ÖZET Doktora Tezi SELENYUM VE SÜLFÜR BİLEŞİKLİ BAZI YARIİLETKENLERİN DOĞRUSAL OLMAYAN OPTİK ÖZELLİKLERİ Pınar IŞIK Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri E

Transkript

1 ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DOKTORA TEZİ SELENYUM VE SÜLFÜR BİLEŞİKLİ BAZI YARIİLETKENLERİN DOĞRUSAL OLMAYAN OPTİK ÖZELLİKLERİ Pınar IŞIK FİZİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ANKARA 2012 Her hakkı saklıdır

2 ÖZET Doktora Tezi SELENYUM VE SÜLFÜR BİLEŞİKLİ BAZI YARIİLETKENLERİN DOĞRUSAL OLMAYAN OPTİK ÖZELLİKLERİ Pınar IŞIK Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Ayhan ELMALI Bu tez çalışmasında, tabakalı III-VI yarıiletken ailesinden geniş yasak enerji aralıklı galyum sülfür (GaS = ~2.5 ev) ve galyum selenid (GaSe = ~2.1 ev) amorf yarıiletken ince filmler ve bunların karışımlarının doğrusal olmayan soğurma özellikleri açık yarık Z-tarama deney yöntemi kullanılarak incelendi ve sonuçlar karşılaştırıldı. Isısal buharlaştırma yöntemiyle büyütülen 50 ile 75 nm aralığında 4 farklı kalınlıktaki (50 nm, 58 nm, 65 nm, 75 nm) GaSe x S 1-x amorf ince filmlerin doğrusal olmayan soğurma özellikleri açık yarık Z-tarama deneyleri yapılarak araştırıldı. Ayrıca, doğrusal olmayan soğurma davranışına neden olan mekanizmalar ve elektronların uyarılmış durumda kalma süreleri ultra hızlı pompagözlem spektroskopi (pump-probe) yöntemiyle belirlendi. Örneklerin doğrusal olmayan soğurma özellikleri farklı atma sürelerine (4 ns ve 65 ps) sahip iki lazer kaynağı kullanılarak açık yarık Z-tarama deney yöntemiyle incelendi. Amorf halinde büyütülen filmlerden daha ince olanlar, yasak enerji aralığındaki kusur ve katkı seviyeleri az olduğundan dolayı doyurulabilir soğurma, daha kalın olanlar ise kalınlığa bağlı olarak kusur seviyelerinin artmasıyla doğrusal olmayan soğurma özelliği göstermektedirler. Bununla beraber filmlerin kalınlığının azaltılmasıyla doyum eşik şiddetlerinin düşürülebildiği gözlendi. Bu sonuçlar, amorf ince filmlerde kalınlık ve katkı oranının değiştirilmesiyle ince filmlerin doyum eşik şiddetlerinin kontrol edilebileceğini göstermektedir. En düşük doyum eşik şiddeti nanosaniye lazer kaynağıyla incelenen 50 nm kalınlığındaki GaS ince filmi için 4,82x10-2 GW/cm 2 olarak bulundu. Elektronların uyarılmış durumda kalma sürelerini belirlemek için yapılan ultra hızlı pompa-gözlem spektroskopi deneylerinden, en yavaş bileşen yaklaşık 10 ns olarak belirlenmiştir. Bu zaman elektronların tuzağa yakalanıp daha sonra deşiklerle birleşme için geçen süredir. Ayrıca 65 nm kalınlığındaki GaSe ince filminin doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurma özelliklerine ısısal etkinin gözlemek için 323 K, 400 K ve 500 K de tavlama işlemi uygulanmıştır ve doğrusal olmayan optik özellikleri araştırılmıştır. Artan tavlama sıcaklığı ile yerelleşmiş kusur seviyelerinin azalmasından dolayı doğrusal olmayan soğurmanın (NA) azaldığı görülmektedir. Arılık 2012, 78 Sayfa Anahtar Kelimeler: Doğrusal olmayan soğurma, doyurulabilir soğurma, GaS, GaSe kristalleri, amorf ince film, Z-tarama, ultra hızlı spektroskopi i

3 ABSTRACT Ph.D. Thesis NONLINEAR OPTICAL PROPERTIES OF SOME SEMICONDUCTORS WITH SELENIUM AND SULFHUR COMPOUNDS Pınar IŞIK Ankara University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Physics Engineering Supervisor: Prof. Dr. Ayhan ELMALI In the study of this thesis, nonlinear absorption properties of gallium selenide (Gase = ~ 2.1 ev) and gallium sulfide (GaS = ~ 2.5 ev) thin films and their mixtures from the family of layered III-VI semiconductors with narrow and wide band gaps have been investigated by using open aperture Z-scan experimental technique. In the study of this thesis, GaSe x S 1-x semiconductor amorphous thin films with 50 nm, 58 nm, 65 nm and 75 nm thicknesses have been deposited by using thermal evaporation method and the nonlinear absorption properties of these films have been investigated. In additions the lifetime of excited electrons effecting nonlinear absorption behavior was determined by using ultrafast spectroscopy (pump-probe) technique. The nonlinear absorption properties of semiconductors were analyzed with Z-scan experiment technique by using two laser sources with different pulse durations (4 ns and 65 ps). The thinner films showed saturable absorption due to low number of defects and doping states in the band gap, on the other hand thicker films showed nonlinear absorption due to increased defect and doping states in the band gap. However, we observed that saturation intensity threshold can be reduced by decreasing the film thickness. These results showed us that the saturation threshold intensities of thin films can be controlled by changing thickness and doping concentration rates of amorphous thin films. The lowest threshold intensity value was found as 4,82x10-2 GW/cm 2 for GaS thin film with 50 nm thickness, observed with the nanosecond laser source. This value is about 5 times lower than the lowest value stated in the literature. Ultrafast spectroscopy experiments were performed to determine the life times of excited electrons. It was observed that the slowest component is about 10 ns and this is attributed to slow trapping and recombination processes. In addition, we studied thermal annealing effect on nonlinear and saturable absorption behaviors of a GaSe thin film with 65 nm thicknes by changing the density of localized defect states with 50, 100 and 200 C annealing temperatures. Nonlinear absorption (NA) decreases due to the decreasing localized defect states upon increasing annealing temperature. December 2012, 78 pages Key Words: Nonlinear absorption, saturable absorption, GaS, GaSe crystals, amorphous thin films, Z-scan, ultrafast spectroscopy ii

4 TEŞEKKÜR Tez çalışmamın her aşamasında, yardımlarını hiç esirgemeyen danışman hocam Sayın Prof. Dr. Ayhan ELMALI (Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fizik Mühendisliği Bölümü) başta olmak üzere, Sayın Doç. Dr. H. Gül YAĞLIOĞLU na (Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fizik Mühendisliği Bölümü), Sayın Prof. Dr. Aytunç ATEŞ e (Yıldırım Beyazıt Üniversitesi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi Malzeme Mühendisliği Bölümü), deneysel çalışmalarım esnasında bana yardım eden Arş. Gör. Ahmet KARATAY a (Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fizik Mühendisliği Bölümü), Arş. Gör. Ulaş KÜRÜM e (Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fizik Mühendisliği Bölümü), tez çalışması kapsamında incelenen malzemeleri sentezleyen Sayın Prof. Dr. Nizami GASANLY ya (Orta Doğu Teknik Üniversitesi Fizik Bölümü) ve tüm doktora eğitimim sürecinde bana her türlü desteklerinden ötürü annem Nezihat SEVGİ, babam Ömer SEVGİ, eşim Uğur IŞIK ve kızım Begüm IŞIK a sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Pınar IŞIK Ankara, Aralık 2012 iii

5 İÇİNDEKİLER ÖZET... i ABSTRACT... ii TEŞEKKÜR... iii İÇİNDEKİLER... iv SİMGELER DİZİNİ... vi ŞEKİLLER DİZİNİ... vii 1. GİRİŞ KURAMSAL TEMELLER Yarıiletkenler Doğrusal ve Doğrusal olmayan Soğurma Doğrusal soğurma Doğrusal olmayan soğurma MATERYAL VE YÖNTEM Vakum Altında Isısal Buharlaştırma Yöntemi GaSe x S 1-x İnce Filmlerinin Büyütülmesi Yarıiletkenlerde Doğrusal Soğurma Katsayısı ve Yasak Enerji Aralığının Belirlenmesi GaSe x S 1-x yarıiletken ince filmlerin doğrusal soğurma özellikleri Kalınlıkların Belirlenmesi GaSe x S 1-x yarıiletken ince filmlerin kalınlıklarının belirlenmesi Z-Tarama Tekniği Açık yarık Z-tarama tekniği GaSe x S 1-x yarıiletken ince filmlerin doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurmalarının belirlenmesi Ultra Hızlı Pompa-Gözlem Spektroskopi (Pump-Probe Spektroskopisi)...33 iv

6 3.6.1 GaSe x S 1-x yarıiletken ince filmlerde serbest taşıyıcı ömürlerinin belirlenmesi Tavlama ARAŞTIRMA BULGULARI GaSe x S 1-x Amorf İnce Filmlerin Ölçüm Sonuçları İnce filmlerinin XRD grafikleri İnce filmlerin kalınlıkları İnce filmlerin doğrusal soğurma spektrumları GaSe x S 1-x amorf ince filmlerin yasak enerji bant aralıkları GaSe x S 1-x amorf ince filmlerin doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurmaları TARTIŞMA VE SONUÇ ÖZGEÇMİŞ v

7 SİMGELER DİZİNİ χ (3) β β eff σ σ c E g α 0 N N C T τ τ c TPA RSA SA FS I 0 I S ω 0 z 0 ns ps fs Üçüncü dereceden doğrusal olmayan alınganlık İki foton soğurma katsayısı Doğrusal olmayan soğurma katsayısı Soğurma tesir kesiti Serbest taşıyıcı arakesiti Yasak enerji bant aralığı Doğrusal soğurma katsayısı Sistemdeki molekül sayısı (I) şiddete bağlı taşıyıcı yoğunluğu Geçirgenlik Atma süresi Elektron-deşik birleşme süresi İki foton soğurması Ardışık foton soğurması Doyurulabilir soğurma Malzemenin doyum akısı Odaktaki şiddet Malzemelerin doyuma ulaşma eşik şiddeti Odaktaki ışın yarıçapı Işının kırınım uzunluğu (Rayleigh aralığı) Nanosaniye Pikosaniye Femtosaniye vi

8 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 2.1 Yarıiletkenlerde bant oluşumu (Sarı, 2008)...7 Şekil 2.2 Yarıiletkenlerde indirek ve direk bant geçişleri (Sarı, 2008)...8 Şekil 2.3 Işığın madde içinden geçerken doğrusal soğurulması...9 Şekil 2.4 İki seviyeli bir sistemin şematik gösterimi...12 Şekil 2.5 İki foton soğurmasının şematik gösterimi. a. Kendiliğinden çift foton soğurması, b. ultra hızlı spektroskopi (pump-probe) çift foton soğurması...13 Şekil 3.1 GaSe kristalinin sıkı paketli tabakalarının gösterimi...19 Şekil 3.2 Tabakalı GaSe kristalinden bir kesit...19 Şekil 3.3 GaS kristalinin sıkı paketli tabakalarının gösterimi...20 Şekil 3.4 Vakum altında ısısal buharlaştırma sistemi...21 Şekil 3.5 Fused silika üzerine büyütülmüş GaS ince filmi...22 Şekil 3.6 Doğrusal soğurma spektrometresi (Shimadzu UV-1800)...24 Şekil 3.7 Spektroskopik elipsometrenin şematik gösterimi...26 Şekil 3.8 Spektroskopik elipsometre (Woollam,-M2000V)...28 Şekil 3.9 Açık yarık Z-tarama deney düzeneği Şekil 3.10 Tipik olarak doğrusal olmayan soğurma eğrisi...31 Şekil 3.11 Tipik olarak doyurulabilir soğurma eğrisi...31 Şekil 3.12 Açık yarık Z-tarama deney düzeneği...32 Şekil 3.13 Ultra hızlı spektroskopi (pump-probe) deney düzeneğinin şematik gösterimi. (TFP: İnce film kutuplayıcı, A: Ayna, Y: Yarık, TYA: ters yansıtıcı ayna, S: Adım motoru, ND: ND filtre, SP: Safir plaka, N: Malzeme, M: Mercek, F: Filtre, FOK: Fiber optik kablo)...35 Şekil 3.14 Ultra hızlı spektroskopi deney düzeneği...36 Şekil 3.15 Tavlama fırını (Furnace, XD-1200NT, 2012)...37 Şekil nm kalınlığındaki GaSe ince filminin XRD verileri...39 Şekil nm kalınlığındaki GaSe ince filminin spektroskopik elipsometre yardımıyla ölçülen, dalga boyuna karşılık Ψ ve eğrileri...40 Şekil nm kalınlığındaki GaSe S ince filminin spektroskopik elipsometre yardımıyla ölçülen, dalga boyuna karşılık Ψ ve eğrileri...40 vii

9 Şekil nm kalınlığındaki GaSe 0.60 S 0.40 ince filminin spektroskopik elipsometre yardımıyla ölçülen, dalga boyuna karşılık Ψ ve eğrileri...41 Şekil nm kalınlığındaki GaSe 0.40 S 0.60 ince filminin spektroskopik elipsometre yardımıyla ölçülen, dalga boyuna karşılık Ψ ve eğrileri...41 Şekil nm kalınlığındaki GaSe S ince filminin spektroskopik elipsometre yardımıyla ölçülen, dalga boyuna karşılık Ψ ve eğrileri...41 Şekil nm kalınlığındaki GaS ince filminin spektroskopik elipsometre yardımıyla ölçülen, dalga boyuna karşılık Ψ ve eğrileri...42 Şekil 4.8 GaSe ince filmlerinin doğrusal soğurma spektrumları...42 Şekil 4.9 GaSe S ince filmlerinin doğrusal soğurma spektrumları...43 Şekil 4.10 GaSe 0.60 S 0.40 ince filmlerinin doğrusal soğurma spektrumları...43 Şekil 4.11 GaSe 0.40 S 0.60 ince filmlerinin doğrusal soğurma spektrumları...43 Şekil 4.12 GaSe S ince filmlerinin doğrusal soğurma spektrumları...44 Şekil 4.13 GaS ince filmlerinin doğrusal soğurma spektrumları...44 Şekil 4.14 GaSe amorf ince filmlerinin yasak enerji bant aralıkları...45 Şekil 4.15 GaSe S amorf ince filmlerinin yasak enerji bant aralıkları...45 Şekil 4.16 GaSe 0.60 S 0.40 amorf ince filmlerinin yasak enerji bant aralıkları...46 Şekil GaSe 0.40 S 0.60 amorf ince filmlerinin yasak enerji bant aralıkları...46 Şekil 4.18 GaSe S amorf ince filmlerinin yasak enerji bant aralıkları...47 Şekil 4.19 GaS amorf ince filmlerinin yasak enerji bant aralıkları...47 Şekil nm kalınlığındaki GaSe x S 1-x amorf ince filmlerinin doğrusal soğurma eğrileri ve bant aralıkları...48 Şekil 4.21 GaSe amorf ince filmlerinin I 0 =1.35 GW/cm 2 şiddetinde alınan pikosaniye açık yarık Z-tarama eğrileri...49 Şekil 4.22 GaSe S amorf ince filmlerinin I 0 =1.35 GW/cm 2 şiddetinde alınan pikosaniye açık yarık Z-tarama eğrileri...49 Şekil 4.23 GaSe 0.60 S 0.40 amorf ince filmlerinin I 0 =0.61 GW/cm 2 şiddetinde alınan pikosaniye açık yarık Z-tarama eğrileri...50 Şekil 4.24 GaSe 0.40 S 0.60 amorf ince filmlerinin I 0 =0.61 GW/cm 2 şiddetinde alınan pikosaniye açık yarık Z-tarama eğrileri...50 Şekil 4.25 GaSe S amorf ince filmlerinin I 0 =0.61 GW/cm 2 şiddetinde alınan pikosaniye açık yarık Z-tarama eğrileri...51 viii

10 Şekil 4.26 GaS amorf ince filmlerinin I 0 =0.61 GW/cm 2 şiddetinde alınan pikosaniye açık yarık Z-tarama eğrileri...51 Şekil 4.27 a. 50 nm ve b. 75 nm kalınlıklarındaki GaSe 0.60 S 0.40 amorf ince filmlerinin üç boyutlu AFM görüntüleri...52 Şekil nm kalınlığındaki GaSe amorf ince filminin 65 ps atma süresinde ve farklı şiddetlerde alınan normalize geçirgenlik eğrileri...52 Şekil nm kalınlığındaki GaSe S amorf ince filminin 65 ps atma süresinde ve farklı şiddetlerde alınan normalize geçirgenlik eğrileri...53 Şekil nm kalınlığındaki GaSe 0.60 S 0.40 amorf ince filminin 65 ps atma süresinde ve farklı şiddetlerde alınan normalize geçirgenlik eğrileri...53 Şekil nm kalınlığındaki GaSe 0.40 S 0.60 amorf ince filminin 65 ps atma süresinde ve farklı şiddetlerde alınan normalize geçirgenlik eğrileri...54 Şekil nm kalınlığındaki GaSe S amorf ince filminin 65 ps atma süresinde ve farklı şiddetlerde alınan normalize geçirgenlik eğrileri...54 Şekil nm kalınlığındaki GaS amorf ince filminin 65 ps atma süresinde ve farklı şiddetlerde alınan normalize geçirgenlik eğrileri...55 Şekil nm kalınlığındaki GaSe x S 1-x amorf ince filmlerinin 65 ps atma süresinde ve I 0 =1.35 GW/cm 2 şiddetinde alınan normalize geçirgenlik eğrileri...56 Şekil 4.35 a. Farklı kalınlıklardaki GaSe amorf ince filminin 4 ns atma süresinde b.75 nm kalınlığındaki GaSe amorf ince filmin farklı şiddetlerde alınan normalize geçirgenlik eğrileri...57 Şekil nm kalınlığındaki GaSe, GaSe S ve GaSe S amorf ince filmlerin ultra hızlı spektroskopiden 800 nm dalga boyunda elde edilen grafikler...57 Şekil nm kalınlığındaki GaSe amorf ince filminin tavlama sonucu elde edilen doğrusal soğurma eğrileri...58 Şekil nm kalınlığındaki GaSe amorf ince filminin tavlama sonrasında 65 ps atmalı lazer ile ölçülen normalize geçirgenlik eğrileri...59 ix

11 ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 5.1 GaSe x S 1-x amorf ince filmlerinin yasak enerji bant aralıkları.64 Çizelge 5.2 GaSe x S 1-x amorf ince filmlerinin kalınlığa ve kullanılan lazer ışık kaynağının pikosaniye atma süresine bağlı olarak açık yarık Z-tarama deneylerinden elde dilen I SAT ve β eff değerleri. 68 Çizelge 5.3 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış olan 65 nm kalınlığındaki GaSe amorf ince filminin kalınlığa ve kullanılan lazer ışık kaynağının pikosaniye atma süresine bağlı olarak açık yarık Z-tarama deneylerinden elde dilen I SAT ve β eff değerleri.. 70 x

12 1. GİRİŞ Elektromanyetik dalganın bir ortamdaki davranışını ve cisimle etkileşmesini araştıran bilim dalına optik denir. Optik temelli uygulama alanları gün geçtikçe daha da artmaktadır. Doğrusal olmayan optik konusu, optiğin en önemli çalışma alanlarından birisidir. Doğrusal olmayan optik, yüksek şiddetteki ışık ile malzemelerin soğurma, kırılma, yansıma gibi optik özelliklerinin değiştirilmesi olaylarını inceleyen bir bilim dalıdır. Malzemelerin optik özelliklerini değiştirmek için yeterli olan yüksek şiddet sadece lazer ışık kaynaklarından elde edilebilmektedir. Doğrusal olmayan optik, 1960 ta Maiman tarafından ilk çalışan lazerin yapılmasından kısa bir süre sonra, 1961 de Franken ve çalışma arkadaşları tarafından ikinci harmonik üretiminin keşfiyle başlar (Franken vd. 1961, Boyd 1992) ve bu doğrusal olmayan optiğin ilk kilometre taşı olarak bilinir (Guang vd. 1999). Bundan kısa bir süre sonra, toplam frekans üretimi (Bass vd. 1962), üçüncü harmonik üretim (Terhune vd. 1962), optik düzeltme (Bass vd. 1962), fark frekansı üretimi (Neihuhr 1963, Smith vd. 1963) ve optik parametrik yükseltme ve salınımını (Wang vd. 1965, Giordmaine vd. 1965) içeren lazer ışınlarının kullanımına dayalı birkaç optik frekans karışımı etkisi de deneysel olarak kanıtlanmıştır. Yarıiletken malzemeler çok uzun zamandan beri diyot, transistor gibi elektronik aygıtlarda ve fotovoltaik (güneş pilleri) teknolojisi gibi alanlarda kullanılan gruplardandır. Bunların dışında optik iletişim, optik anahtarlama ve optik sınırlama gibi diğer uygulama alanlarında da yarıiletkenler kullanılmaktadır (Smektala vd. 1998). Bu tez çalışmasında, yer alan III-VI yarıiletken ailesinden biri olan Galyum Sülfür (GaS) kristali külçe (bulk) halinde doğrusal olmayan optik alanında 1960 lı yıllardan beri çalışılmaktadır. Burada, geniş bir iletim aralığına sahip GaS kristalinin ikinci harmonik üretimi verimliliği incelenerek Galyum Selenid (GaSe) kristalinin ikinci harmonik üretimi verimliliği ile karşılaştırılmıştır. GaSe kristali 70 li yıllardan beri doğrusal olmayan optik alanında geniş olarak çalışılmıştır. Bu çalışmalardan bazılarını özetleyecek olursak; GaSe ve bazı farklı tabakalı kristallerin 694 ve 1060 nm dalga boylarındaki ikinci harmonik üretimi verimlilikleri 1978 yılında Catalano ve arkadaşları tarafından araştırılmış ve ikinci 1

13 harmonik verimliliğinin yasak enerji aralığına önemli derecede bağlı olduğu gözlenmiştir. Solomonov ve arkadaşları üçüncü harmonik sinyalin verimliliğini, GaSe kristaline gönderilen ışığın şiddeti ve malzemeye gelen ışık ile kristalin optik eksenine dik olan eksen arasındaki açıyı değiştirerek incelemiş ve GaSe kristalinden yansımada Neodmiyum ışığının üçüncü harmonik üretimini ilk kez gözlemişlerdir. GaSe kristalinin oda sıcaklığında doğrusal olmayan geçirgenlik yöntemiyle iki foton soğurma katsayısı 1998 yılında Vodopyanov ve arkadaşları tarafından incelenmiştir. Burada ns ve ps atma sürelerine sahip iki farklı lazer kullanılmıştır. 70 ns atma süresi, 3 Hz tekrarlama frekansı ve 700 nm dalga boyuna sahip (2800 nm dalga boylu, mod-kilitli Er,Cr:YSGG lazerinin dördüncü harmoniğinden elde edilmiş) lazer kullanıldığında GaSe kristalinin iki foton soğurma katsayısı, β=6x10-9 cm/w olarak bulunmuştur. Milimetre mertebesinde üç farklı kalınlıklardaki GaSe kristalinin ultra hızlı spektroskopi yöntemiyle doğrusal olmayan soğurma özelliği 2004 yılında Kulibekov tarafından incelenmiştir. Sıfır noktasındaki ( t=0, pompa ve geciktirilmiş olarak gönderilen diğer bir ışının zaman ekseninde üst üste bindiği an) yüksek soğurma iki foton soğurmasına atfedilmiştir. Burada şiddetin 3 mj/cm 2 den 16 mj/cm 2 ye arttırılması durumunda doğrusal olmayan soğurma katsayısının β=3x10-10 cm/w tan 1x10-10 cm/w a düştüğü bulunmuştur. t=1.5 ps deki (geciktirilmiş ışının pompa ışınından 1.5 ps kadar geciktirilmiş olduğu durum) serbest taşıyıcı soğurmasına atfedilmiştir yılında GaSe kristalinin iki foton soğurma özelliğini, 35 ps atma süresi ve 1064 nm dalga boyuna sahip Nd:YAG lazer kullanarak doğrusal olmayan geçirgenlik yöntemiyle araştıran Allakhverdiev iki foton soğurma katsayısını β=(6.3±2.2)x10-9 cm/w olarak belirlemiştir yılında ise GaSe kristalinin optik eksenine dik veya optik eksenine paralel kutuplu ışık ile uyarılması durumunda doğrusal olmayan soğurma özelliğinin değişimini incelemiştir. Deneyde 10 ps atma süreli, 81 MHz frekanslı ve 1064 nm dalga boylu Nd:YVO 4 lazeri kullanmıştır. Geometriye bağlı doğrusal olmayan soğurma özelliğinde çok büyük farklılık gözlenmemiştir. Optik eksene dik kutuplu ışık ile uyarıldığında doğrusal olmayan soğurma katsayısının β=1.07x10-9 cm/w ve optik 2

14 eksene paralel kutuplu ışık ile uyarıldığında ise doğrusal olmayan soğurma katsayısının β=1.88x10-9 cm/w olduğu bulunmuştur. Hızlı tepkime sürelerinden ve büyük doğrusal olmayan soğurma davranışlarından dolayı teknolojide kullanılan doğrusal olmayan aygıt ve alet yapımı için yarıiletkenler oldukça elverişli malzemelerdir (Van Stryland vd. 1985). Bunların doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurma özellikleri; optik sınırlama, optik veri depolama, Q-anahtarlama, foton enerjisini artırma (upconversion lasing) ve mod-kilitleme gibi bilimsel ve teknolojik uygulama alanlarında aranılan malzemeler olmalarına yol açmaktadır. Yarıiletken malzemelerin doğrusal olmayan veya doyurulabilir soğurma davranışı göstermeleri kullanılan lazer ışığının atma enerjisi ile yasak enerji aralıklarının rezonans durumda olup olmamasına bağlıdır. Kullanılan lazer ışığının atma enerjisi, yarıiletkenin yasak enerji aralığının yarısından büyük ve tamamından küçük ise doğrusal olmayan soğurma (iki foton soğurması) davranışı gözlenir. Yarıiletkenin yasak enerji aralığında katkı veya kusur seviyelerinin olmaması durumunda bu kural geçerlidir. İki foton soğurması davranışı gösteren yarıiletkenlerde, kullanılan lazer ışığının atma enerjisinin yasak enerji aralığına oranı (ħω/eg) 0.5 ten 1 e doğru yaklaştıkça iki foton soğurma olasılığı artar (Van Stryland vd. 1985, Mizunami vd. 1997, Mizunami vd. 1999, Gonzalez vd. 2009). Mizunami vd. (1997) tarafından optik fiberlerde dalga boyuna bağlı iki foton soğurma katsayısının değişimi incelenmiştir. Dalga boyu 440 nm den 560 nm ye arttırıldığında iki foton soğurma katsayısının β=(9±2)x10-5 cm/mw tan β=(4±1)x10-5 cm/mw a azaldığı bulunmuştur. (ħω/eg) oranı 1 e yaklaşmalı fakat 1 olmamalıdır. Çünkü 1 oranında olursa rezonans durumundan dolayı doyurulabilir soğurma gözlenme olasılığı doğar. Yarıiletkenin yasak enerji aralığında, kullanılan lazer ışığın atma enerjisine denk gelecek seviyelerde katkı veya kusur seviyeleri varsa ve lazer ışığının şiddeti iki foton soğurmasını baskın kılacak derecede yüksek değilse doyurulabilir soğurma gözlenir. Ayrıca kullanılan lazer ışığının enerjisi, yarıiletkenin yasak enerji aralığından büyük ise (ħω>eg) bu durumda da doyurulabilir soğurma gözlenir. Bu tez çalışmasında, GaSe x S 1-x yarıiletkenlerinin kristal ve amorf formunda doğrusal 3

15 olmayan soğurma özellikleri Z-tarama deney sistemi yardımıyla incelendi. Geniş yasak enerji bant aralığına (~2.11 ev) (Lee 1976, Grasso 1986) sahip GaSe yarıiletken yapıya sülfür girdikçe ne gibi değişiklikler olduğu gözlendi. Daha önce In, Ag ve S gibi atomlarla katkılandırılmış GaSe kristallerinin harmonik üretimi özellikleri üzerine literatürde yapılmış çalışmalar mevcuttur (Suhre vd. 1997, Singh vd. 1999, Das vd. 2006). Yine grubumuzda daha önce InSe (Yüksek vd. 2010), saf GaSe, Sn ve Ge katkılı GaSe (Kürüm vd., 2010) ve Ga 0.90 In 0.10 Se ve Ga 0.85 In 0.15 Se (Karatay vd. 2011) amorf ince filmlerinin katkılandırma ve film kalınlığına bağlı olarak doğrusal olmayan soğurma ve doyurulabilir soğurma özellikleri üzerine çalışmalar yapılmıştır. Daha önce yapılan bu çalışmalar amorf ince filmlerin doyurulabilir soğurma özelliklerinin malzemenin içsel özelliklerine (yerelleşmiş kusur seviyeleri), doyma şiddet eşik değerine, kullanılan lazerin darbe süresine ve ince filmin kalınlık ve katkılandırılmasına bağlı olarak değiştiğini göstermiştir. Bu tez çalışmasında ise daha önceki çalışmalardan farklı olarak saf GaS ve GaSe amorf ince filmlerinin karışımları ve doğrusal olmayan özelliklere ısısal etkinin nasıl olduğunu görmek amacıyla da tavlama etkisi üzerine çalışılmıştır. Literatürde çalışılan amorf filmler mikrometre mertebesindedirler ve bu filmler doğrusal olmayan soğurma davranışı göstermektedirler (Troles vd. 2004, Henari 2008). Bu tez çalışmasında, ısısal buharlaştırma yöntemiyle büyütülen 50 ile 75 nm aralığında 4 farklı kalınlıktaki (50 nm, 58 nm, 65 nm, 75 nm) GaSe x S 1-x amorf ince filmlerin doğrusal olmayan soğurma özellikleri açık yarık Z-tarama deneyleri yapılarak araştırıldı. İnce amorf yarıiletken filmlerde doyurulabilir soğurma ve kalınlığın değiştirilmesiyle doyurulabilir soğurmadan doğrusal olmayan soğurmaya geçiş gözlendi. Ayrıca, doğrusal olmayan soğurma davranışının bağlı olduğu, elektronların uyarılmış durumda kalma süreleri ultra hızlı pompa-gözlem spektroskopi (pump-probe) yöntemiyle belirlendi. Bunların dışında 65 nm kalınlığındaki saf GaSe amorf ince filmi 323 K, 400 K ve 500 K lerde tavlama işlemine maruz bırakılarak, sıcaklığın doğrusal olmayan özellikleri nasıl değiştirdiği incelendi. Malzemelerin doğrusal olmayan soğurma davranışları kullanılan lazer kaynağının atma 4

16 süresine bağlı olarak değişebilir. Metal oksitlerde 1995 yılında Ando ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada, 7 ns atma süresine sahip lazer ışığı ile malzeme uyarıldığında elde edilen doğrusal olmayan soğurma katsayısı, 35 ps atma süreli lazer ışığıyla uyarılması durumundan elde edilen doğrusal olmayan soğurma katsayısından daha büyük bulunmuştur. Bu nedenle, bu tez çalışmasında incelenen yarıiletkenlerin doğrusal olmayan soğurma özellikleri farklı atma sürelerine (4 ns, 65 ps) sahip iki lazer kaynağı kullanılarak açık yarık Z-tarama deney yöntemiyle incelendi. Doğrusal olmayan optiğin tanımından da anlaşılacağı üzere, malzemelerin farklı şiddetlerde uyarılmaları durumunda malzemelerin optik tepkileri farklı olur. Bu tez çalışmasında kullanılan nm arası kalınlıklardaki amorf ince filmler, şiddetin arttırılmasıyla doyurulabilir soğurma özellikleri göstermiştir. 5

17 2. KURAMSAL TEMELLER 2.1 Yarıiletkenler Elektriksel iletkenlikleri bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer alan yarıiletken malzemeleri diğer malzemelerden ayıran en önemli özellik, serbest taşıyıcılarının (elektron ve deşikler) rahatlıkla hareket edebilecekleri geniş bantlara ve bu bantlar arasında farklı yasak enerji bant aralıklarına (E g ) sahip olmalarıdır. Yarıiletken malzemelerin davranışlarını incelemek için metallerin teorisi yetersiz kalmaktadır (Wilson 1931). Üstelik bilinen bütün yarıiletkenlerde, periyodik tablonun IV. grubundan VII. grubuna kadar olan bölgede yer alan tek atomlu moleküllerde ve bir malzemenin yarıiletken olup olmadığı hakkında bu teori gerekli olan açıklamayı tam olarak yapamamaktadır. Bu nedenle üçlü bileşiklerin hazırlanması için değişik yaklaşımlar geliştirilmiştir. Mooser ve Pearson tarafından 1956 yılında yarıiletkenlerin valans bandı teorisi ortaya koyulmuş ve bir yarıiletken bağın belirlenmesi de onlar tarafından yapılmıştır. Mooser ve Pearson aynı yıl yarıiletkenlerin kovalent yapıları üzerinde de özellikle durmuşlardır. Bileşiği oluşturan elementlerin elektronegatifliklerindeki fark, bağdaki iyonlaşma derecesindeki yüzde oranını verir. Pauling 1960 yılında ikili yarıiletkenlerin %25 den daha fazla iyonik karaktere sahip olduklarını ileri sürmüştür. İki atom arasındaki iyoniklik aşağıdaki gibi ifade edilir: % iyoniklik 2 [ 1 exp( 0.25( ) )] = 100 x X a X b (2.1) Burada X a ve X b sırasıyla A ve B atomlarının elektronegatiflikleridir. Mooser ve Pearson a (1956) göre yarıiletkenlerde birbirlerine tek bağla bağlı iki atomdan birisi valans bandındaki s ve p orbitallerini doldurmuştur. Böylece atomik orbitallerin doluluk oranlarına göre yarıiletkenlerin özellikleri tahmin edilebilir. Doğal olarak yarıiletkenler 8-N kuralına uyarlar yani kovalent kristaldeki her bir atom 8 tane komşu atoma sahiptir. N atom çizgilerindeki periyodik grupların sıra sayılarını gösterir ve şu şekilde ifade edilir (Schön vd. 2001) : 6

18 N e + b = 8 (2.2) Na Burada N e bir yarıiletkendeki her bir molekülün valans elektronlarının sayısını; N a IV-VII atom gruplarından olan moleküllerin sayısını ve b ise IV-VII atom gruplarından olan moleküllerin kendi aralarında ve diğer moleküllerle yaptıkları bağ sayısını temsil eder. Yarıiletkenlerde bant oluşumu; tek bir atomu ele aldığımızda, atom çekirdeği ve çekirdek etrafındaki elektronların uyarılabileceği izinli kuantum seviyeleri vardır. İki atom yan yana getirildiğinde atomların bu seviyeleri ikiye yarılır. Bir katıyı (malzemeyi) oluşturmak için N tane atom yan yana getirildiğinde her bir atomun bu seviyeleri N tane seviyeye yarılarak bantları oluştururlar. Bantlar arasında kalan boşluk yasak enerji bant aralığı olarak bilinir (Şekil 2.1). Bantlar arasında kalan bu boşluk elektronların oda sıcaklığında uyarılamayacakları kadar büyüktür ve yasak enerji aralığı olarak bilinir. Değerlik bandı mutlak sıfırda tamamen doludur. Bu bant kovalent bağlanmadan sorumlu elektronları içerdiği için değerlik (valans) bandı olarak bilinir. En düşük işgal edilmemiş enerji bandı da iletkenlik bandı olarak bilinir (Hook ve Hall 1999). Değerlik bandı ile iletkenlik bandı arasında tipik olarak yaklaşık 1 ev luk bir yasak enerji aralığı vardır (Hook ve Hall 1999) ve bu yasak enerji aralığının olması dolayısıyla oda sıcaklığında yalıtkan olan bu malzemelere; ısıtma, ışık veya elektrik akımına maruz bırakma gibi işlemler uygulanarak elektronlarının değerlik bandından iletim bandına uyarılması sağlanır ve iletkenlik özelliği kazandırılır. S S S S S S S S S S S S S S S S S S S E i E g E v Şekil 2.1 Yarıiletkenlerde bant oluşumu (Sarı 2008) 7

19 Yarıiletkenler, sahip oldukları değerlik bandı (E v ), iletim bandı (E i ) ve yasak enerji (E g ) aralıklarıyla karakterize edilirler. Değerlik bandının maksimumu iletim bandının minimumunun tam üstünde yer alıyorsa bu yarıiletken malzeme direk bant aralığına sahiptir denir. Değerlik bandının maksimumu iletim bandının minimumunun üzerine denk gelmiyorsa bu yarıiletkene de indirek bant geçişli denir. Direk ve indirek bant geçişleri şekil 2.2 de gösterilmektedir. E g k X[000] Γ[000] E g L[000] k Şekil 2.2 Yarıiletkenlerde indirek ve direk bant geçişleri (Sarı 2008) 2.2 Doğrusal ve Doğrusal olmayan Soğurma Doğrusal soğurma Doğrusal soğurma katsayısı, malzemelerin doğrusal olmayan soğurmalarının belirlenebilmesi için bilinmesi gereken parametrelerden biridir. x kalınlığındaki saydam bir ortam üzerine enerjisi birinci uyarılmış seviye ile taban seviyesi arasındaki enerji farkı kadar ya da ondan daha büyük (yarıiletkenler için hν E g ) bir ışık demeti gönderildiğinde doğrusal soğurma olayı gerçekleşir. 8

20 I 0 I x Şekil 2.3 Işığın madde içinden geçerken doğrusal soğurulması Şekil 2.3 te gösterildiği gibi bir malzemeye şiddeti I o olan ν frekanslı ışık demeti gönderilirse; bu malzemede bir soğurulma meydana geleceğinden çıkan ışığın şiddetinde bir azalma olur. Yani I<I o olur. Burada malzemeye gönderilen ışığın şiddeti I o, malzemede doğrusal olmayan optik tepkiler gerçekleştiremeyecek kadar düşüktür. Bu soğurulma elektronların taban seviyesinden birinci uyarılmış seviyeye tek foton yardımıyla çıkarılmaları sonucunda gerçekleşir. Malzemenin çizgisel soğurma katsayısı Lambert-Beer yasasından ve deney sonuçlarından elde edilir ve = ifadesi ile verilir. Burada I 0 malzemeye gelen α 0 x I I 0e ışının şiddeti, I malzemeden çıkan ışının şiddeti, x malzemenin kalınlığı, α 0 ise malzemenin çizgisel soğurma katsayıdır (Hecht vd. 1990) Doğrusal olmayan soğurma Bir malzemenin optik özelliklerinde lazer kaynaklı şiddetli bir ışıma ile belirgin değişiklikler ortaya çıkabilir. Doğrusal olmayan soğurma; şiddet veya akının bir fonksiyonu olarak malzemenin geçirgenliğindeki değişikliğe atfedilir. Yeteri kadar yüksek şiddetlerde, malzemenin taban seviyesine inmeden önce birden fazla foton soğurmasının olasılığı büyük ölçüde arttırılabilir. Göppert-Meyer (1931) ikinci dereceden pertürbasyon teorisini kullanarak bir sistemde iki-fotonlu geçiş olasılığını teorik olarak türetmiştir (Sutherland vd. 2003). 9

21 Lazerin keşfedilmesinden itibaren malzemelerin geniş bir bölümünde sadece kendiliğinden iki-foton soğurması değil, ikiden çok foton soğurması geniş ölçüde çalışılmıştır. Bunların dışında şiddetli lazer alanları tarafından indüklenen nüfuslanmanın yeniden düzenlenmesi, katılarda serbest taşıyıcıların üretilmesi, karmaşık moleküllü sistemlerde karmaşık enerji geçişleri (ardışık foton soğurması) ve uyarılmış yayılma ve soğurma da çalışılmıştır. Bu olay optik olarak, artan şiddete bağlı olarak geçirgenlik artıyorsa; doyurulabilir soğurma, geçirgenlik azalıyorsa; ardışık foton soğurması, iki veya daha fazla foton soğurması, serbest taşıyıcı soğurması ve uyarılmış durum soğurması olarak adlandırılır. Malzemelerin frekansa bağlı geçirgenliğinde doğrusal olmayan soğurma tarafından üretilen farklı birçok etki bilim ve teknolojide spektroskopi, optik veri depolama, optik anahtarlama ve optik sınırlama gibi birçok farklı uygulamanın ortaya çıkmasına neden olmuştur Doyurulabilir soğurma Doyurulabilir soğurma da doğrusal olmayan optik soğurmadan biridir. Malzemelerin birçoğu şiddetin arttırılması durumunda soğurma katsayılarının azalması özelliğine sahip olup bu malzemelere doyurulabilir soğurucular adı verilmektedir. Şiddetli lazer ışığına maruz bırakılan malzemenin ölçülen soğurma katsayısının (α) gelen lazer ışığının şiddetine (I) bağlılığı; α 0 α = (2.3) 1 + I I s ifadesi ile verilir (Colin vd. 1996). Burada α 0 doğrusal soğurma katsayısı ve I s ise malzemenin doyuma geldiği andaki şiddetidir. Doyurulabilir soğurmanın bir sonucu optik kararsızlıktır. Bu özelliğe sahip malzemeler, atmalı lazerlerde atma şeklinin düzenlenmesi ve lazerlerde yüksek şiddetli ışık elde edilmesine neden olan kavite yapımında kullanılabilirler. 10

22 İki seviyeli sistemlerde doğrusal olmayan soğurma Bu sistemler altta değerlik bandı ve üstte iletim bandı olmak üzere yarıiletkenlerin bant yapılarıyla açıklanabilir. Yarıiletken bir malzeme, bu iki bant arasında kalan yasak enerji aralığına denk gelecek enerjiye sahip bir ışığa maruz bırakıldığında, bu ışık sayesinde değerlik bandındaki elektronlar direk iletim bandına uyarılırlar. İki seviyeli sistemlerde nüfuslanmanın yeni dağılımı, ışığın yüksek şiddetteki ışınlarının soğurulmasında bir azalmaya neden olur. Gelen ışığın fotonları, elektronları bir üst banta uyarmaları sonucunda tabandaki elektron sayısında azalma olur. Ayrıca üst bantın nüfuslanması fotonların kendiliğinden ve uyarılmış yayınımlarına yol açar. Sonuç olarak, sistem düşük şiddetlerdeki koşullarda olduğu kadar gelen ışığın büyük bölümünü soğurmayacaktır. Bu işlem doyurulabilir soğurma olarak adlandırılır (Shen 1984, Yariv 1989, Butcher ve Cotter 1990, Boyd 1992). Fakat bu işlemin taban yani değerlik bandındaki elektronların sayısı ve çıkarılacakları bantların sayısıyla ilişkili olduğunu göz önünde bulundurmak gerekir. Gelen ışın demeti sayesinde tabandaki elektronların yarısı üst banta uyarıldıklarında, bu malzemenin tabanda geri kalan elektronlarını uyarmak mümkün olmayacaktır ve malzeme doyuma ulaşmış olur. Aynı zamanda uyarılan elektronların yerleşebilecekleri bant sayısı sınırlı ise, bu durumda da malzeme doyuma ulaştırılabilir ve üzerine gelen ışığın büyük bölümünü geçirebilir. Bunun tersi durumda, uyarılan elektronların çıkabilecekleri bantlar fazla ise, bu bantları belli bir şiddete kadar doyurmak mümkün olmayacağından malzeme doyurulabilir soğurma yerine doğrusal olmayan soğurma gösterecektir. Şekil 2.4 te iki seviyeli sistemin şematik gösterimi bulunmaktadır. İki seviyeli sistemlerde doyurulabilir soğurmanın iki durumu göz önünde bulundurulur. Birincisi homojen genişleyen sistem olarak adlandırılır. Genişleme terimi soğurma spektrumunun genişliğini (genellikle frekans olarak ölçülür ve birimi Hz veya cm -1 ) belirtmektedir. Homojen genişleyen bir sistemde, sistemin içinde yer alan atom veya moleküllerin hepsi iki bant arasında kalan enerji ile rezonans frekansa sahiptir. Homojen olmayan bir şekilde genişleyen bir sistemde ise, sistemi oluşturan atom veya moleküllerin bazıları farklı rezonans frekansına sahiptir. 11

23 ћ ω e ћω eg ћω Şekil 2.4 İki seviyeli bir sistemin şematik gösterimi g Katı malzemelerde homojen olmayan bir gerilim dağılımı homojen olmayan bir dağılıma yol açabilir. Amorf malzemeler buna örnek olarak verilebilir. Homojen ve homojen olmayan bir şekilde genişleyen sistemlerin soğurma çizgilerinin genişliği, düşük şiddetlerdeki mikroskobik sönüm faktörüyle belirlenmektedir İki foton soğurması İki foton soğurması (TPA), gelen ışık demetinden iki fotonun kendiliğinden soğurulmaları sonucu sistemin tabandan bir üst banta geçişini içerir. Tek-foton soğurması yalnızca gelen fotonun enerjisine bağlı iken iki foton soğurması hem enerjiye hem de şiddete bağlıdır. Şekil 2.5 te iki foton soğurması olayını açıklayan olası iki durum gösterilmektedir. Birincisinde, ω frekansında salınan, aynı optik alandan iki fotonun yaklaşık olarak rezonansa (2ω) geçişini sağlayan soğurmadır. İkinci durumda, ω e ve ω p frekanslarına sahip iki alandan birer foton soğurularak yaklaşık olarak (ω e + ω p ) ile rezonansta olan geçiş sağlanır. Bu durumdaki ilk alan (e alt indisli olan) pompa veya uyarma ışını, ikincisi ise (p alt indisli olan) pompa ışınına göre geciktirilmiş diğer bir ışın gözlem (probe) olarak düşünülebilir. Her iki durumda, aradaki seviye gerçek değil sanal seviyedir. Dolayısıyla sistem kendiliğinden iki fotonu soğurmalıdır. Bu durum ancak yüksek şiddetli lazer ışınları ile gerçekleştirilebilir. 12

24 ћω Uyarılmış seviye ћω p Uyarılmış seviye Sanal seviye Sanal seviye ћω ћω e (a) Taban seviyesi (b) Taban seviyesi Şekil 2.5 İki foton soğurmasının şematik gösterimi a. Kendiliğinden çift foton soğurması, b. ultra hızlı spektroskopi (pump-probe) çift foton soğurması İki bant arasındaki geçiş gerçel ara seviye içermemesine rağmen, genellikle var olan safsızlıklardan dolayı az miktarda da olsa doğrusal soğurma oluşur. Bu soğurma işlemin son durumuna geçişte bir katkıda bulunmaz, fakat ek bir kayıp mekanizması olarak görev yapar. Tek fotonlu pompalama sonucu bantlar arası geçişi içeren iki basamaklı soğurmaya uyarılmış durum soğurması adı verilir Tek ışınla iki foton soğurması Tek ışınla iki foton soğurması durumunda doğrusal olmayan soğurma, anlık şiddetin karesiyle orantılıdır. Malzemeye gönderilen ışık malzemeden geçerken oluşan optik kaybı tanımlayan diferansiyel eşitlik: di dz 2 = αi βi (2.4) şeklinde verilir (Bass 1994). Burada α safsızlıklardan kaynaklanan doğrusal soğurma katsayısı ve β iki foton soğurma katsayısıdır. β iki foton soğurması katsayısı malzemeyi karakterize eden makroskobik bir parametredir. Genellikle iki foton soğurma ara kesiti (σ 2 ) olarak adlandırılan özgün moleküllerin iki foton soğurması özelliği ile ilgilenilir. σ 2 ile β arasındaki bağıntı: 13

25 hωβ σ 0 = (2.5) N şeklindedir (Marvin 2003), burada N sistemdeki molekül sayısı ve ћω gelen optik alandaki fotonların enerjisidir. İki foton soğurma katsayısının üçüncü dereceden alınganlıkla ilişkisi de: β 3π = (3) ln χ 2 ε 0n cλ (2.6) şeklindedir. χ (3) ün sanal (imajiner) kısmından doğrusal olmayan soğurma gücü belirlenir. Bir ölçüm alındıktan sonra iki foton soğurması gibi nicelikleri belirlemek için frekansındaki ışığa karşı malzemenin net geçirgenliğinden faydalanılır. Sürekli lazer veya atmalı lazer kullanımına bağlı olarak malzemenin geçirgenliği değişir. Her zaman ölçülen fiziksel nicelik optik şiddettir. Böylece geçirgenlik T geçen şiddetin gelen şiddete oranı olarak adlandırılır. Gaussian atmalı lazer kullanıldığında malzemelerin geçirgenliği (Sutherland vd. 2003): 2 ( 1 R) exp( αl) 2 ln[1 + q0 exp( x π q0 T = )] dx (2.7) ile verilir. Burada, q0 ) 0 = β ( 1 R I Le, ff L eff 1 exp( α L) = ve x = z α z 0 şeklinde olup z 0 Rayleigh aralığıdır. Bütün durumlarda I 0 havadan malzeme üzerine gelen maksimum ışın şiddetine karşılık gelirken, R parametresi malzemenin yüzeyindeki Fresnel yansımasıdır İki ışınla iki-foton soğurması İki ışınla iki foton soğurması işlemi şekil 2.5.b de gösterildiği gibi farklı frekanslardaki iki fotonun eşzamanlı soğurulmasını içerir. Bu frekanslar pompa veya uyarma frekansı ( e ω ) ve geciktirilmiş diğer bir ışığın gözlem frekansı ( ω ) olarak düşünülebilir. Her iki p 14

26 ışının şiddetleri karşılaştırılabilir derecede olmalıdır, fakat genelde I I olur. Aradaki p e seviye sanal olduğundan dolayı sistemde geçiş olabilmesi için iki foton eş zamanlı olarak soğurulmalıdır. Buradaki iki foton soğurması katsayıları da üçüncü dereceden alınganlıkla ilişkilendirilirler. Pompa ve geciktirilmiş ışık ışınları ortogonal kutuplanmaya sahip olmalılar, yani bu doğrusal olmayan işlemler malzemede uyarılmış iki renkliliğe (dichroism) yol açmalıdır. Işınların güç yitirimini tanımlayan diferansiyel eşitlikler şu şekilde verilir (Sutherland vd. 2003): di e dz = α I e e ω 1/ 2 e 2 2 βepi ei p βeei e ω p di dz p 1/ 2 ω p 2 2 β pei pi e β pp I p ω e = α p I p (2.9) Bu eşitliklerde ortadaki terimler uyarılmış iki renkliliği tanımlarken, ilk ve son terimler sırasıyla doğrusal ve kendiliğinden uyarılmış iki foton soğurmasını tanımlar Serbest taşıyıcı soğurması Yarıiletken bir malzeme bir foton soğurduğunda, bir taşıyıcı aynı banttaki dolu bir seviyeden işgal edilmemiş bir seviyeye uyarıldığı zaman serbest taşıyıcı soğurması oluşur. Bu soğurma yarıiletkenlerdeki bantlar arası soğurmadan farklıdır. Çünkü uyarılmış olan elektron bir iletim elektronu olup serbestçe hareket edebilir. Düşük soğurma düzeninde sönümleme aşağıdaki gibi verilir (Sutherland vd. 2003): I = α I z 0 σ c Nc ( I) I (2.10) Burada N c (I) şiddete bağlı taşıyıcı yoğunluğu ve σ c serbest taşıyıcı ara kesitidir. Yüksek 15

27 frekans geçirgenliğine (1/ω 2 ) ile orantılı olarak katkıda bulunmaktadır, yani yarıiletkenlerde kızılötesi ışımalarda çok önemli bir yere sahiptir. Serbest taşıyıcı yoğunluğu orantı denklemlerinden; N z α I = hω τ c 0 N c c (2.11) Şeklinde olup τ c elektron-deşik birleşmesine bağlı serbest taşıyıcı durulma süresidir. Malzemeye gelen ışığın atma süresi taşıyıcı durulma süresinden daha düşük olduğunda eşitlik (2.11) deki ikinci terim ihmal edilir ve akı sönümleme eşitliğini elde etmek için eşitlik (2.10) ve (2.11) zaman üzerinden integre edilirler: F z F = α + F F 0 1 (2.12) 2 s Burada F s = hω doyum akısıdır. Buradaki doyum akısının tanımlamasında yer alan σ c ara kesit serbest taşıyıcı arakesitidir, yani doğrusal soğurma ara kesiti değildir Uyarılmış durum soğurması Malzemeye gelen ışığın şiddeti doyum şiddetinden çok büyük ise uyarılan seviye önemli derecede doldurulmuş olur. Yarıiletkenler ve çok atomlu sistemlerde uyarılan seviyenin yakınında yüksek yoğunlukta seviyeler vardır. Uyarılan bir elektron taban seviyesine inmeden bu seviyelerden birine hızlı bir şekilde geçiş yapar. Ayrıca uyarılan seviyeden daha yukarıda yer alan ve gelen foton ile yakın rezonansta olan seviyeler de mevcuttur. Bu yüzden, elektron taban seviyesine inmeden bir foton soğurarak yukarıdaki seviyelere geçiş yapabilir. Bu işlem uyarılmış durum soğurması olarak bilinir ve gelen ışığın şiddeti taban seviyesinin nüfuslanmasını önemli derecede azalttığında meydana gelir. Uyarılan seviyenin soğurma tesir kesitinin taban seviyesinin soğurma tesir kesitinden daha küçük ise sistemin yüksek şiddetlerdeki ışığa maruz bırakılması durumunda geçirgenliği artacaktır. Bu işlem duyurulabilir soğurma olarak adlandırılır (Sutherland vd. 2003). Bu işlem iki seviyeli sistemlerdeki doyurulabilir soğurmaya 16

28 benzer fakat ondan çok daha karmaşıktır. İki seviyeli sistemlerde doyurulabilir soğurma, gelen ışığın atma süresi uyarılmış elektronun taban seviyesine veya herhangi bir alt seviyeye inme süresinden daha düşük olduğunda ve daha yüksek bir seviyeye geçiş olmadığında gerçekleşir. Yarıiletkenlerde, yasak enerji aralığından daha büyük enerjiye sahip bir foton soğurulması durumunda, yarıiletkenin bir elektronu iletim bandına yükseltilir. Uyarılan elektron iletim bandının üstünde kalan fazlalık enerjisini hızlı bir şekilde ortama vererek iletim bandının tabanına iner. Buradan da karakteristik birleşme süresinden sonra değerlik bandındaki uyarılmış bir deşikle birleşir. Bununla beraber, yeteri kadar yüksek şiddetlerde, iletim bandında iken büyük bir olasılıkla başka bir foton soğurur. Bu işlem serbest taşıyıcı soğurması olarak adlandırılır (Sutherland vd. 2003) İki-foton yardımlı uyarılmış durum soğurması Malzemede iki foton soğurması fazla ise iki fotona izinli bir seviyenin önemli derecede dolmasına yol açar ve genellikle bu seviyeden sistemin daha yüksek seviyelerine ışımalı geçiş için izin verir. Bu işlem yarıiletkenler ve çok atomlu sistemlerde meydana gelir. Bu durumda sönüm ve uyarılmış seviyenin nüfuslanmasını veren eşitlikler (Sutherland vd. 2003): I = αi βi z 2 σni (2.13) N t = 2 βi N 2hω τ 1 (2.14) şeklinde verilir. Burada α safsızlık soğurucularının doğrusal soğurma katsayısı ve τ 1 iki fotonla uyarılan seviyenin ömrüdür. Malzemenin uyarıldığı ışığın atma süresi iki fotonla uyarılan seviyenin ömründen çok büyük ise eşitlik (2.14) teki ikinci terim ihmal edilebilir. 17

29 3 MATERYAL VE YÖNTEM Bu bölümde GaSe ve GaS yarıiletken ince filmlerinin hazırlanması, film kalınlıklarının belirlenmesi ve doğrusal ve doğrusal olmayan optik özelliklerini belirlemek için kullanılan ölçüm yöntemleri anlatılacaktır. GaS ve GaSe, A III -B VI grubunda tabakalı yapıda kristalleşen yarıiletken ailesindendir. Bu kristaller fotovoltaik ve optik özellikleri bakımından oldukça ilginçtirler. GaS, S-Ga- Ga-S (Caraman vd. 2008, Gama vd. 2005) ve GaSe, Se-Ga-Ga-Se (Therhell 1983, Mc Canny ve Murray 1977) şeklinde bir yapıda paketler halinde şekillenirler. Şekil 3.1 de sıkı paketlenmiş dört GaSe tabakasının oluşturduğu yapı gösterilmektedir (Kamimura ve Nakao 1968). Her bir tabaka diğer bir tabakaya Van der Waals kuvvetiyle bağlıdır. GaSe kristali büyütülme yöntem ve koşullarına bağlı olarak hekzagonal veya rombohedral yapıda, GaS kristali ise hekzagonal yapıda kristaleşmektedir. Ayrıca bu kristaller büyütülme koşullarına bağlı olarak n-tipi veya p-tipi yarıiletkenler şeklinde elde edilebilmektedirler (Sanchez-Royo vd. 1998, Ateş 2002). Bu tezde çalışılan GaS ve GaSe kristali p-tipi yarıiletkenlerdir. GaSe ve GaS kristallerinin diğer bazı özellikleri aşağıda verilmektedir: GaSe kristalinin özellikleri: GaSe kristali tabakalı yapıya sahiptir ve tabakalar birbirlerine Van der Waals kuvvetleriyle bağlanarak, c-ekseni doğrultusunda büyüyen hekzagonal veya rombohedral yapılar oluştururlar. Bu yüzden bu kristalleri rastgele bir doğrultuda kesmek zor olsa da c-eksenine dik bir şekilde keserek tabakaları birbirinden ayırmak kolaydır (Mc Canny ve Murray 1977). Oda sıcaklığında yaklaşık 2.1 ev luk indirek yasak enerji bant aralığına sahiptir (Lee 1976, Grasso 1986) ve direk veya indirek bant geçişli yasak enerji aralıkları arasında sadece 25 mev luk fark vardır (Chikan ve Kelley 2002). GaSe nin erime sıcaklığı 936 C dir (Gouskov vd. 1982). GaSe kristali çok geniş bir iletim aralığına ( µm) sahiptir. Çok yüksek çift kırıcılık özelliğine sahiptir (Fernelius 1994). Koyu kırmızı renkte olan GaSe çok kırılgan, yumuşak ve kolayca bölünebilen tabakalar halinde kristalleşir (Gouskov vd. 1982). 18

30 GaSe gibi tabakalı yapılar, zayıf olan bantlar arası bağlanmadan dolayı yığılma kusurları veya dislokasyonlar içerir. Şekil 3.1 GaSe kristalinin sıkı paketli tabakalarının gösterimi (Kamimura ve Nakao 1968) Şekil 3.2 Tabakalı GaSe kristalinden bir kesit GaSe nin üç hekzagonal kristal çok tiplerinin (ε-gase, β-gase, δ-gase) yanında rombohedral γ-gase tipi de mevcuttur. ε ile β-çok tiplerinin birim hücreleri iki tabakadan ve γ ile δ çok tiplerinin birim hücreleri ise üç veya dört tabakadan oluşmaktadır. Tabakalar aralarında mevcut olan ilişki neticesinde tabakaların bazı bölümlerinin birbirlerine temas etmesi mümkündür ve çok tiplerinin oluşmasının bir nedeni de budur. Bu tez çalışmasında kullanılan GaSe x S 1-x kristalleri Dikey Bridgman yöntemi ile büyütülmüştür. 19

31 GaS kristalinin özellikleri: GaSe ye benzer şekilde tabakalı yapıya sahiptirler. Hekzagonal yapı oluştururlar. Tabakalı yapılar oldukça fazla anizotropik özelliklere sahiptirler. Atomlar birbirlerine kovalent veya iyonik bağla bağlanmışlardır. Her bir tabaka arasında ise Van der Waals bağı vardır. Sarı renkte olan GaS kristali yine GaSe kristaline benzer şekilde çok kırılgan, yumuşak ve kolayca bölünebilen tabakalar halinde kristalleşir. Oda sıcaklığında 2.5 ev luk bir enerji bant aralığına sahiptir. GaS; S-Ga-Ga-S tabakaları şeklinde kristalleşir. Isıya ve ışığa duyarlıdır. Erime sıcaklığı 965 o C dir. Şekil 3.2 de sıkı tabakalı GaS kristalinin gösterimi bulunmaktadır. Şekil 3.3 GaS kristalinin sıkı paketli tabakalarının gösterimi 3.1 Vakum Altında Isısal Buharlaştırma Yöntemi İnce film büyütme yöntemlerinden birisi ısısal buharlaştırma yöntemidir. Bu yöntem ile katı durumdaki malzemelerin vakum altında ısıtılarak buharlaştırılması durumunda herhangi bir engelle karşılaşmadan alttaş üzerine direk gitmeleri sağlanır. Alttaş üzerine gelen buhar halindeki tanecikler enerjilerinin çok büyük bölümünü alttaş ile paylaşarak soğurlar ve tekrar katı hale geçerler. Bu şekilde tanecikler birbirlerinin üzerine eklenerek istenilen büyüklüklerde ince film elde edilebilir. GaS, GaSe ve bunların karışımlarından elde edilecek olan ince filmler, üniversitemiz Optik Araştırma Laboratuvarında Şekil 3.4 te gösterilen vakum altında ısısal buharlaştırma sistemiyle büyütüldü. Vakum altında ısısal buharlaştırma sisteminin bilgisayara bağlı bir programa sahip olması nedeniyle kontrollü bir şekilde (saniyede

32 Ǻ den başlayarak) istenilen hızda ince film büyütülebilmektedir. Çok kısa sürede (yaklaşık 20 dak.) 8x10-6 Torr basınca inebilmektedir. Sahip olduğu kalınlık dedektörü ve monitörü sayesinde alttaş üzerine hangi kalınlıkta ince filmin büyüdüğü hakkında bilgi vermektedir (yaklaşık %20 hata ile). Şekil 3.4 Vakum altında ısısal buharlaştırma sistemi 3.2 GaSe x S 1-x İnce Filmlerinin Büyütülmesi % saflıktaki galyum, selenyum ve sülfürden Bridgman metodu ile büyütülen kristallerden elde edilen ince filmleri elde etmek için, bu kristaller bir jilet yardımıyla küçük parçalar halinde kesilerek hassas terazide tartıldılar. GaSe x S 1-x (x=0, 0.225, 0.4, 0.6, ve 1) kristallerinden 50, 58, 65 ve 75 nm kalınlıklarında ince filmler büyütüldü. Buharlaştırma esnasında kesilip tartılan kristaller Molibden kaşık içerisine yerleştirildiler. Büyütülen her bir malzeme için farklı Molibden kaşık kullanıldı. İnce filmlerin üzerinde büyütüldükleri fused silika alttaşlar ultrasonik banyoda yaklaşık 2 saat süreyle yıkanıp oksitlenmenin engellenmesi amacıyla azot gazına maruz bırakıldıktan sonra hemen alttaş tutucuya yerleştirildiler. Alttaş tutucu Molibden kaşıktan yaklaşık olarak 14 cm yukarıda asıldı. Alttaş tutucu ve malzemeler yerlerine yerleştirildikten sonra vakum odasının basıncı 5x10-5 Torr a getirildi ve kaşık içinden elektrik akımı geçirilerek ısıtılmaya başlandı. Kaşık ~44 A de kızarmaya başladı ve 21

33 büyüme hızı yaklaşık 0.5Å/s olacak şekilde kaşıktan geçirilen akım ayarlandı (53 Amper civarında). Fused silika alttaş üzerine büyütülen bir GaS ince filminin görünümü Şekil 3.5 deki gibidir. Şekil 3.5 Fused silika üzerine büyütülmüş GaS ince filmi 3.3 Yarıiletkenlerde Doğrusal Soğurma Katsayısı ve Yasak Enerji Aralığının Belirlenmesi Yarıiletken malzemelerde doğrusal soğurma katsayıları iki farklı durum için iki şekilde belirlenirler. Külçe formundaki yarıiletken kristaller için (Urbach 1953, Pankove 1971); n A E Eg α = ( ) (3.1) E eşitliğinden bulunabilir. Burada A bir sabit; E (hν), uygulanan dalgaboyundaki fotonun enerjisi, E g yasak enerji aralığı ve n=2,3,1/2 ve 3/2 gibi değerler alır. Burada n=2, indirek bant geçişli fakat yasak enerji aralığında safsızlık ya da katkı seviyelerinin olması; n=3, indirek bant geçişli ve yasak enerji aralığında herhangi bir seviyenin olmaması; n=1/2, direk bant geçişli olup yasak enerji aralığında safsızlık veya katkı seviyelerinin olması ve n= 3/2, direk bant geçişli olup yasak enerji aralığında herhangi bir seviyenin olmaması durumlarında kullanılır (Qasrawi 2005). Yarıiletkenlerin amorf formları için durum biraz farklıdır. Amorf yarıiletkenlerde 22

34 soğurma katsayısı α > c m - 1 olması durumunda eşitlik (3.1) kullanılırken, 1 < α < 1 0 c m - 1 aralığında olması durumunda (Pankove 1971, Tauc 1974, Qasrawi 2005); α = α exp( E ) (3.2) 0 E e eşitliği kullanılır. Burada α 0 sabit, E gelen fotonun enerjisi ve E e eksponansiyel kenar bölgesinin eğimini karakterize eder ve filmde var olan kusur veya katkı seviyelerinin bant kuyruğunun genişliğine karşılık gelir. Hem külçe hem de amorf formundaki yarıiletkenlerin yasak enerji aralığının belirlenmesi için ise eşitlik (3.1) kullanılır. Bu durumda hν ye karşılık (ahν) n çizdirilir (x-ekseni hν ve y-ekseni (ahν) n olmak üzere). Burdaki n yukarıda bahsettiğimiz aynı sayı değerlerini aynı durumlar için alır. Soğurma kenarıyla çakışık bir çizgi çizilip x- eksenine indirilir, bu çizginin x-eksenini kestiği noktanın enerji değeri o malzemenin yasak enerji aralığının değeridir GaSe x S 1-x yarıiletken ince filmlerin doğrusal soğurma özellikleri Bu tez kapsamında çalışılan yarıiletkenlerin fused silika alttaş üzerine büyütülen amorf ince film hallerinin doğrusal soğurma spektrumları Şekil 3.6 da gösterilen doğrusal soğurma spektrometresi (Shimadzu UV-1800) ile alındı. Bu doğrusal soğurma spektrometresi yardımıyla morötesi (ultraviyole) ile kızılötesi (infrared) ( nm) arasındaki bölgenin doğrusal soğurma spektrumu alınabilmektedir. 23

35 Şekil 3.6 Doğrusal soğurma spektrometresi (Shimadzu UV-1800) Amorf ince filmlerin doğrusal soğurma spektrumları belirlenirken, önce referans spektrumu (baseline) almak için spektrometrenin içinde hem referans hem de malzemenin konulacağı yerlere fused silika alttaşlar (ince filmler fused silika alttaşlar üzerine büyütüldükleri için) konularak alınacak spektrum bölgesi tarandı. Daha sonra malzemenin konulacağı yerden fused silika alttaş kaldırılıp, onun yerine üzerine ince film kaplanmış fused silika alttaş konuldu ve spektrum bölgesi tarandı. Böylece alttaştan kaynaklanan ve soğurma spektrumuna katkıda bulunabilecek etki önlenmiş oldu. 3.4 Kalınlıkların Belirlenmesi Doğrusal olmayan soğurma katsayısının belirlenebilmesi için fit denkleminde kullanılan ve bilinmesi gereken parametrelerden biri örneğin kalınlığıdır. Nanometre mertebesindeki kalınlıklara sahip ince filmlerin kalınlıkları, hassas bir şekilde ölçüm yapabilen spektroskopik elipsometre yardımıyla belirlenebilmektedir. Elipsometre, yansıma ve geçirgenliğin üzerine kutuplanmanın değişimini ölçer. İdeal elipsometre yansımaya dayalı ölçüm yapan elipsometredir. Malzemelerin kalınlık, kırılma indisi, sönüm katsayısı gibi özellikleri kutuplanmanın değişiminden belirlenmektedir. Spektroskopik elipsometreler birkaç angström ile birkaç mikrometre arasındaki 24

36 kalınlıkları angström hassasiyetinde ölçebilmektedir. Şekil 3.7 de bir spektroskopik elipsometrenin şematik gösterimi bulunmaktadır. Kısaca elipsometrenin çalışma prensibi verilecek olursa; bir ışık kaynağından çıkan, bir kutuplayıcı tarafından kutuplanmış doğrusal kutuplu ışık, dalga plakasından geçirilerek malzeme üzerine düşürülür. Işık yansıdıktan sonra tekrar sırasıyla; dalga plakası ve analizör denilen bir kutuplayıcıdan geçirilerek dedektöre düşürülür. İncelenen filmin tabakalarından yansıyan ışının kutupluluğundaki değişim, malzemenin tabakalarının optik sabitleri ve kalınlığı ile ilgili bilgi verir. Bir malzeme üzerine gelen ışığın kutuplanma durumu bir s ve bir p bileşenine ayrışmış olmalıdır (s bileşeni geliş düzlemine dik ve malzemenin yüzeyine paralel, p bileşeni ise geliş düzlemine paralel titreşir). Yansıyan ışının s ve p bileşenlerinin genliklerinin, gelen ışının s ve p bileşenlerine oranları sırası ile r s ve r p ile verilir. Elipsometre karmaşık Frensel yansıma katsayılarının (ρ) oranlarını ölçmeye dayanır. Kompleks yansıma oranı Ψ ve gibi iki parametre ile tanımlanır: ρ = r r = tan( ψ ) exp( i ) (3.3) p s Eşitliğin sağ tarafı karmaşık bir sayının başka bir ifadesi olarak düşünülebilir. 25

37 Işık Kaynağı Dedektör Kutuplayıcı Kutuplayıcı Dalga Plakası Φ Dalga Plakası Malzeme Şekil 3.7 Spektroskopik elipsometrenin şematik gösterimi Burada tan(ψ) yansıma üzerindeki genlik oranı ve faz kaymasıdır. Yapılan arıtım sonucunda Fresnel eşitlikleri kullanılarak, hesaplanan Ψ ve değerleri deneyle en iyi şekilde uyum gösterdiğinde malzemenin optik sabitleri dediğimiz doğrusal kırılma indisi, sönüm katsayısı ve kalınlığı belirlenir. N cos Φ N cos Φ r s = N0 cos Φ0 + N1 cos Φ (3.4) 1 N cos Φ N cos Φ r p = N1 cos Φ0 + N0 cos Φ (3.5) 1 Burada Φ 0 gelme açısı, Φ1ise kırılma açısıdır. Gelen ışın demeti ve yüzey normali arasındaki gelme açısı Φ 0 Şekil 3.7 de gösterilmektedir. Spektroskopik elipsometrede, malzeme özelliklerini en iyi şekilde inceleyebilmek için, açı 55 ve 80 arasında değişir. Bütün ortamlar için kırılma indisinin kompleks gösterimi N=n+jk olarak ifade edilir. Burada n kırılma indisi, k ise sönüm kaysayısıdır. Bu iki nicelik, ışığın malzeme ile nasıl etkileştiğini gösterir ve malzemenin optik sabitleri olarak adlandırılır. 26

38 Elipsometrelerde dalga boyunun ve gelme açısının bir fonksiyonu olarak ρ (Ψ ve ) ölçülür. Ölçümden sonra veriler, optik sabitlerin tabaka kalınlığının ve diğer özelliklerin belirlenebilmesi için analiz edilmelidir. Analiz kısmında; elde edilen deneysel verilerin belirlenebilmesi için malzemeye uygun model tahmini Brewester açı değerleri ve uygun model girilir. Ölçümlerimizde Cauchy modeli kullanılmıştır. Malzemenin soğurma gerçekleştirdiği dalgaboyuna göre spektral aralık değerleri ile Cauchy katmanı için A, B, C parametreleri ve tahmini kalınlık değerleri de girilerek arıtım yapılır. Arıtma işlemi sonucunda örnek kalınlığı belirlenmiş olur. Cauchy modeli aşağıdaki formüllerle ifade edilir: B C n ( λ) = A λ λ (3.6) k( λ) = αe 1 1 β (12400( )) λ γ (3.7) Bu model seçeneğinde altı tane değişken vardır. Bunlar, A, B, C, α, β ve γ dır. A, B ve C parametrelerinde, incelenecek örnek için beklenen kırılma indisi değeri belirlenir. α, β ve γ parametreleri sırasıyla sönüm katsayı genliği, üstel soğurum ve bant sınırıdır. Bant sınırı hariç bütün değişkenler arıtma parametresi olarak alınabilir GaSe x S 1-x yarıiletken ince filmlerin kalınlıklarının belirlenmesi GaSe x S 1-x yarıiletken ince filmlerin kalınlıkları Şekil 3.8 de gösterilen spektroskopik elipsometre yardımıyla 1.24 ev ile 3.34 ev ( nm) arasındaki foton aralığı kullanılarak belirlendi. Bütün ince filmler için malzemeye üç farklı açıda (60, 65 ve 70 ) ışık gönderilerek spektrumlar alındı. Bu durum arıtım (fit) doğruluğunu arttırmaktadır. 27

39 Şekil 3.8 Spektroskopik elipsometre (Woollam,-M2000V) 3.5 Z-Tarama Tekniği Z-tarama tekniği doğrusal olmayan kırılma ve soğurma değişimlerini belirlemek için kullanılan yöntemlerden biridir. Uygulanabilirliğinin kolay olması bu tekniği kullanışlı kılmaktadır. Bu teknik ilk olarak Bahae ve çalışma arkadaşları tarafından keşfedilmiştir (Bahae vd. 1990). Deneyde tek ışın demeti kullanıldığından dolayı diğer tekniklere göre çok daha kolay uygulama yapılabilmektedir. Bu teknikte Gauss uzay profiline sahip bir lazer demeti, bir mercek yardımı ile odaklanır. Örnek, odak noktasını geçecek şekilde hareket ettirilerek örnek üzerine düşen ışının şiddetinin değişmesi sağlanır. Örnekten geçen ışın açık ve kapalı yarık deneylerinin yapılışına göre farklı şekillerde dedekte edilir. Z- tarama tekniğini diğer tekniklerden üstün kılan bir diğer özelliği ise, doğrusal olmayan kırılma indisi ve soğurma değerlerinin büyüklüğüne ve işaretlerine duyarlı olmasıdır. Bu teknik iki bölümden oluşmaktadır. Bunlar, açık yarık ve kapalı yarık Z- tarama bölümleridir. Kapalı yarık Z-tarama bölümünde malzemelerin doğrusal olmayan 28

40 kırılma indisleri belirlenirken, açık yarık Z-tarama bölümünde doğrusal olmayan soğurma ve doyurulabilir soğurma etkileri belirlenebilmektedir. Doğrusal olmayan kırılma indisi değişimleri bu tez kapsamının içeriğinde olmadığından dolayı sadece açık yarık Z-tarama bölümü üzerinde durulacaktır Açık yarık Z-tarama tekniği Doğrusal olmayan soğurma katsayısı (β) veya doyum eşik şiddetini (I SAT ) belirleme yöntemlerinden biridir. Açık yarık Z-tarama bölümünde malzemeden geçen ışının tamamı bir mercek vasıtasıyla toplanır ve dedektöre gönderilir. Böylece, bu durumda doğrusal olmayan geçirgenlik sadece doğrusal olmayan soğurma veya doyurulabilir soğurma olması durumunda değişir. Açık yarık Z-tarama deney düzeneği Şekil 3.9 da gösterilmektedir. TEM 00 moduna ve Gaussian profiline sahip bir ışın demeti ince kenarlı bir mercek yardımı ile (L<<z R, burada z R havada ışık demetinin Rayleigh aralığıdır) odaklanarak malzemeye düşürülmektedir. Malzeme, merceğin önünden başlayarak hareket ettirilerek odağa getirilir ve odaktan geçirilip uzaklaştırılarak farklı şiddetlere maruz bırakılır. Bu durumda malzemenin odağa gelip oradan uzaklaşması durumunda dedektöre düşürülen enerji oranında iki farklı durum oluşabilir. Bu durumlardan birincisinde, merceğin önünde şiddetin düşük olmasından dolayı sadece doğrusal soğurma oluşur. Malzeme doğrusal olmayan tepkinin gözleneceği şiddetin olduğu bölgeye geldiğinde (odağa yaklaştığında), doğrusal soğurmaya ek olarak doğrusal olmayan soğurma da katkıda bulunur ve dedektöre ulaşan enerjide düşüş oluşur. Bu düşüş, şiddetin en yüksek olduğu odak noktasına ulaşılıncaya kadar devam eder. Malzeme odağı geçtikten sonra şiddet tekrar azalmaya başlayacağından dolayı, dedektöre ulaşan enerji giderek artmaya başlar ve tekrar doğrusal olmayan tepkinin gözlenemeyeceği bölgeye ulaşıldığında sadece doğrusal soğurma gözlenir. Düşük şiddet bölgelerinde dedektör tarafından ölçülen enerji değerleri 1 e normalize edilerek 29

41 Şekil 3.10 da gösterilen eğri elde edilir. Bu tepki, doğrusal olmayan soğurma tepkisi olarak bilinir ve bu tepkiye tek foton soğurması (bu etki şiddete değil akıya bağlıdır), iki foton soğurması, serbest taşıyıcı soğurması, ardışık foton soğurması gibi etkiler katkıda bulunur. Lazer P A-1 A-2 ND D Y-2 M-2 N M-1 Y-1 A-3 +z -z Şekil 3.9 Açık yarık Z-tarama deney düzeneği (P: Prizma, A: Ayna, ND: ND Filtre, Y: Yarık, M: Mercek, N: Malzeme, D: Dedektör) İkinci durumda ise; doğrusal bölge geçildikten sonra doğrusal olmayan tepkinin gözleneceği noktaya gelindikten sonra odağa kadar dedektöre gelen enerjide bir artış olur, odak geçilip doğrusal olmayan tepkinin gözlenemeyeceği noktaya gelene kadar dedektöre gelen enerjide tekrar azalma olur ve doğrusal bölgeye geçilir. Burada dedektörden alınan veriler 1 e normalize edilerek Şekil 3.11 deki gibi bir eğri elde edilir. Bu tepkiye de doyurulabilir soğurma denir ve bu tepkiye yukarıda bahsedilen tek foton soğurması, iki foton soğurması, serbest taşıyıcı soğurması ve ardışık foton soğurmasından kaynaklı soğurmalar katkıda bulunur. 30

42 Şekil 3.10 Tipik olarak doğrusal olmayan soğurma eğrisi Şekil 3.11 Tipik olarak doyurulabilir soğurma eğrisi 31

43 3.5.2 GaSe x S 1-x yarıiletken ince filmlerin doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurmalarının belirlenmesi GaSe x S 1-x yarıiletken malzemelerinin hepsinin doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurmaları literatürde tanımlanan açık yarık Z-tarama deney yöntemiyle (Bahae vd. 1990) belirlendi. Açık yarık Z-tarama deney düzeneği Şekil 3.12 de gösterilmektedir. Açık yarık Z-tarama deneyleri iki farklı lazer ışık kaynağı kullanılarak yapıldı. Bu ışık kaynaklarından birincisi, 4 ns atma süreli, 1064 nm dalga boylu (1.16 ev) ve 10 Hz frekanslı, neodmiyum katkılı yitriyum-alüminyum garnat (Nd:YAG) lazeridir (Quantel Brillant). İkinci ışık kaynağı ise 65 ps atma süreli, 1064 nm dalga boylu (1.16 ev) ve 10 Hz frekanslı diğer bir Nd:YAG lazeridir (Continuum Leopard SV). Şekil 3.12 Açık yarık Z-tarama deney düzeneği GaSe x S 1-x amorf ince filmlerinin kalınlığa bağlı olarak doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurma davranışlarını belirlemek için açık yarık Z-tarama deneylerinde nanosaniye ve pikosaniye lazer ışık kaynakları kullanıldı. Nanosaniye ve pikosaniye açık yarık Z-tarama deneylerinde odaklama merceği olarak 20 cm odak uzaklıklı ince kenarlı mercek kullanıldı. Nanosaniye açık yarık Z-tarama deneyleri I 0 =3,98x10 11 W/m 2 32

44 ile 8.55 x10 11 W/m 2 ve pikosaniye açık yarık Z-tarama deneyleri de I 0 =1.35x10 13 W/m 2 ve 0.61x10 13 W/m 2 şiddetinde yapıldı. Ayrıca farklı kalınlıklardaki GaSe amorf ince filmlerin pikosaniye lazer kullanılarak I 0 =3,98x10 11 W/m 2, I 0 =6.56x10 11 ile I 0 =8.55x10 13 W/m 2 odak şiddetlerinde açık yarık Z-tarama deneyleri ve 58 nm kalınlığındaki tüm örneklerin I 0 =1.35x10 13 W/m 2 şiddetinde açık yarık Z-tarama deneyleri 65 ps darbe süreli lazer kaynağı ile yapılmıştır. 3.6 Ultra Hızlı Pompa-Gözlem Spektroskopi (Pump-Probe Spektroskopisi) Bu teknik malzemelerdeki elektronların uyarılabilecekleri izinli seviyeleri ve elektronların birinci uyarılmış seviyesinde kalma sürelerini belirlemeye yardımcı olur. Beyaz ışıklı ultra hızlı spektroskopi (pump-probe) deney düzeneği şematik olarak şekil 3.13 de gösterilmektedir. Ultra hızlı spektroskopi tekniğiyle incelenen örneklerdeki elektronlar şiddetli ve çok hızlı bir pompa (pump) atmasıyla birlikte taban seviyesinden uyarılmış bir enerji seviyesine uyarılırlar. Şiddet bakımından zayıf olan geciktirilmiş diğer ışın (genellikle beyaz ışık kullanılır ve gözlem olarak adlandırılır), elektronlar birinci uyarılmış seviyeye uyarıldıkları anda gönderilerek, pompa ve beyaz ışık atmalarının fiziksel olarak aynı anda, malzeme üzerinde aynı noktaya düşürülür ve pompalanan uyarılmış seviyesindeki elektronların bir kısmının daha üst uyarılmış seviyelere çıkmaları sağlanır. Bu olay zamanda sıfır noktası olarak bilinir. Beyaz ışın spektrumundan soğurulan dalgaboyları vasıtası ile elektronların uyarılabilecekleri izinli seviye ya da seviyeler belirlenebilir. Pompalanan uyarılmış seviyesindeki elektronların bir kısmı da beyaz ışık atması ile karşılaşmadan taban seviyesine inebilirler. Beyaz ışık atmaları pompa atmalarına göre geciktirilir. Bu durumda beyaz ışık ile karşılaşmadan taban seviyesine inen elektronların sayısında artış olacağından, daha üst uyarılmış seviyelere uyarılabilen elektronların sayısında üstel olarak azalma olur. Beyaz ışık atmalarının geciktirilmesi işlemi pompalanan uyarılmış seviyesinden daha üst seviyelere elektronlar uyarılamayana kadar, yani tüm elektronlar taban durumuna düşene kadar devam ettirilir. Beyaz ışın spektrumunun bir dalgaboyunda oluşan soğurmanın zamanla azalışı, üstel düşüş ifadesi ile arıtılarak bu dalgaboyuna karşı gelen seviyenin ömrü yani elektronların 33

45 bu seviyede kalma süreleri belirlenir. Optik Parametrik Yükseltecin (OPA) çıkışı, 250 ile 2800 nm dalga boyu arasında ayarlanabilir bir pompa ışını elde etmek için kullanılır. Beyaz ışık (gözlem ışığı), spitfire den çıkan 800 nm dalga boyundaki safir plaka üzerine gönderilerek üretilir (Femtosaniye atma çok yüksek şiddetli ve safir plakanın şiddete bağlı kırılma indisi n 2 de yüksek olduğu için safir plakadan geçen ışında SPM (Self Phase Modulation) gözlenir. Bu da yeni frekansların üretilmesini sağlar. Bu nedenle femtosaniye atma, safir plakaya gönderildiği zaman görünür bölgedeki tüm frekanslar üretilebilir.). Pompa ve beyaz ışık atmalarının malzeme üzerinde fiziksel olarak aynı noktadan geçmeleri sağlanır. Malzemenin içinden geçen pompa ışını malzemenin arkasında bir bloklayıcı ile tuzaklanırken, malzemeden geçen beyaz ışık fiber optik spektrometre ile algılanır. Pompa ile beyaz ışık atmaları arasında zamandaki gecikme, üzerine ters yansıtıcı ayna (retroreflector mirror) monte edilmiş adım motorunun hareket ettirilip beyaz ışığın aldığı yolu uzatarak geciktirilmesiyle ayarlanır. Pompa ve beyaz ışık atmalarının malzeme üzerinde aynı anda aynı noktadan geçmelerini sağlamak bu deneyin önemli bir aşamasıdır. 34

46 BİLGİSAYAR M M F Y FOK TYA A B N FOS S ND SP A Y A A A Y P A Y A K A Y Y ND A A A A A TFP OPA Spitfire A Şekil 3.13 Ultra hızlı spektroskopi (pump-probe) deney düzeneğinin şematikgösterimi (TFP: İnce film kutuplayıcı, A: Ayna, Y: Yarık, TYA: ters yansıtıcı ayna, S: Adım motoru, ND: ND filtre, SP: Safir plaka, N: Malzeme, M: Mercek, F: Filtre, FOK: Fiber optik kablo) GaSe x S 1-x yarıiletken ince filmlerde serbest taşıyıcı ömürlerinin belirlenmesi GaSe x S 1-x amorf ince filmlerinde serbest taşıyıcı ömürleri ultra hızlı spektroskopi yardımıyla belirlendi. Bu deneyin yapıldığı ultra hızlı spektroskopi (Spectra Physics, Helios) Şekil 3.14 te gösterilmektedir. Deneyde pompa ışını olarak, Ti:Safir lazer yükselteci-optik parametrik yükselteç sisteminden elde edilen, 800 nm dalga boylu, 1 khz frekanslı ve 200 fs atma süreli lazer ışığı kullanıldı. Gözlem ışını olarak ise safir plakadan üretilen yaklaşık 200 fs süreli beyaz ışık kullanıldı. Gözlem ışınının geciktirilmesi motorize hareket düzeneği yardımıyla gerçekleştirildi. 35

47 Motorize hareket düzeneği Örnek Beyaz ışın üretimi Gözlem demeti (probe) Pompalama demeti (pump) Şekil 3.14 Ultra hızlı spektroskopi deney düzeneği (Spectra Physics, Helios foto, 2010) 3.7 Tavlama Bu çalışmalara ilaveten 65nm kalınlığındaki GaSe amorf ince filminin doğrusal olmayanan optik özelliklerinin sıcaklığa bağlı olarak nasıl değiştiğini gözlemek amacıyla tavlama etkisi üzerine çalışmalar yapılmıştır. Tavlama işlemleri laboratuarımızda bulunan Furnace marka XD-1200NT model cihazda 323 K, 400 K ve 500 K sıcaklıklarında birer saat şeklinde tamamlanmıştır. Şekil 3.15 te tavlama fırınının resmi bulunmaktadır. 36

48 Şekil 3.15 Tavlama fırını (Furnace, XD-1200NT, 2012) 37

49 4. ARAŞTIRMA BULGULARI Bu tez kapsamında GaSe x S 1-x amorf ince filmlerinin doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurma özellikleri incelendi. Doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurma parametrelerinin arıtımdan (fitten) elde edilebilmeleri için malzemelerin çalışılan dalga boyundaki doğrusal soğurma katsayıları, yasak enerji bant aralıkları ve kalınlıkları gibi parametrelerin bilinmesi gerekir. Bununla beraber, incelenen yarıiletkenlerin doğrusal olmayan davranışlarının modellenerek arıtımlarının yapılabilmesi için, serbest taşıyıcıların ömürlerinin belirlenmesi gerekir. Örneğin incelenen yarıiletkende taşıyıcı ömürleri kullanılan lazer atma süresinden daha kısa ise bu yarıiletkende doyurulabilir soğurmanın gözlenememesi gerekir. Ancak incelenen yarıiletkenin taşıyıcı ömürleri kullanılan lazer atma süresinden büyük olması durumunda doyurulabilir soğurma gözlenebilir. Yarıiletkenlerde doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurmaya neden olan fiziksel olaylar hakkında yorum getirilebilmesi için, yarıiletkenlerin kristal mi amorf halinde mi oldukları, yasak enerji aralıkları, amorf yapıda olmaları durumunda parça büyüklükleri ve yasak enerji aralığında kusur veya katkı seviyelerinin var olup olmadıklarının bilinmesi gerekir. Bu bölümde, açık yarık Z-tarama deneylerinden elde edilen doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurma verileri, bu verilerin arıtımı ve yorumlanması için gerekli diğer fiziksel niceliklerin (kalınlık, yasak enerji bant aralığı, doğrusal soğurma spektrumu gibi) ölçüm sonuçları yer almaktadır. Ayrıca parçacık büyüklüklerini belirleyebilmek amacıyla GaSe amorf yarıiletken ince filmleri atomik kuvvet mikroskobu inceleme sonuçları ile doğrusal olmayan özelliklere ve dolayısıyla sıcaklığın doyum eşik şiddetine etkisini gözlemek amacıyla yapılan tavlama işlemi sonuçları da bu bölümde yer almaktadır. 38

50 4.1 GaSe x S 1-x Amorf İnce Filmlerin Ölçüm Sonuçları İnce filmlerinin XRD grafikleri Doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurma davranışları incelenmek üzere büyütülen GaSe x S 1-x yarıiletken ince filmlerinin kristal mi amorf yapıda mı olduklarını belirlemek için X-ışını kırınım (XRD) tekniği kullanıldı. XRD verileri CuK α radyasyonu kullanılarak, tüm ince filmleri için 2θ = aralığında kaydedildi. Buradan tüm ince filmlerin amorf yapıda oldukları daha önceki çalışmalarımıza (Yüksek vd ) benzer olarak belirlendi. Aşağıda GaSe ince filminin XRD grafiği verilmektedir Siddet (a. u.) θ (Derece) Şekil nm kalınlığındaki GaSe ince filminin XRD verileri İnce filmlerin kalınlıkları GaSe x S 1-x amorf ince filmlerinin kalınlıkları spektroskopik elipsometre yardımıyla belirlendi. 3. bölümde açıklandığı gibi, elipsometre Stokes parametrelerinden iki tanesini (Ψ ve ) dalga boyuna bağlı olarak ölçer. Bu parametreler elipsometre ile bilgisayar programı kullanılarak teorik olarak Fresnel yansıma katsayıları yardımı ile hesaplanmış olup hesaplanan ve ölçülen parametreler, kırılma indisleri ile film kalınlığı değiştirilerek arıtılmıştır. 39

51 GaSe x S 1-x amorf ince filmlerinin kalınlıklarını belirlemek için spektroskopik elipsometreden elde edilen Ψ ve parametrelerinin dalga boyuna bağlı grafikleri sırasıyla Şekil de verilmektedir. Doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurma davranışlarını incelemek üzere GaSe, GaSe S 0.225, GaSe 0.60 S 0.40, GaSe 0.40 S 0.60, GaSe S ve GaS yarıiletken malzemelerinin her birinden farklı kalınlıklarda birkaç ince film büyütüldü. 300 ψ (derece) o 70 o 75 o Teorik fit 65 o 70 o 75 o Teorik fit (derece) Dalga boyu (nm) Şekil nm kalınlığındaki GaSe ince filminin spektroskopik elipsometre yardımıyla ölçülen, dalga boyuna karşılık Ψ ve eğrileri ψ (derece) o 70 o 75 o Teorik fit 100 (derece) 6 65 o 70 o 75 o Teorik fit Dalga boyu (nm) Şekil nm kalınlığındaki GaSe S ince filminin spektroskopik elipsometre yardımıyla ölçülen, dalga boyuna karşılık Ψ ve eğrileri 40

52 300 ψ (derece) o 70 o 75 o Model aritimi ý 65 o 70 o 75 o Model aritimi ý (derece) Dalga boyu (nm) Şekil nm kalınlığındaki GaSe 0.60 S 0.40 ince filminin spektroskopik elipsometre yardımıyla ölçülen, dalga boyuna karşılık Ψ ve eğrileri 300 ψ (derece) o 70 o 75 o Teorik fit 65 o 70 o 75 o Teorik fit (derece) Dalga Boyu (nm) Şekil nm kalınlığındaki GaSe 0.40 S 0.60 ince filminin spektroskopik elipsometre yardımıyla ölçülen, dalga boyuna karşılık Ψ ve eğrileri ψ (derece) o 70 o 75 o Teorik fit (derece) o 70 o 75 o Teorik fit Dalga boyu (nm) Şekil nm kalınlığındaki GaSe S ince filminin spektroskopik elipsometre yardımıyla ölçülen, dalga boyuna karşılık Ψ ve eğrileri 41

53 o 70 o 75 o Teorik fit ψ (derece) o 70 o 75 o Teorik fit (derece) Dalga boyu (nm) Şekil nm kalınlığındaki GaS ince filminin spektroskopik elipsometre yardımıyla ölçülen, dalga boyuna karşılık Ψ ve eğrileri İnce filmlerin doğrusal soğurma spektrumları Tüm amorf ince filmlerin Shimadzu UV-1800 spektrometresi yardımıyla alınan doğrusal soğurma spektrumları sırasıyla şekil de verilmektedir. Sogurma (a. u.) 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 50 nm 58 nm 65 nm 75 nm Dalgaboyu (nm) Şekil 4.8 GaSe ince filmlerinin doğrusal soğurma spektrumları 42

54 Sogurma (a. u.) 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 50 nm 58 nm 65 nm 75 nm D algaboyu (nm ) Şekil 4.9 GaSe S ince filmlerinin doğrusal soğurma spektrumları 2,4 Sogurma (a. u.) 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 50 nm 58 nm 65 nm 75 nm Dalgaboyu (nm) Şekil 4.10 GaSe 0.60 S 0.40 ince filmlerinin doğrusal soğurma spektrumları 2,0 Sogurma (a. u.) 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 50 nm 58 nm 65 nm 75 nm 0,4 0,2 0, Dalgaboyu (nm) Şekil 4.11 GaSe 0.40 S 0.60 ince filmlerinin doğrusal soğurma spektrumları 43

55 Sogurma (a. u.) 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 50 nm 58 nm 65 nm 75 nm Dalgaboyu (nm) Şekil 4.12 GaSe S ince filmlerinin doğrusal soğurma spektrumları Sogurma (a. u.) 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Dalgaboyu (nm) 50 nm 58 nm 65 nm 75 nm Şekil 4.13 GaS ince filmlerinin doğrusal soğurma spektrumları GaSe x S 1-x amorf ince filmlerin yasak enerji bant aralıkları GaSe x S 1-x amorf ince filmlerin yasak enerji bant aralıkları soğurma spektrumlarından hesaplandı. Amorf ince filmlerinin yasak enerji bant aralıkları belirlenirken, n terimi 2 olarak alındı. Çünkü GaSe amorf ince filmleri indirek bant geçişine sahiptirler (Thamiselvan vd. 2004) ve bu tez kapsamında çalışılan GaSe x S 1-x amorf ince filmlerinin yasak enerji bant aralıklarının belirlenmesi için yapılan arıtım işlemlerinde en iyi sonuç n teriminin yerine 2 sayısı alındığında elde edilmiştir. GaSe x S 1-x amorf ince filmlerin yasak enerji bant aralıkları sırasıyla Şekil de verilmektedir. 44

56 (αhν) 1/2 (ev) 1/2 (cm) -1/ nm 58 nm 65 nm 75 nm 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 hν (ev) Şekil 4.14 GaSe amorf ince filmlerinin yasak enerji bant aralıkları (αhν) 1/2 (ev) 1/2 (cm) -1/ nm 58 nm 65 nm 75 nm 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 hν (ev) Şekil 4.15 GaSe S amorf ince filmlerinin yasak enerji bant aralıkları 45

57 (αhν) 1/2 (ev) 1/2 (cm) -1/ nm 58 nm 65 nm 75 nm 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 hν (ev) Şekil 4.16 GaSe 0.60 S 0.40 amorf ince filmlerinin yasak enerji bant aralıkları (αhν) 1/2 (ev) 1/2 (cm) -1/ nm 58 nm 65 nm 75 nm 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 hν (ev) Şekil 4.17 GaSe 0.40 S 0.60 amorf ince filmlerinin yasak enerji bant aralıkları 46

58 (αhν) 1/2 (ev) 1/2 (cm) -1/ nm 58 nm 65 nm 75 nm 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 hν (ev) Şekil 4.18 GaSe S amorf ince filmlerinin yasak enerji bant aralıkları (αhν) 1/2 (ev) 1/2 (cm) -1/ GaS 50 nm 58 nm 65 nm 75 nm 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 hν (ev) Şekil 4.19 GaS amorf ince filmlerinin yasak enerji bant aralıkları 58 nm kalınlığındaki GaSe x S 1-x amorf ince filmlerinin doğrusal soğurma eğrileri ve değişen Se/S oranına bağlı olarak bant aralıklarının değişimi şekil 4.20 deki grafikte verilmektedir. 47

59 2,5 1,80 Sogurma (a. u.) 2,0 1,5 1,0 Bant aralýðý(ev) 1,75 1,70 1,65 1,60 1,55 1,50 1,45 1,40 GaSe Se S Ga Se 0.6 S 0.4 Ga Se 0.4 S 0.6 Ga Se S Ga GaS GaSe Se S Ga Se 0.6 S 0.4 Ga Se 0.4 S 0.6 Ga Se S Ga GaS 0,5 0, Dalgaboyu (nm) Şekil nm kalınlığındaki GaSe x S 1-x amorf ince filmlerinin doğrusal soğurma eğrileri ve bant aralıkları GaSe x S 1-x amorf ince filmlerin doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurmaları Farklı kalınlardaki (50, 58, 65 ve 75 nm) GaSe x S 1-x amorf ince filmlerinin doyurulabilir ve doğrusal olmayan soğurma özelliklerini ve elde edilen parametreler yardımıyla doyum eşik şiddeti ve çizgisel olmayan soğurma katsayılarını belirlemek amacıyla açık yarık Z-tarama deneyleri yapılmıştır. Pikosaniye lazer kaynağı ile yapılan açık yarık Z- tarama deney grafikleri aşağıda verilmektedir. 48

60 Normalize Geçirgenlik (a. u.) 1,16 1,14 1,12 1,10 1,08 1,06 1,04 1,02 1,00 0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 50 nm 58 nm 65 nm 75 nm Teorik Aritim Z (cm) Şekil 4.21 GaSe amorf ince filmlerinin I 0 =1.35 GW/cm 2 şiddetinde alınan pikosaniye açık yarık Z-tarama eğrileri 1,17 Normalize Geçirgenlik (a. u.) 1,14 1,11 1,08 1,05 1,02 0,99 0,96 0,93 0,90 0,87 50 nm 58 nm 65 nm 75 nm Teorik Aritim Z (cm) Şekil 4.22 GaSe S amorf ince filmlerinin I 0 =1.35 GW/cm 2 şiddetinde alınan pikosaniye açık yarık Z-tarama eğrileri 49

61 Normalize Geçirgenlik (a. u.) 1,08 1,06 1,04 1,02 1,00 0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 50 nm 58 nm 65 nm 75 nm Teorik Aritim Z (cm) Şekil 4.23 GaSe 0.60 S 0.40 amorf ince filmlerinin I 0 =0.61 GW/cm 2 şiddetinde alınan pikosaniye açık yarık Z-tarama eğrileri 1,08 1,06 Normalize Geçirgenlik (a. u.) 1,04 1,02 1,00 0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 0,88 50 nm 58 nm 65 nm 75 nm Teorik Aritim Z (cm) Şekil 4.24 GaSe 0.40 S 0.60 amorf ince filmlerinin I 0 =0.61 GW/cm 2 şiddetinde alınan pikosaniye açık yarık Z-tarama eğrileri 50

62 Normalize Geçirgenlik (a. u.) 1,06 1,04 1,02 1,00 0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 50 nm 58 nm 65 nm 75 nm Teorik Aritim Z (cm) Şekil 4.25 GaSe S amorf ince filmlerinin I 0 =0.61 GW/cm 2 şiddetinde alınan pikosaniye açık yarık Z-tarama eğrileri Normalize Geçirgenlik (a. u.) 1,16 1,14 1,12 1,10 1,08 1,06 1,04 1,02 1,00 0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 50 nm 58 nm 65 nm 75 nm Teorik Aritim Z (cm) Şekil 4.26 GaS amorf ince filmlerinin I 0 =0.61 GW/cm 2 şiddetinde alınan pikosaniye açık yarık Z-tarama eğrileri Amorf ince filmlerinin artmasıyla bant genişliğinde değişikliklere yorum getirilmesi amacıyla 50 ve 75 nm kalınlığındaki GaSe 0.60 S 0.40 amorf ince filmlerinin üç boyutlu atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile görüntüleri alınmıştır. Görüntüler şekil 2.27 de 51

63 verilmiştir. Şekil 4.27 a. 50 nm ve b. 75 nm kalınlıklarındaki GaSe 0.60 S 0.40 amorf ince filmlerinin üç boyutlu AFM görüntüleri Hesaplanan doyuma ulaşma eşik şiddetini doğrulamak amacıyla pikosaniye ve nanosaniye açık yarık Z-tarama deneyleri I SAT değerinin üstündeki üç farklı şiddet değeri için yapıldı. 75 nm kalınlığındaki GaSe x S 1-x amorf ince filmlerinin farklı şiddetlerdeki pikosaniye açık yarık Z-tarama eğrileri aşağıda verilmektedir. Normalize Geçirgenlik (a. u.) 1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 0, GW/cm GW/cm GW/cm GW/cm 2 Theoretical fits 0, Z (cm) Şekil nm kalınlığındaki GaSe amorf ince filminin 65 ps atma süresinde ve farklı şiddetlerde alınan normalize geçirgenlik eğrileri 52