin kaplanması Kaplama yapılmak için temizlenen camlar hazırlanan ATO çözeltisinin içerisine bilgisayar kontrollü bir sistem ile düşey doğrultuda 0.19 cm/s hızla daldırılıp çözelti içinde hiç bekletilmeden aynı doğrultu fakat ters yönde çekilerek kaplama yapılmışır. Herbir daldırmadan sonra camların arkaları etil alkol yardımıyla temizlenmiştir. Çözelti içinden çıkarılan camlar 10 dakika oda sıcaklığında bekletildikten sonra difüzyon fırını içersinde 500 C de 10 dakika tavlanmıştır. Bu işlem filmler istenilen kalınlık ve dirence sahip olana kadar tekrarlanmıştır. Çizelge 3.2 de filmlerin hazırlama şekilleri belirtilmiştir. 37

58 8.37 g Kalay klorür (SnCl 2.2H 2 O) 100 ml etil alkol (C 2 H 5 OH) 408 mg Antimon triklorid (SbCl 3 ) 20 ml etil alkol (C 2 H 5 OH) 80 C de Karıştırma 80 C de Karıştırma Buharlaştırma Buharlaştırma Çökelti Çökelti 50 ml etil alkol (C 2 H 5 OH) 50 C de Karıştırma SOL Sol-jel daldırma yöntemiyle kaplama Oda sıcaklığında 10 ar dakika ön ısıtma, 500 C de 10 dakika tavlama İnce film Şekil 3.2 ATO ince filmi için sol-jel çözeltisi hazırlama ve film kaplama aşamaları 38

59 Çizelge 3.2 Cam yüzeyine kaplanmış ATO filmlerin hazırlama şartları Daldırma Ön ısıtma Ön ısıtma süresi Tavlama Tavlama süresi Numune sayısı sıcaklığı (ºC) (dakika) sıcaklığı (ºC) (dakika) A1 10 Oda ZnO ince filmlerin hazırlanması ZnO ince filmi için sol-jel çözeltisinin hazırlanması 100 ml etil alkol (C 2 H 5 OH) içinde 8,78 g çinko asetat (Zn(CH 3 COO) 2.2H 2 O) yaklaşık 50 C de manyetik karıştırıcıda karıştırılarak çözülür. Çözelti sıcakken 8 damla laktik asit (CH 3 CHOH-COOH) damlatılır. Manyetik karıştırıcıda 2 saat karıştırıldıktan sonra homojen ve transparant bir çözelti elde edilir. Hazırlanan çözelti 1 gün dinlendirilir. Şekil 3.3 te çözelti hazırlama ve film kaplama aşamaları gösterilmiştir ZnO filmlerin kaplanması ZnO kaplanacak camlar hazırlanan ZnO çözeltisinin içerisine bilgisayar kontrollü bir sistem ile düşey doğrultuda 0.4 cm/s hızla daldırılıp aynı şekilde çözelti içinde hiç bekletilmeden aynı doğrultu fakat ters yönde çekilerek kaplama yapılmışır. Herbir daldırmadan sonra camların arkaları etil alkol yardımıyla temizlenmiştir. Cam alttabakalar üzerindeki film difüzyon fırınında 200 C de 5 dakika tutularak ön ısıtma yapılmıştır. Bu şekilde istenilen kalınlığa ulaşıncaya kadar daldırma ve ısıtma işlemine devam edilmiş, istenilen kalınlığa ulaşıldıktan sonra filmler 200 C de 15/30 dakika tavlanmışlardır. ZnO film özelliklerinin ön ısıtma ve tavlama sıcaklığına göre değişimini incelemek için 250 C, 300 C ve 350 C sıcaklıklarda ön ısıtma ve tavlama yapılarak da filmler hazırlanmıştır. Çizelge 3.3 de filmlerin hazırlama şekilleri belirtilmiştir. 39

60 8,78 g çinko asetat (Zn(CH 3 COO) 2.2H 2 O) 100 ml etil alkol (C 2 H 5 OH) Karıştırma 8 damla laktik asit (CH 3 CHOH-COOH) Karıştırma SOL Sol-jel daldırma yöntemiyle kaplama 200, 250, 300 ve 350 C, 5 er dakika ön ısıtma İnce film 200, 250, 300 ve 350 C de 15/30 dakika tavlama Şekil 3.3 ZnO ince filmi için sol-jel çözeltisi hazırlama ve film kaplama aşamaları 40

61 Çizelge 3.3 Cam yüzeyine kaplanmış ZnO filmlerin hazırlama şartları Numune Daldırma sayısı Ön ısıtma sıcaklığı (ºC) Ön ısıtma süresi (dakika) Tavlama sıcaklığı (ºC) Tavlama süresi (dakika) F F F F F F F F CuO ince filmlerin hazırlanması CuO ince filmi için sol-jel çözeltisinin hazırlanması 100 ml etil alkol (C 2 H 5 OH, Merck) içinde 2.5 gr bakır (II) asetat ((CH 3 COO) 2 Cu.H 2 O) yaklaşık 50 C de karıştırılarak çözülür. Çözüldükten sonra 20 damla laktik asit (CH 3 CHOH-COOH) damlatılır. Biraz soğuyana kadar karıştırılmaya devam edilir. Soğuyan çözelti manyetik karıştırıcıda 2 saat karıştırılır. Manyetik karıştırıcıda karışan çözeltiye çözünürlüğü arttırmak için 3 ml triethylamin (C 6 H 15 N) eklenir. Hazırlanan çözelti 1 gün dinlendirilir. Şekil 3.4 te çözelti hazırlama ve film kaplama aşamaları gösterilmiştir CuO filmlerin kaplanması CuO kaplanacak camlar sol-jel çözeltisinin içerisine bilgisayar kontrollü sistem ile 0.33 cm/s hızla daldırılarak kaplama yapılmışır. Herbir daldırmadan sonra camların arkaları etil alkol yardımıyla temizlenmiştir. Kaplanan filmler 250 C sıcaklıkta difüzyon fırını içerisinde 5 dakika tutulmuştur. İstenilen kalınlığa kadar kaplanan filmler 250 C sıcaklıkta 30 dakika difüzyon fırınında tavlanmıştır. Çizelge 3.4 te filmlerin hazırlama şekilleri belirtilmiştir. 41

62 2.5 gr bakır (II) asetat ((CH 3 COO) 2 Cu.H 2 O) 100 ml etil alkol (C 2 H 5 OH) Karıştırma 20 damla laktik asit (CH 3 CHOH-COOH) Karıştırma 3 ml triethylamin (C 6 H 15 N) Karıştırma SOL Sol-jel daldırma yöntemiyle kaplama 250 C, 5 er dakika ön ısıtma İnce film 250 C de 30 dakika tavlama Şekil 3.4 CuO çözeltisi hazırlama ve film kaplama aşamaları 42

63 Çizelge 3.4 Cam yüzeyine kaplanmış CuO filmin hazırlama şartları Numune Daldırma Ön ısıtma Ön ısıtma Tavlama Tavlama süresi sayısı sıcaklığı (ºC) süresi (dakika) sıcaklığı (ºC) (dakika) C C Elektriksel Ölçümler için Numunelerin Hazırlanması Cam yüzeye kaplanmış ince filmlerin iletkenlikleri iki nokta yöntemiyle ölçülmek üzere film kaplı camlar yaklaşık 0.3x1cm boyutlarında kesilerek metal plakalara yapıştırılmış, gümüş (Ag) pasta ile kontaklar alınmıştır (Şekil 3.5). Numune Ag pasta Fiber Cu Levha Cu Tel Şekil 3.5 İki nokta yöntemi ile iletkenlik ölçülmek üzere hazırlanan numune 3.8 p-cuo/i-zno/n-ato Yapılarının Hazırlanması Cam alttabakalar üzerinde daha önceden belirtilen şekilde kaplanan filmlerden yararlanarak p-cuo/i-zno/n-ato yapılar hazırlanmıştır. Yapılardan Ag pasta yardımıyla 7.5x10-3 cm 2 lik bir alandan omik kontak alınmıştır. p-cuo/i-zno/n-ato yapısı Şekil 3.6 da gösterilmiştir. p-cuo/i-zno/n-ato yapılarını hazırlama şartları Çizelge 3.5 te verilmiştir. 43

64 Ag pasta p-cuo i-zno n-ato Cam Şekil 3.6 p-cuo/i-zno/n-ato yapısı Çizelge 3.5 p-cuo/i-zno/n-ato yapılarını hazırlama şartları Numune Yapı ATO daldırma sayısı ZnO daldırma sayısı CuO daldırma sayısı ZnO ön ısıtma sıcaklığı (ºC) ZnO ön ısıtma süresi ZnO tavlama sıcaklığı (ºC) ZnO tavlama süresi (dakika) CuO ön ısıtma sıcaklığı (ºC) CuO ön ısıtma süresi CuO tavlama sıcaklığı (ºC) CuO tavlama süresi (dakika) FO1 p-cuo/i-zno/n-ato FO2 p-cuo/i-zno/n-ato FO3 p-cuo/i-zno/n-ato FO4 p-cuo/i-zno/n-ato FO5 p-cuo/i-zno/n-ato Deneylerde Kullanılan Cihaz ve Düzenekler Deneylerde kullanılan cihazlar Çizelge 3.6 da verilmiştir. ZnO, CuO ince filmlerin ve p- CuO/i-ZnO/n-ATO yapılarının oda ve yüksek sıcaklıklardaki I-V ölçümleri için Şekil 3.7 deki düzenek, p-cuo/i-zno/n-ato yapılarının oda ve yüksek sıcaklıklardaki C-V ölçümleri için Şekil 3.8 deki düzenek, p-cuo/i-zno/n-ato yapılarının düşük sıcaklıklardaki I-V ölçümleri için Şekil 3.9 daki düzenek kullanılmıştır. Bilgisayar kontrolü için Visual Basic ve Labview programlarından yararlanılmıştır. 44

65 Çizelge 3.6 Deneylerde kullanılan cihazlar İşlem Cihazın adı Cihazın markası Temizleme işlemi Su arıtma cihazı Human Zeneer Power Temizleme işlemi Ultrasonik banyo Bransonic Karıştırma işlemi Manyetik karıştırıcı Clifton Cerastır Kontak alma işlemi Vakum Key Isısal işlem Difüzyon fırını C Vecstar VCTF-4 Isısal işlem Fırın C Heraeus Daldırma işlemi Yüzey analizi UV-Vis-NIR spektrum ölçümü X-ışını kırınım deseni ölçümü Daldırma cihazı Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) UV-Vis-NIR spektrometresi X-ray difraktometresi 0-24V redüktör motorlu ve dişli sistemden oluşan bilgisayar kontrollü laboratuvar tasarımı bir sistem SPM Solver-PRO (NT-MDT) Shimadsu UV-3600 Ridaku D/MAX-2200 I-V ölçümü Akım-gerilim kaynağı Keithley 2420 C-V ölçümü Empedans köprüsü HP 4192A I-V ve C-V ölçümü Sıcaklık sistemi kontrol LakeShore 330 I-V ve C-V ölçümü Kriyostat Janes CCS-350S Soğutma işlemi Kompresör CTI-Cryogenies

66 Akım-Gerilim PC IEEE 488 Isıcı Kasa Monitör Sıcaklık Kontrol Cihazı Şekil 3.7 Oda ve yüksek sıcaklık I-V belirtkenleri ölçüm sistemi Empedans Köprüsü PC IEEE 488 Isıtıcı Kasa Monitör Sıcaklık Kontrol Cihazı Şekil 3.8 Oda ve yüksek sıcaklık C-V belirtkenleri ölçüm sistemi 46

67 Empedans Köprüsü PC Akım-Gerilim Kaynağı IEEE 488 Kasa Monitör Sıcaklık Kontrol Cihazı Kriyostat Rotary Pompa Kompresör Helyum Hattı Şekil 3.9 Oda ve düşük sıcaklık I-V belirtkenleri ölçüm sistemi 47

68 4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA 4.1 Filmlerin Yapısal Özelliklerinin İncelenmesi ATO filminin yapısal özelliklerinin X ışını kırınımı yöntemiyle incelenmesi ATO filmin X-ışını kırınım deseni Şekil 4.1 de gösterilmiştir. Kırınım deseninde birçok pik gözlenmiştir. Bu da büyütülen ATO filmlerin polikristal olduğunu göstermiştir. Spektrumda 26.31, ve deki 2θ değerlerinde keskin pikler vardır. Bu pikler sırasıyla (110), (101) ve (211) doğrultularında kristallenme olduğunu göstermektedir (Lili vd. 2006). (101) doğrultusundaki kristallenmenin diğerlerine göre daha fazla olduğu söylenebilir. Şiddet (a.u.) 2θ ( )( ) Şekil 4.1 ATO ince filmine ait X-ışını kırınım deseni 48

69 ATO filmine ait X-ışını kırınım deseni ve Debye Scherrer formülü (Eşitlik 4.1) yardımıyla filmin farklı doğrultulardaki kristal boyutu hesaplanabilir (Cullity 1956). (4.1) Burada λ, β ve θ sırasıyla X-ışını dalgaboyu, maksimum kırınım çizgisi yarı genişliği ve Bragg açısıdır. CuK α ışınının dalgaboyu 1.54 Å olarak alınmıştır. Hesaplanan kristal boyutları D Çizelge 4.1 de verilmiştir. Bir kristalde ters örgü vektörleri düz örgü vektörlerine; (4.2) şeklinde bağlıdır. Burada V düz örgü hacmidir ve şu şekilde ifade edilir: (4.3) Burada α, β, γ açıları,, düz örgü vektörleri arasındaki açılardır.,, ters örgü vektörleri arasındaki α *, β *, γ * açıları şu bağıntılarla tanımlanmıştır: (4.4) Düzlemler arası mesafe; 49

70 (4.5 ) şeklindedir. Bu eşitlikte h, k, l miller indisleridir. X ışını spektrumundaki kristallenme doğrultularına ait h, k, l indisleri ve Eşitlik 4.5 kullanılarak örgü parametreleri ve düzlemler arası mesafe hesaplanmıştır ve Çizelge 4.1 de verilmiştir. ATO ince filmin örgü sabitleri a= Å ve c= Å olarak hesaplanmıştır. Bu veriler Thangaraju vd. (2002) yaptıkları çalışma ile uyum içindedir ZnO ince filmlerin yapısal özelliklerinin X ışını kırınım yöntemiyle incelenmesi Cam alttabaka üzerine farklı tavlama sıcaklıklarında ve farklı kalınlıklarda kaplanan ZnO ince filmlerin X-ışını kırınım deseni Şekil 4.2 ve Şekil 4.3 te verilmiştir. Şekil 4.2 den F2 numunesinin polikristal, diğerlerinin amorf yapıya sahip olduğu görülmüştür. F2 numunesine ait x ışını kırınım deseninde ve olmak üzere iki tane pik görülmektedir. Bu pikler sırasıyla (100) ve (002) doğrultularındaki kristallenmeleri göstermektedir. (002) doğultusundaki pik diğerine göre daha şiddetli bir piktir. F5, F6, F7 ve F8 numunelerine ait X ışını desenlerinde sırasıyla (100), (002) ve (101) doğrultularında kristallenmeler görülmektedir. Tüm numunelerde (002) doğrultusundaki pikin diğerlerine göre daha şiddetli olduğu görülmektedir. F2, F5, F6, F7 ve F8 numunelerinin örgü parametreleri ve düzlemler arası mesafe X ışını kırınım desenindeki piklere ait h, k, l indisleri ve Eşitlik 4.5 kullanılarak hesaplanmış ve Çizelge 4.1 de verilmiştir. Bu veriler literatürde verilen değerlerle uyum içerisindedir (JCPDS Card No ). Filmlerin kristal boyutlarıda Eşitlik 4.1 kullanılarak hesaplanmış ve Çizelge 4.1 de verilmiştir. 50

71 Çizelge 4.1 A1, F2, F5, F6, F7, F8 ve C1 ince filmlerinin örgü parametreleri, düzlemler arası mesafeleri ve kristal boyutları Numune Kristal Yapı Örgü parametreleri (Å) 2θ ( ) d (Å) D (nm) hkl A1 Tetragonal a=4.789 c= (110) (101) (211) F2 Hegzagonal a=3.280 c= (100) (002) F5 Hegzagonal a=3.244 c= (100) (002) (101) F6 Hegzagonal a=3.218 c= (100) (002) (101) F7 Hegzagonal a=3.230 c= (100) (002) (101) F8 Hegzagonal a=3.198 c= (100) (002) (101) C1 Monoklinik a=4.745 b=3.473 c= ( 111)/(002) (200)/(111) 51

72 Şiddet (a.u.) 2θ ( ) Şekil 4.2 F1, F2 ve F3 ince filmlerine ait X-ışını kırınım desenleri Şiddet (a.u.) Şekil 4.3 F5, F6, F7 ve F8 ince filmlerine ait X-ışını kırınım desenleri 52 2θ ( )

73 4.1.3 CuO ince filminin yapısal özelliklerinin X ışını kırınım yöntemiyle incelenmesi Cam alttabakalar üzerinde kaplanan CuO ince filmlerin X-ışını kırınım deseni Şekil 4.4 te verilmiştir. Kırınım deseninde ve de iki keskin pik vardır. Bu pikler filmdeki kristallenmelerin sırasıyla ( 111)/(002) ve (200)/(111) doğrultularında olduğunu göstermektedir. Bu piklere ait hkl indisleri ve Eşitlik 4.5 kullanılarak hesaplanan örgü parametreleri ve düzlemler arası mesafe Çizelge 4.1 de verilmiştir. Kristal boyutları 4.1 eşitliği yardımıyla hesaplanmış ve Çizelge 4.1 de verilmiştir. Şiddet (a.u.) 2θ ( ) Şekil 4.4 CuO ince filmine ait X-ışını kırınım deseni 53

74 4.2 İnce Filmlerin Optiksel Özelliklerinin İncelenmesi ATO ince filminin yasak enerji bant aralığının bulunması ATO filmlerin UV-Vis-NIR spektrumu Şekil 4.5 te gösterilmektedir. Denklem 2.52 den filmin kalınlığı d ve Denklem 2.54 ten soğurum katsayıları hesaplanmış ve (αhυ) 2 - hυ Tauc ilişkisi çizilmiştir (Şekil 4.6). Bu grafiğin doğrusal bölgesi extrapole edilerek enerji eksenini kestiği noktadan enerji bant aralığı (E g ) 3.9eV olarak bulunmuştur. Filmlerin görünür bölgede %63 gibi yüksek olmayan bir geçirgenliğe sahip olduğu gözlenmiştir. Şekil 4.5 Hazırlanan ATO ince filminin geçirgenlik-dalgaboyu eğrileri 54

75 Şekil 4.6 Hazırlanan ATO ince filminin (αhν) 2 - hυ grafiği Çizelge 4.2 ATO, ZnO ve CuO ince filmlerinin kalınlık ve E g yasak enerji bant aralığı Numune Kalınlık (nm) Yasak enerji bant aralığı, E g (ev) A F F F F F F F F C C

76 4.2.2 ZnO ince filmlerin yasak enerji bant aralıklarının bulunması ZnO filmlerin UV-Vis-NIR spektrumları Şekil de gösterilmektedir. Film geçirgenliklerinin görünür bölgede %93 gibi yüksek bir değere sahip olduğu ve tavlama sıcaklığı ile spektrumdaki pik sayısının arttığı görülmüştür. Şekil 4.7 ve Eşitlik 2.54 yardımıyla filmlerin soğurum katsayıları dalgaboyuna göre hesaplanmıştır. (αhν) 2 -hν Tauc ilişkisi bu filmler için Şekil daki gibidir. Grafikteki doğrusal kısım hν eksenini kesecek şekilde uzatılarak filmlerin yasak enerji bant aralıkları bulunmuştur ve Çizelge 4.2 de verilmiştir. Şekil 4.7 F1, F2, F3 ve F4 ince filmlerin geçirgenlik-dalgaboyu eğrileri 56

77 Şekil 4.8 F5, F6, F7 ve F8 ince filmlerin geçirgenlik-dalgaboyu eğrileri Şekil 4.9 F1, F2, F3 ve F4 ince filmlerin (αhν) 2 - hυ grafiği (F1 sol eksen diğerleri sağ eksen) 57

78 Şekil 4.10 F5, F6, F7 ve F8 ince filmlerin (αhν) 2 - hυ grafiği ZnO ince filmlerin yüksek frekans kırılma indislerinin ve dielektrik sabitlerinin bulunması Farklı tavlama sıcaklıklarında hazırlanmış ZnO ince filmlerin Şekil 4.8 de verilen spektrumundaki her maksimum noktaya karşılık gelen minimum noktalar ve her minimum noktaya karşılık gelen maksimum noktalar eğri fit edilerek bulunmuş ve her maksimum ve minimum nokta için Denklem 2.47 kullanılarak kırılma indisleri hesaplanmıştır. Kırılma indisi n nin dalga boyu λ ya karşı değişimi Şekil 4.11 de verilmiştir. Kırılma indislerinin bütün tavlama sıcaklıklarında artan dalgaboylarıyla azaldığı görülmüştür. Bu eğriler Cauchy bağıntısına fit edilerek A ve B katsayıları belirlenmiştir. Bulunan bu katsayılar kullanılarak hesaplanmış kırılma indisleride Şekil 4.11 de verilmiştir. Görünür bölgede ( nm) ortalama kırılma indisi Çizelge 4.3 te gösterilmiştir. Farklı sıcaklıklarda tavlanan ZnO ince filmlerin yüksek 58

79 frekans dielektrik sabiti ε Şekil 4.12 de verilen (n 2 -k 2 ) nin λ 2 ile değişiminin eğrisinin doğrusal kısmının λ 2 =0 değerine ekstrapole edilmesiyle belirlenmiştir. Her tavlama sıcaklığı için elde edilen yüksek frekans dielektrik sabitleri Çizelge 4.3 te verilmiştir. Tavlama sıcaklığı arttıkça film kalınlığının arttığı, film kalınlığı artıkça kırılma indisinin arttığı gözlenmiştir. Bu sonuçlar Şenadım vd. (2006) ve Khranovskyy vd. (2008) ve Şenadım-Tüzeman vd. (2009) yaptıkları çalışmalarla uyum içindedir. Çizelge 4.3 ten görüldüğü gibi tavlama sıcaklığının artmasıyla filmin dielektrik sabiti de artmaktadır. Şekil 4.11 F5, F6, F7 ve F8 ince filmlerin n-λ grafiği 59

80 Şekil 4.12 F5, F6, F7 ve F8 ince filmlerin (n 2 -k 2 ) - λ 2 grafiği Çizelge 4.3 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış ZnO ince filmlerin optiksel parametreleri. Numune Film kalınlığı, d (nm) Kırılma indisi, n vis Dielektrik sabiti, ε F F F F CuO ince filminin yasak enerji bant aralığının bulunması CuO ince filmlerin UV-Vis-NIR spektrumları Şekil 4.13 de gösterilmektedir. Filmin geçirgenliğinin görünür bölgede %0-30 arasında değiştiği ve oldukça düşük olduğu görülmüştür. Şekil 4.13 ve Eşitlik 2.54 yardımıyla filmin soğurum katsayısı dalgaboyuna göre hesaplanmıştır. (αhυ) 2 - hυ Tauc ilişkisi bu film için Şekil 4.14 deki 60

81 gibidir. Grafikteki doğrusal bölge hν eksenini kesecek şekilde extrapole edilerek filmin yasak enerji bant aralığı bulunmuştur ve Çizelge 4.2 de verilmiştir. Şekil 4.13 C1 ve C2 ince filmlerinin geçirgenlik-dalgaboyu eğrileri Şekil 4.14 C1 ve C2 ince filmlerinin (αhν) 2 - hυ grafiği 61

82 4.3 Filmlerin Elektriksel Özelliklerinin İncelenmesi ATO ince filminin aktivasyon enerjisinin bulunması ATO ince filmlerin aktivasyon enerjilerini bulmak için iki nokta yöntemi kullanılmıştır. Filmlere 1V luk gerilim uygulanarak K sıcaklık aralığında numuneden geçen akımlar ölçülerek iletkenlik değerleri 2.58 bağıntısı yardımıyla sıcaklığa bağlı olarak hesaplanmıştır (Serin vd. 2010). lnσ - T -1 grafiği Şekil 4.15 te verilmiştir. Grafiğin eğiminden 2.68 bağıntısından yararlanarak aktivasyon enerjisi 0.81 mev olarak bulunmuştur (Çizelge 4.4). Şekil 4.15 A1 ince filminin lnσ -1/T grafiği 62

83 4.3.2 ZnO ince filmlerinin aktivasyon enerjilerinin bulunması Farklı tavlama sıcaklıklarında hazırlanan ZnO ince fimlerden geçen akım iki nokta yöntemiyle 1V uygulanarak K sıcaklık aralığında ölçülmüştür. Şekil 4.16 ve 2.58 bağıntısı yardımıyla filmlerin sıcaklığa bağlı iletkenlikleri hesaplanmıştır. lnσ -T -1 grafiği Şekil 4.17 de verilmiştir. Bu eğrilerin eğiminden 2.68 bağıntısı kullanılarak aktivasyon enerjileri hesaplanmış ve Çizelge 4.4 te verilmiştir. Şekil 4.16 F1, F2 ve F3 ince filmlerin 1V taki I-T grafiği (F3 sağ eksen diğerleri sol eksen) 63

84 Şekil 4.17 F1, F2 ve F3 ince filmlerin lnσ -1/T grafiği (F3 sağ eksen diğerleri sol eksen) CuO ince filmlerin aktivasyon enerjisinin bulunması CuO ince filmlerin aktivasyon enerjilerini bulmak için de iki nokta yöntemi kullanılmıştır. Filmlere 1V luk sabit gerilim uygulanarak K sıcaklık aralığında numuneden geçen akımlar ölçülmüştür (Şekil 4.18). İletkenlik değerleri 2.58 bağıntısından sıcaklığa bağlı olarak hesaplanmıştır. lnσ - T -1 grafiği Şekil 4.19 da verilmiştir. Grafiğin eğiminden 2.68 bağıntısı yardımıyla aktivasyon enerjisi 158 mev olarak bulunmuştur (Çizelge 4.4). 64

85 Şekil 4.18 C1 ince filminin 1V taki I-T grafiği Şekil 4.19 C1 ince filminin lnσ -1/T grafiği 65

86 Çizelge 4.4 A1, F1, F2, F3 ve C1 ince filmlerin aktivasyon enerjileri Numune Aktivasyon Enerjisi, E a (mev) A F1 356 F2 308 F3 423 C ZnO İnce Filmlerinin Atomik Kuvvet Mikroskobu Görüntüleri Cam alttabaka üzerine farklı tavlama sıcaklıklarında kaplanan ZnO ince filmlerin 5µmx5µm alanlı 2 ve 3-boyutlu AFM görüntüleri sırasıyla Şekil de verilmiştir. Şekil 4.21 de görüldüğü gibi tavlama sıcaklığı arttıkça tanecik boyutları küçülmüş ve küçülen tanecikler birleşerek kümeleşmiştir. Bilgisayar programı ile yapılan analizlerde filmlerin ortalama tanecik boyutları ve pürüzlülükleri saptanmıştır. Sonuçlar Çizelge 4.5 te verilmiştir. 66

87 (a) (b) (c) (d) Şekil 4.20.a.F5, b.f6, c.f7 ve d.f8 ince filmlerinin 2-boyutlu AFM görüntüleri 67

88 (a) (b) (c) (d) Şekil 4.21.a.F5, b.f6, c.f7 ve d.f8 ince filmlerinin 3-boyutlu AFM görüntüleri 68