View
1
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Deniz Kadir TAKCI
PFCVAD (ATMALI FİLTRELİ KATODİK VAKUM ARK DEPOLAMA) SİSTEMİYLE ZnO:Al BİLEŞİKLERİNİN ÜRETİLMESİ VE KAREKTERİZASYONU
FİZİK ANABİLİM DALI
ADANA, 2011
ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
PFCVAD (ATMALI FİLTRELİ KATODİK VAKUM ARK DEPOLAMA)
SİSTEMİYLE ZnO:Al BİLEŞİKLERİNİN ÜRETİLMESİ VE KAREKTERİZASYONU
Deniz Kadir TAKCI
YÜKSEK LİSANS TEZİ
FİZİK ANABİLİMDALI Bu Tez / /2011 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu ile Kabul Edilmiştir. ……………….................... ………………………….. ……................................ Yrd. Doç. Dr. Şadi YILMAZ Prof. Dr. Ramazan ESEN Prof. Dr. Birgül YAZICI DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu Tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No:
Prof. Dr. İlhami YEĞİNGİL Enstitü Müdürü
Bu Çalışma Ç.Ü. Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir. Proje No: FEF-2010YL34 Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge ve fotoğrafların
kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.
I
ÖZ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
PFCVAD (ATMALI FİLTRELİ KATODİK VAKUM ARK DEPOLAMA) SİSTEMİYLE ZnO:Al BİLEŞİKLERİNİN ÜRETİLMESİ VE
KAREKTERİZASYONU
Deniz Kadir TAKCI
ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
FİZİK ANABİLİM DALI
Danışman : Yrd. Doç. Dr. Şadi YILMAZ Yıl: 2011, Sayfa: 107 Jüri : Prof. Dr. Ramazan ESEN : Prof. Dr. Birgül YAZICI : Yrd. Doç. Dr. Şadi YILMAZ
Bu çalışmada Atmalı Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama (PFCVAD) yöntemi ile alüminyum katkılı çinko oksit ince filmler (ZnO:Al) oda sıcaklığında cam alttaban üzerine üretildi. Elde edilen filmlerin optiksel ve elektriksel özelliklerinin sıcaklık ve basınç değişiminden nasıl etkilendiği araştırıldı. Anahtar kelimeler: Filtreli Katodik Vakum Ark, ZnO:Al, AZO ince film
II
ABSTRACT
MSc
DEPOSİTİON AND CHARACTERİZATİON OF ZnO:Al COMPOUNDS BY PULSED FİLTERED CATHODİC VACUUM ARC DEPOSİTİON
TECHNİQUE
Deniz Kadir TAKCI
ÇUKUROVA UNIVERSITY INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES
DEPARTMENT OF PHYSIC
Supervisor : Yrd. Doç. Dr. Şadi YILMAZ Year: 2011, Pages: 107 Jury : Prof. Dr. Ramazan ESEN : Prof. Dr. Birgül YAZICI : Asst. Prof. Dr. Şadi YILMAZ
In this study, aluminum doped zinc oxide thinfilms (ZnO:Al) were produced at room temperature on glass substrates by a pulsed filtered cathodic vacuum arc deposition system. Furthermore, the influences of temperature and pressure on the optical and electrical properties were investigated for the produced Al-ZnO thin films.
Key words: Filtered cathodic vacuum arc, ZnO:Al, AZO thin film
III
TEŞEKKÜR
Bu tezin yönetiminde ve oluşumunda aynı zamanda çalışmalarım sırasında
karşılaştığım sorunların çözümünde her türlü desteğini esirgemeyen, çalışmalarımda
beni yönlendiren, çalışma yapmak için bütün olanakları sağlayan hocam Prof. Dr.
Ramazan ESEN’ e sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
Çalışmalarım sırasında bana yol gösteren danışmanım Yrd. Doç. Dr. Şadi
YILMAZ’ a ve yardımlarından dolayı hocam Prof. Dr. Hamide KAVAK’ a
teşekkürlerimi sunarım.
Deneylerim ve ölçümlerim sırasında benden yardımlarını esirgemeyen,
deneyleri beraber yaptığımız grup arkadaşlarım Dr. Necdet Hakan ERDOĞAN ve
İlker ÖZŞAHİN’ e yardım ve sabırlarından dolayı teşekkürlerimi sunarım.
Grup arkadaşlarım Kamuran KARA, Havva YANIŞ, Zeynep BAZ, Saadet
YILDIRIMCAN ve Birsen KESİK’ e teşekkür ederim.
Her zaman yanımda olan ve manevi desteklerini esirgemeyen nişanlım
Öğretim Görevlisi Hatice Aysun MERCİMEK’ e, ve dostlarım Dr. Mahmut
KARADAĞ ve Dr. Yaşar ÇOLAK’ a teşekkürü bir borç bilirim.
Böyle yoğun bir çalışma sürecinde beni sonuna kadar maddi manevi olarak
destekleyen ve her türlü fedakârlığı gösteren aileme sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
IV
İÇİNDEKİLER SAYFA
ÖZ.................................................................................................................... I
ABSTRACT..................................................................................................... II
TEŞEKKÜR..................................................................................................... III
İÇİNDEKİLER........ ..................................................................................... IV
ŞEKİLLER DİZİNİ.. ..................................................................................... VIII
TABLOLAR DİZİN. ....................................................................................... XII
1.GİRİŞ............................................................................................................ 1
2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR .......................................................................... 5
3.MATERYAL ve METOD............................................................................ 13
3.1. ZnO’ nun Temel Özellikleri................................................................ 13
3.1.1. Giriş............................................................................................. 13
3.1.2. Kimyasal Özellikler..................................................................... 14
3.1.3. Fiziksel Özellikler..…….............................................................. 15
3.1.3.1. Kristal Yapısı …………................................................... 15
3.1.3.2. Mekanik Özellikler………………………………….….. 17
3.1.3.3. Elektriksel Özellikler………………………………….... 17
3.2. ZnO İnce Filmlerin Depolamasında Kullanılan Bazı Üretim
Yöntemleri………………………………………………………….....
18
3.2.1. Giriş……………………………………………….…………… 18
3.2.2. Radyo Frekans Magnetron Söktürme Yöntemi……….……….. 19
3.2.3. Moleküler Demet Epitaksiyel Yöntemi (Molecular-Beam
Epitaxy-MBE)…………………………………………………...……
20
3.2.4. Atmalı-Lazer Depolama……………………………………….. 20
3.2.5. Kimyasal Buhar Depolama………………………………….…. 22
3.2.6. Filtreli Katodik Vakum Arklar……………………………….... 22
3.2.6.1 Giriş……………………………………………………... 22
3.2.6.2. Ark İnce Film Depolama……………………….............. 23
3.2.6.3. Ark İyon Kaynağı…………………………………….… 24
3.2.6.4. Katodik Ark Bileşenleri………………………………... 24
V
3.2.6.5. Ark Deşarjı……………………………………………... 25
3.2.6.6. Atmalı ve Sürekli CVA………………………………. 26
3.2.6.7. Katot Spotları……………………………………….….. 27
3.2.6.8. Spot Başına Akım…………………………………….... 27
3.2.6.9. Akım Yoğunluğu……………………………………….. 27
3.2.6.10. İyon Hızları………………………………………….... 28
3.2.6.11. İyon Yük Durumları…………………………………... 29
3.2.6.12. Spot Türleri………………………………………….... 29
3.2.6.13. Tersinir Hareket……………………………………….. 30
3.2.6.14. Plazma ve Makroparçacık Taşınması…………………. 31
3.2.6.15. MP Filtresi Dizayn Kriteri ……………………………. 32
3.2.6.16. Manyetik Filtre Çeşitleri…………………………….... 34
3.2.6.17. Bir Depolama Tekniği Olarak Filtreli Katodik Vakum
Ark……………………………………………………………….
39
3.2.6.18. Filtreli Katodik Vakum Ark daki Son Gelişmeler.…… 41
3.2.6.19. Motivasyonlar…………………………………….…… 42
3.3. Yarıiletkenlerde Temel Soğurma………………………………….….. 43
3.3.1. Bantlararası ve Safsızlık soğurması………………………….… 43
3.3.2. Soğurma ve Kazancın Temel Teorisi………………………….. 45
3.3.3. Direkt Bantarası Soğurma….………………….………………. 48
3.3.4. Mutlak Sıfırda Soğurma……………………………….………. 49
3.4. Film Katakterizasyonu……………………………………….……….. 55
3.4.1. Optiksel Karakterizasyon…………………………………….... 55
3.4.1.1. Film Kalınlığı Hesabı…………………………………... 55
3.4.1.2. Soğurma Katsayısının Hesaplanması…………………... 56
3.4.1.3. Yasak Enerji Aralığının Hesaplanması……………….... 61
3.4.2. XRD Analizi………………………………………………….... 62
3.4.3. Hall Analizi…………………………………………………….. 64
3.4.3.1. Mobilite………………………………..…………..….... 64
3.4.3.2. Direnç…………………………………………..…...... 66
3.4.3.3. Hall Etkisi Olayı………………………………………... 70
VI
4. TARTIŞMA VE BULGULAR……………………………………………… 91
4.1. Atmalı Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama Yöntemi İle Elde Edilen
ZnO:Al İnce Filmlerin Optik Özelliklerinin Belirlenmesi……………… 91
4.2.Elektriksel Özellikler…………………………………………………… 98
5. SONUÇLAR ve ÖNERİLER…………………………..…………………… 101
KAYNAKLAR………………………………………………………………… 103
ÖZGEÇMİŞ……………………………………………………………………. 107
3.4.3.4. Hall Etkisi ve Lorentz Kuvveti…………..…………….. 70
3.4.3.5. Van Der Pauw Tekniği…………………..…………...… 72
3.4.3.6. Direnç ve Hall Ölçümleri……………...……………….. 75
3.4.3.7. Örnek Geometrisi……..…………................................... 75
3.4.3.8. Direnç Ölçümleri İçin Tanımlar…..……………………. 76
3.4.3.9. Direnç Ölçümleri……………….....……………………. 76
3.4.3.10 Direnç Hesaplamaları……………….............................. 77
3.4.3.11. Hall Ölçümü İçin Tanımlar............................................ 78
3.4.3.12 Hall Etkisi Ölçüm Sistemi ve Ölçme Tekniği................. 78
3.4.3.13. Hall Hesaplamaları…...............................................….. 79
3.5. Deneysel Düzenek ve Süreçler……………………………………….. 81
3.5.1. Atmalı Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama Sistemi…….…. 81
3.5.2. PFCVAD Sisteminin Yapısı………………………………….... 81
3.5.2.1. Reaksiyon Odası………………………………………... 82
3.5.2.2. Birincil ve Turbomoleküler Pompa Sistemi…………..... 83
3.5.2.3. Atmalı Plazma Ark Kaynağı………………………….... 84
3.5.2.4. Gaz Akış-Basınç Kontrol Sistemi…………………….... 86
3.5.3. Katot………………………………………………………….... 88
3.5.4. Alt Tabanlar……………………………………………………. 88
3.5.5. PFCVAD Sistemi İle Plazma Üretimi ve Taşınması…………. 89
3.6. Sistem Karakterizasyonunda Kullanılan Cihazlar……………………. 89
3.6.1. Optiksel Geçirgenlik………………………………………….... 89
3.6.2. Elektriksel Özellikler……………………...………………...…. 90
VII
VIII
ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA
Şekil 3.1. ZnO’nun kristal yapılarının gösterimleri (a) Kaya tuzu, (b)
Zinc Blende, (c)Wurtzite…………………………....................
16
Şekil 3.2. Atmalı lazer depolama sisteminin şematik diyagramı………... 21
Şekil 3.3. Katodik vakum arkın başlıca bileşenlerinin şematik
gösterimi………………………………………………..……...
25
Şekil 3.4. Ark spotlarının aksi yönüne doğru ayrılan plazma jetlerinin
görüntüsü……………………………………………………....
31
Şekil 3.5. 90o eğimli filtrenin şematik gösterimi……………………..….. 35
Şekil 3.6. S-şekilli manyetik filtre……………………………………….. 36
Şekil 3.7. Diyagram (a) ve fotoğraf (b) bir duble eğimli düzlem sapmalı
(off-plane) filtreye aittirler ve (c) bir duble eğimli düzlem
sapmalı filtreyle donanmış FCVA sisteminin şematik
gösterimi. Duble eğimli düzlem sapmalı filtreye bir kenardan
bakıldığında iki boyutlu şekilde 90°eğimli bir filtre gibi
göründüğü not edilmelidir……….………………………….....
38
Şekil 3.8. Yukarı kısmı 90° ve dip kısmı S şekilli serbest manyetik
filtre…………………………….……………………………...
39
Şekil 3.9. Yarıiletkenlerdeki farklı soğurma süreçleri (a) gerçek uzay ve
(b) karşıt uzay: (1) bantdan banda (2) iletkenlik bant arası (3)
valans bant arası (4) vericiden iletkenlik bandına (5) alıcıdan
valans bandına (6) valans bandından vericiye (7) alıcıdan
iletkenlik bandına ve (8) vericiden alıcıya geçişler………....…
44
Şekil 3.10. Yarıiletkenlerdeki Bloch fonksiyonlarının şematik temsili: (a)
periyodik potansiyel (b) dolu dalga fonksiyonu (c) hücre
periyodik kısmı ve (d) düzlem dalga kısmı……………......
51
Şekil 3.11. E-k diyagramında direk optiksel geçiş için k’ nın korunumunu
açıklayan düşey geçiş……………………………………….....
53
Şekil 3.12. İnce bir tabakadaki soğurma………………………………….. 58
Şekil 3.13. İnce bir filmde çok yansımalı ışık geçirimi…………………… 59
IX
Şekil 3.14. Amorf bir yarıiletkenin soğurma katsayısının enerji ile
değişimi………………………….…………………………….
62
Şekil 3.15. Bir yarıiletken içindeki bir elektronun şematik yörüngesi. (a)
Rastgele ısısal hareket. (b) Gelişigüzel ısısal harekete ve
uygulanan bir elektrik alana bağlı birleştirilmiş hareket………
65
Şekil 3.16. n-tipi bir yarıiletkende iletkenlik süreci (a) ısısal denge
durumunda ve (b) bir öngerilim şartı altında………………….
67
Şekil 3.17. L uzunluğu ve A kesitsel alanıyla birlikte düzgün şekilde
katkılanmış bir yarıiletken çubukta akım iletimi…………...….
69
Şekil 3.18. Manyetik alan ve Lorentz kuvveti………………………....…. 72
Şekil 3.19. Van Der Pauw Tekniği………………………………………... 73
Şekil 3.20. Hall voltajı ölçme düzeneği………………………………........ 74
Şekil 3.21. Hall ölçümünde kullanılan örnek geometrileri………………... 75
Şekil 3.22. Hall Ölçüm Sistemi………………………………………,...… 79
Şekil 3.23. PFCVAD sisteminin şematik gösterimi………………………. 82
Şekil 3.24. Reaksiyon odasının dıştan görünüşü…………………….......... 83
Şekil 3.25. Birincil ve turbo moleküler pompa görüntüsü……………….. 84
Şekil 3.26. Plazma ark kaynağı………………………….………………... 85
Şekil 3.27. Mini tabanca şematik gösterimi………………………….…… 85
Şekil 3.28. Mini tabanca görüntüsü…………………………..…………… 86
Şekil 3.29. Gaz akış basınç kontrol sisteminin görüntüsü………………… 87
Şekil 3.30. Azot jenaratörü ve oksijen tüpünün görüntüsü……………… 88
Şekil 3.31
Şekil 4. 1..
Perkin-Elmer UV/VIS Lamda 2S Spektrometresi……………
6.0 ×10-4 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar
üzerine depolanan ZnO:Al filmi ve bu filmlerinin farklı
tavlama sıcaklıkları için optik geçirgenlik eğrileri…………….
90
91
Şekil 4.2. 6.0 ×10-4 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar
üzerine depolanan ZnO:Al filmlerinin farklı tavlama
sıcaklıkları için soğurma katsayısının enerjiye göre değişimi...
93
Şekil 4.3. 6.0 ×10-4 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar
üzerine depolanan ZnN filmlerinin farklı tavlama sıcaklıkları
X
için, ( ℎ ) ’ in ℎ ’e göre grafiği…………………….………. 94 Şekil 4.4. 1.0× 10-3 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar
üzerine depolanan ZnO:Al filmlerin farklı tavlama sıcaklıkları
için optik geçirgenlik eğrileri…………………........................
95
Şekil 4.5. 1.0× 10-3 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar
üzerine depolanan ZnO:Al filmlerinin farklı tavlama
sıcaklıkları için soğurma katsayısının enerjiye göre değişimi...
96
Şekil 4.6. 1.0× 10-3 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar
üzerine depolanan ZnO:Al filmlerinin farklı tavlama
sıcaklıkları için ( ℎ ) ’ nin ℎ ’e göre grafiği…….............…
97
XI
XII
TABLOLAR DİZİNİ SAYFA
Tablo 3.1. ZnO’ nun sahip olduğu çeşitli nitelikler………………………..... 14
Tablo 4.1. 6.0 ×10-4 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla oda sıcaklığında
tutulan cam alt tabanlar üzerine depolanan ZnO:Al filmlerinin
farklı tavlama sıcaklıklarındaki Hall etkisi ölçümleri…………….
98
Tablo 4.2. 1.0× 10-3 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla oda sıcaklığında
tutulan cam alt tabanlar üzerine depolanan ZnO:Al filmlerinin
farklı tavlama sıcaklıklarındaki Hall etkisi
ölçümleri………………………………………………………….
99
XIII
1. GİRİŞ Deniz Kadir TAKCI
1
1. GİRİŞ
Periyodik tablodaki IIB – VIA grubu elementlerinden oluşan bileşiklerinin
sayabileceğimiz temel özellikleri; iletim ve değerlik bantları arasında oldukça geniş
bant aralığı sağlayan yüksek iyoniklikleri ve geniş bant aralıklarının da direk bant
aralığı olması, soğurma ve lüminesans için yüksek optik geçirgenlik olanağına sahip
olmalarıdır. Fotoelektrik ve optoelektronik uygulamalarda kullanılan aygıtlara
baktığımız zaman II-V grubu bileşiklerinin ve bu grup içinde yer alan çinko oksit
(ZnO) ince filmlerinin önemi görülmektedir.
ZnO oda sıcaklığında 3.3 eV’luk geniş enerji bant aralığı ve yüksek eksitonik
bağlanma enerjisi (60 meV) ile yaygın kullanılan bir malzemedir. Çinko oksit (ZnO)
günümüzde birçok teknolojik uygulamaları olan ve potansiyel olarak birçok yeni
uygulama alanı olan bir yarıiletkendir. Bu uygulamaları:
- Morötesi (UV) ışık yayıcılar (LED’ler ve ışıklı paneller),
- Spin fonksiyonel aygıtlar (polarize ışık yayıcılar, Spin alan etkili transistörler s-
FET, kuantum bazlı sayısal aygıtlar),
- Biyo-algılayıcılar,
- Gaz algılayıcılar,
- ZnO nanorod aygıtlar,
- Yüzey akustik dalga (SAW) aygıtları,
- Işık geçirgen elektronik uygulamalar (gösterge panelleri),
gibi ana hatlarıyla listelemek mümkündür.
III grubu metal katkılayıcılar örneğin Al, In, Ga uygun bir şekilde
katkılandığında ZnO ince filmlerinin elektriksel iletkenliği artar, dirençleri azalır ve
aynı derecede ısısal dengeleri gelişir. Alüminum katkılı ZnO (ZnO:Al veya AZO)
optik geçirgen, iletken filmler, elektriksel ve optiksel uygulama alanlarında
fonksiyonel materyal olarak karşımıza çıkmaktadır.
Görünür dalga boyundaki, yüksek elektriksel iletkenlikleri ile geçirgenlikleri
bilimsel araştırmalarda ve geçirgen elektrot, LEDs, LDs (Lazer Diyot), güneş enerjisi
hücreleri, OLEDs’ ler için anot elektrodu, dokunmatik ekranlar gibi teknolojik
1. GİRİŞ Deniz Kadir TAKCI
2
uygulamalarda dikkat çekicidir. Uygulama için yüksek kalitede ince AZO film
hazırlamada filmin yapısal, elektriksel ve optiksel özelliklerini analiz etmek çok
önemlidir.
ZnO yarıiletken ince filmler magnetron söktürme, metal organik kimyasal
buhar depolama, termal buharlaştırma gibi çeşitli yöntemlerle üretilebilir. Bu tezde
ZnO:Al yarıiletken ince filmler atmalı filtreli katodik vakum ark depolama
yöntemiyle üretildi.
Katodik plazma ark depolama tekniği fiziksel buhar depolama sistemleri
içindeki önemli yöntemlerdendir. Yarıiletken ince filmlerin depolama sistemleri
içinde plazma yardımlı atmalı filtreli katodik vakum ark depolama sistemi yeni
gelişmekte olup, düşük alt taban sıcaklıklarında iyi tutunmuş yüzey morfolojisi
kontrol edilebilen, yüksek yoğunluklu bileşik filmlerin sentezi için uygun bir
sistemdir. Katodik ark, katot yüzeyindeki ark deşarj yayınlama sisteminin katodu
erozyona uğratarak buharlaştırmasıyla oluşur ve sistemde reaktif gaza ihtiyaç
duyulmaz. Katot, metal, metal alaşım veya yarı iletken olabilir.
Ark kaynağından yayınlanan plazma; elektronlar, iyonlar ve makro
parçacıklar ve nötral metal buharı içerir. Nötral metal buharı, kütle transferinin küçük
bir kısmını oluşturur. Bu nedenle ark kaynağından kaplama materyal akısı, tümüyle
iyonlar ve makro parçacıklardan oluşur ve üretilen iyonların ortalama kinetik
enerjileri 10 ile 100 eV arasındadır. Ortalama iyon enerjisi katot ile anot arsındaki
potansiyel farktan daha büyüktür. Bu fiziksel karakteristikler, kaplanan filmler için
film morfolojisinin kontrolü, düşük örnek sıcaklığı, yüksek film yoğunluğu, yüksek
film tutunması, bileşik filmlerin verimli sentezi ve düzgünlük gibi avantajlar
sunmaktadır.
Bölümümüzde mevcut olan PFCVAD sistemi; silindirik vakum odası
paslanmaz çelikten yapılmıştır (486 mm çap ve 385 mm uzunluk) ve turbomoleküler
pompa kullanılarak (500 lt s−1) taban basıncı 1.3×10−8 Torr’a kadar
düşürülebilmektedir. Plazma kaynağı katot, anot ve odaklama bobininden oluşan
vakum mini tabancadır (RHK Arc-20). Yalıtkan bir seramik ark kaynağının pozitif
kutbunun filtre bobini yoluyla bağlandığı katot ve anodu birbirinden ayırır. Ark 24
1. GİRİŞ Deniz Kadir TAKCI
3
kV ve 60 μs de oluşturularak ve filtre olarak 90 derece eğimli selenoid bir filtre
kullanılmaktadır.
ZnO:Al yarıiletken ince filmleri PFCVAD yöntemi ile üretildi. Bu işlem için
hedef olarak metalik %10luk aliminyum-çinko (Zn/Al 90/10) (1 mm çaplı ve saflığı
99.99%) ve oksijen (saflığı 99.999%) tel kullanıldı. Filmler ultrasonik temizleyici ile
temizlenen cam alt tabanlar üzerine üretildi. Oksijen gaz girişi gaz akış basınç
kontrol sistemi ile kontrol edilerek ve oksijen basıncı 10-3 - 10−4 Torr civarında
tutuldu. Daha sonra üretilen ZnO:Al bileşiği farklı sıcaklıklarda tavlanarak ince
filmler analiz edildi.
ZnO:Al yarıiletken ince filmler büyütüldükten sonra bunların geçirgenlik ve
soğurma özellikleri 190-1100 nm dalga boyu aralığına sahip Perkin-Elmer UV/VIS
Lamda 2S spektrometresi ile incelendi. Soğurma ve geçirgenlik verilerinden yasak
enerji aralıkları, soğurma katsayısı hesaplandı.
Özdirenç, iletkenlik değerleri, taşıyıcı konsantrasyonu ve mobilite dört prob
Van der Pauw tekniği kullanılarak Hall Etkisi Ölçüm Sistemi HMS-3000 ile
belirlendi.
Son olarak, elde edilen ZnO:Al ‘e Atmalı Katodik Vakum Ark Depolama
yöntemiyle üretildi ve elde edilen filmlerin optiksel ve elektriksel analizleri yapılarak
bilimsel ve teknolojik önemi tartışıldı.
1. GİRİŞ Deniz Kadir TAKCI
4
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Deniz Kadir TAKCI
5
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Bu çalışmada, R.F. magnetron püskürtme tekniği kullanılarak depolanmış Al
katkılı ZnO filmlerin optik ve elektriksel özellikleri düşük elektriksel dirençliliğe
sahip geçirgen filmlerin geliştirilmesi esnasında başlangıç koşullarının fonksiyonu
olarak incelenmiştir. Bu filmlerin elektriksel dirençliliği püskürtmeli filmlerin Hall
mobilitesi gibi R.F. güç yoğunluğuna ve yaklaşık 300 nm’ den daha az olduğunda
filmlerin inceliğine bağımlıdır. Serbest taşıyıcı yoğunluğu film inceliğinden ve R.F.
güçden hemen hemen bağımsızdır. Filmlerin görünür bölgedeki optik geçirgenliği %
90 civarındadır ve bu optik geçirgenlik kalınlıkla beraber R.F. gücüne bağlı değildir.
Kızılötesi kıyısında serbest taşıyıcılardan dolayı soğurmanın olduğu yerde
geçirgenlik film inceliğine ve hazırlama durumlarına bağlıdır (Malinovska ve ark,
1998).
Bu çalışmada, iyi derecede iletkenlik ve geçirgenlik özelliğine sahip
alüminyum katkılı ZnO ince filmler filtreli katodik vakum ark tekniği kullanılarak
düşük sıcaklıklarda üretilmiştir. ZnO:Al filmlerin özellikleri farklı alt taban
sıcaklıkları altında incelenmiştir. Filmlerin optik, elektriksel ve yapısal özelliklerinin
depolama sırasında alt taban sıcaklıklarına doğrudan bağlı olduğu ortaya
çıkarılmıştır. ZnO:Al filmlerin c-yönünde kristal gelişimi gözlenmiştir. ZnO:Al
filmlerin çeşitli Al içerikleriyle Zn-Al alaşım hedefleri kullanılarak hazırlanmıştır.
150 0C’ de substrat sıcaklığında en düşük dirençlilik 8x10-4 Ω cm, % 5’ lik Al
depolanmasında kazanılmıştır. Optik soğurma kenarı alt taban sıcaklığındaki
azalmayla en kısa dalga boyunda bulunmuştur. Ve Al depolamayla birlikte optik bant
aralığının genişlemesini etkilediği belirlenmiştir. Bu iki durum da Burstein-Moss
etkisine bağlanmıştır (Lee ve ark, 2004).
Bu çalışmada, Alüminyum ve Flor katkılı 200 nm kalınlığındaki çinko-oksit
filmler sırasıyla ağırlıkça % 2 Al2O3, % 1.3 ZnF ve saf çinko-oksitten oluşan çinko-
oksit karışımların birlikte çinko-oksit hedeflerden püskürtülmesi ile cam alt taban
üzerinde hazırlanmıştır. 300 0C’ de 2 saat süreyle 10-6 Torr vakum basıncında
tavlandıktan sonra, çinko-oksit filmlerin dirençliliklerinde 4.75×10−4 Ω cm’ nin
aşağısına kadar düşüş gözlenmiştir. 42.2 cm2/Vs değerindeki en yüksek mobilite
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Deniz Kadir TAKCI
6
değerini hacimce % 25 alüminyum ve % 75 flor katkılı çinko-oksit filmlerin
gösterdiği belirlenmiştir. XRD ölçümlerinden elde edilen veriler doğrultusunda flor
katkısının ZnO filmlerin kristalleşmesini arttırdığı sonucuna varılmıştır. Oksijenin 1s
bağlanma enerjisinin XPS spektrumu ve Hall ölçüm sonuçları vakumlu tavlama
işlemi sırasında dış kristalde soğurulmuş oksijenin ayrıştırıldığını ve dış kristal
yayılımın azaldığını teyit etmektedir. Ayrıca merit değerleri (FOM) tavlama sonrası
optik soğurma katsayısının 2.67 Ω-1’ nin yukarısına yükselten elektriksel iletkenlik
oranı olarak belirlenmiştir (Choi ve ark, 2005).
Bu çalışmada, metalik ve seramik ince filmlerin düşük sıcaklıklarda (50–400
°C) katodik ark depolanması manyetik olarak direkt vakumla ark üretimi, yüksek
iyonize olması ve alt tabanlar üzerindeki enerjitik plazma ışınları yüksek depolama
oranında yüksek kalite de kaplama eldesi ile ortaya çıkarılmıştır. Plazma ışınları ark
tarafından üretilen makropartiküllerinden arındırılmak için manyetik olarak filtre
edilmiştir. Bu depolanmış filmler alt tabana iyi nüfus etmesi ve optik kaliteleri
bakımından da karakterize edilmişlerdir. ZnO, SnO2, In2O3:Sn (ITO), ZnO:Al
(AZO), ZnO:Ga, ZnO:Sb, ZnO:Mg ve solar hücrelerde, optoelektronik aygıt ve gaz
sensörü olarak kullanılan farklı tipte çinko-stanat oksidaz (ZnSnO3, Zn2SnO4) ince
filmlerin saydamlığı ve elektriksel iletkenliği saf veya karışık çinko katotlar
kullanılarak depolanmıştır. Depolama sonrası düzeltmeler TCO filmlerin
özelliklerini netleştirmek için uygulanmıştır. FVAD ZnO ve ZnO:M ince filmlerin
depolama oranı 0.2-15 nm/s.’ dir. Filmlerin genel olarak nonsitokiyometrik,
polikristalize n-tip yarıiletken olduğu belirlenmiştir. ZnO filmler vürtzit yapıya
sahiptir. P-tipi Zn:O’ nun FVAD’ ı Sb depolama ile başarılmıştır. Elektrik iletkenliği
0.2-6×10-5 Ω m, elektron yoğunluğu 1023–2×1026 m-3 ve elektron hareketlilik oranı
10–40 cm2/V s olan N-tip ZnO ince filmlerin elektriksel iletkenliği ark yüzeyi,
oksijen basıncı, alt taban ön gerilimi ve alt taban sıcaklığı gibi depolama
parametrelerine bağlıdır.FVAD ile üretilen ZnO filmlerin enerji bant aralığı ~ 3.3 eV
ve kızılötesi kıyısı ile görünür bölgedeki sönüm katsayısı (k) 0.02 den küçük, optik
geçirgenliği 500 nm ince ZnO film için ~ 0.90 dır (Goldsmith, 2006).
Bu çalışmada, geçirgen iletken ZnO: 380-800 nm kalınlığındaki Al ve ZnO
filmler atomik olarak % 5-6 katkılı silindir Zn katotları kullanılarak filtreli vakum
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Deniz Kadir TAKCI
7
ark depolama (FVAD) tekniği ile cam alt taban üzerine depo edilmiştir. Al katkılı
veya saf Zn katotları P=0.4-0.93 Pa. basınçta oksijen gazı ortamında tutulmuştur.
Filmlerin kristal yapısı, kompozisyonu ve elektriksel ve optik özellikleri P’ nin
fonksiyonu olarak çalışılmıştır. Filmler oda sıcaklığındaki koşullarda saklanmıştır.
Saklama zamanının fonksiyonu olarak filmlerin direnç değişimi birkaç aylık
periyotlarla gözlenmiştir. Filmdeki Al konsantrasyonu 0.006-0.008 % atomik oran
olarak belirlenmiştir. Büyüklük katot materyalinde olduğundan daha düşüktür. Diğer
taraftan bu düşük Al içeriğinin filmin dirençliliğini, ρ ve stabilitesini etkilediği
bildirilmiştir. ZnO katkılı Al filmlerin dirençliliği, ρ= (6–8)×10−3 Ω cm, P’ den
bağımsız olup aynı FVAD sistem tarafında n depolanmış ZnO filmleri ile
karşılaştırınca 2 faktör daha düşüktür. Depolanmadan 60 gün sonra ZnO filmlerin ρ
değerinin ilk filmlere kıyasla faktör 7 tarafından arttırıldığı belirtilmiştir. P=0.47-0.6
Pa ile depolanmış ZnO:Al filmler daha çok stabildir. Depolama süresince filmlerin
ilk ρ değeri yavaşça artmış ve depolama sonrası (30-45 gün) stabilize edilmiştir
(Zhitomirsky ve ark, 2006).
Bu çalışmada, Xray ışınımı, elektriksel ölçümler ve ultra-viyole
fotolüminesans spektrometri tarafından karakterize edilen alüminyum katkılı çinko-
oksit ince filmler sol-jel metodu ile cam alt tabanlar üzerinde geliştirilmiştir. Zi-
qiang ve ark. yapmış olduğu bu çalışmada tüm ince filmlerin öncelikli c-ekseni
yönelimine sahip oldukları bulunmuştur. Alüminyum katkısının artmasıyla birlikte
düzlemin (0 0 2) pik pozisyonun 2Ө seviyelerine kadar düştüğü kaydedilmiştir. %
1.5 mol alüminyum katkılı film için minimum dirençlilik 6.2x10-4 Ω cm olarak
belirlenmiştir. Bant aralığının katkı maddesi konsantrasyonu arttıkça genişlediği
bulunmuştur. PL ölçümlerinden elde edilen yakın bant kenarı (NBE) ve derin seviye
(DL) emisyonları saf çinko-oksit ince filmlerinde gözlemlenmiştir. Bununla birlikte,
ince filmlerde alüminyum depo edildiğinde filmin DL emisyonu baskılanmaktadır.
Alüminyumun konsantrasyonu arttıkça yüksek foton enerji alanına ait bir blueshifte
sahip olan NBE emisyonun piki geçirgenlik verilerden elde edilen doğrusal fit ile
hesaplanmış diğer değerlerle kesişmektedir (Zi-qiang ve ark, 2006).
Bu çalışmada, (0 0 2) düzleme doğru yönelen alüminyum katkılı çinko-oksit
ince filmler sol-jel prosesleri ile hazırlanmıştır ve depolama sonrası ısıtma sıcaklığı
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Deniz Kadir TAKCI
8
ile filmlerin elektriksel ve optik özellikleri incelenmiştir. (0 0 2) düzleme doğru
istenen c-eksen yönelimi depolama sonrası ısıtma sıcaklığının artmasıyla birlikte
arttığı ve filmlerin yüzeyinin düzgün ve nano ölçekli bir mikro yapı gösterdiği
belirlenmiştir. Filmlerin elektriksel dirençliliği depolama sonrası ısıtma sıcaklığı 500 oC’ den 650 oC’ ye arttıkça 73’ den 22 Ω cm’ ye düştüğü gözlenmiştir. Bununla
birlikte film 700 oC’ de ısıtıldığında 580 Ω cm’ e artmıştır. Filmlerin optik
geçirgenenliği 650 oC’ nin altındaki ısıtıldıklarında yaklaşık % 86 olarak
belirlenmiştir. Ancak bu değerin 700 oC’ de azaldığı ortaya konmuştur. Bu
çalışmanın sonuçları alüminyum katkılı filmlerin elektriksel ve optik özelliklerinin
ısıtma sıcaklıkları ile tartışılması gerektiğini ortaya koymaktadır (Kim ve ark, 2007).
Bu çalışmada, Alüminyum katkılı çinko oksit ince filmler spin kaplama
metodu kullanılarak silikon alt tabanlar üzerine başarılı bir şekilde depolanmıştır.
Filmlerin elektriksel ve optiksel özellikleri üzerindeki tavlama sıcaklığının etkisi
atomik oranda % 1.5 alüminyum için incelenmiştir. 350 oC’ de tavlanmış filmlerin
kırılma indisi profili elipsometri kullanılarak belirlenmiş olup minumun kırılma
indisi 1.95, maksimum kırılma indisi 2.1 olarak gösterilmektedir. Minumum kalınlık
değeri 30.1 nm ve maksimum kalınlık değeri 34.5 nm olan filmlerin çok iyi benzerlik
gösterdiği ortaya çıkarılmıştır. 350 oC’ de tavlanmış filmlerin maksimum
geçirgenliği 4.63Ω-1 cm-1 olarak belirlenmiştir. Hall ölçümleri yapılarak ortaya
konulan maksimum taşıma yoğunluğu 2.2x1017cm-3’ tür. Ve bu çalışmada Fourier
dönüşümlü kızılötesi spektroskopi analizlerinde tavlama sıcaklıklarındaki artışın pik
pozisyonunda hiçbir değişikliğe neden olmadığı ortaya konmuştur (Shelke ve ark,
2009).
Bu çalışmada, c ekseni yönilmi gösteren Al katkılı ZnO ince filmler radyo
frekans reaktif magnetron püskürtme tekniği kullanılarak cam alt tabanlar yüzeyine
depolanmıştır. Bu filmlerin Al konsantrasyonları mikro yapıları ve lüminesans
özellikleri üzerine etkisi atomik kuvvet mikroskobu (AFM), X-ray kırınımı (XRD)
ve floresans spektrofotometre uygulamaları ile belirlenmeye çalışılmıştır. Bu
analizlerin sonuçları filmlerin kristalizitesinin Al konsantrasyonuna bağlı olduğunu
göstermektedir. Örneklerin PL ölçümleri oda sıcaklığında yapılmıştır. Dört örneğin
PL sonuçları doğrultusunda güçlü mavi piklerin 437nm’ de (2.84 eV), iki zayıf yeşil
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Deniz Kadir TAKCI
9
piklerin 492 nm (2.53eV) ve 524 nm (2.37 eV)’de lokalize olduğu belirlenmiştir. Bu
emisyonların orjinleri incelenmiştir. Bunlara ek olarak örneklerin absorbsiyonu ve
geçirgenlik özellikleri UV spektrofotometre kullanılarak araştırılmıştır. Al katkılı bu
filmlerin Al konsantrasyonu arttıkça daha uzun dalga boylarında soğurmanın
sağlandığı gözlemlenmiştir. Optik bant aralığı kuantum kısıtlama modeli kullanılarak
hesaplanmıştır (Ding ve ark, 2009).
Bu çalışmada, iletken ve geçirgen alüminyum katkılı çinko-oksit filmler aynı
anda RF ve DC magnetron püskürtme yöntemi tarafından hazırlanmıştır. Bu
çalışmada alüminyum katkılı çinko-oksit filmlerin özelliklerini araştırmak için Lu ve
ark., optik emisyon spektroskopisinin yanı sıra X-ray ışınımı, X-ray soğurma
spektroskopisi, elektriksel dirence dayalı sıcaklık ve Hall ölçümlerini
kullanmışlardır. Çalışmanın sonuçları tüm örneklerin c-eksenine yönelen çok kristalli
olduğu ortaya konmuştur. Minumum direnç 7.13x10-3 Ω cm olarak kazanılmıştır ve
film için metalik tip iletkenlik davranışı 50 W’da gözlenmiştir. Bu veriler alüminyum
katkılı çinko-oksit filmlerin elektriksel iletkenlik özelliklerinin kristallenme ile
ilişkili olduğunu göstermektedir. Az kristallenmeden dolayı oluşan çok sayıda
kusurlar ve indirgenmiş gerilim alanı serbest taşıma yoğunluğunu azaltır böylece
iletkenlik azalır (Lu ve ark, 2009).
Bu çalışmada, Alüminyum katkılı çinko-oksit filmler çinko-alüminyum
alaşım hedefleri kullanılan oyuk katot gaz akışlı püskürtme ile cam üzerine depo
edilmiştir. Tüm depolamalar için püskürtme gücü 1500 W’ da sabitleştirilmiştir.
Takeda ve arkadaşlarının yapmış olduğu bu çalışmada statik depolama oranı hemen
hemen 270-300 nm/min’ de sabitlenirken, 38’ den 50’ ye kadar değişen standart
kübik cm/ min (SCCM) O2 akışıyla oda sıcaklığında depolanmış AZO filmlerin
dirençliliği 0.81-1.1x10-3 Ω cm olarak belirlenmiştir. Diğer yandan statik depolama
oranları ortalama 200-220 nm/min. Sabitlenirken, 25-50 arasındaki SCCM O2 akışıyla 200 oC ‘ de depolanmış AZO filmler için 5.2-6.4x10-4 Ω cm değerinde düşük
dirençlilik elde edilmiştir. Görünür ışık bölgesinde ortalama geçirgenlikler filmlerin
her ikisi içinde % 80’ nin üzerinde olduğu kayıt edilmiştir (Takeda ve ark, 2009).
Bu çalışmada, İndiyum kalay oksit ile güçlendirilmiş ve son zamanlarda
uyguma sayılarındaki yüksek potansiyeli ile Al katkılı çinko oksit ZnO:Al veya AZO
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Deniz Kadir TAKCI
10
en iyi bilinen n-tipi geçirgen iletken oksit olduğu Anders ve ark., tarafından
belirlenmiştir. Bu çalışmada atmalı filtreli katodik vakum ark depolama tekniği ile
cam ve silikon üzerine depolanmış AZO ince filmlerin optik ve elektriksel özellikleri
sistematik bir şekilde incelenmiştir. Magnetron püskürtme tekniğe karşın, bu tekniğin
enerjitik negatif iyon oluşturmadığı belirlenmiş ve böylece iyon hasarının minimalize
edildiği gözlemlenmiştir. Marjinal gelişmeler yalnızca depolama sonrası tavlama ile
kazanılırken AZO filmlerin kalitesi büyüme sıcaklığına bağlı olduğu gösterilmiştir.
Ortalama 200 °C’ de sıcaklıklar da geliştirilmiş en iyi filmlerin spektrumun görünen
kısmına kıyasla % 85’ den daha iyi geçirgenlik ile ortalama 10-4 Ω cm aralık da
dirençliliğe sahip oldukları bildirilmiştir. Bu metotla, kayda değer ve oldukça iyi ince
kalınlıkta (60 nm) filmler üretilebilir (Anders ve ark, 2010).
Bu çalışmada, farklı Al miktarı içeren Al katkılı Zn:O ince filmler radyo
frekans reaktif magnetron püskürtme tekniği kullanılarak Si alt taban yüzeyine
depolanmıştır. X-ray kırınımı ölçümleri filmlerin kristalitesinin ağırlıkça % 0.75 Al
içeriği ile sağlandığını göstermiştir. Ağırlıkça % 0.75 Al içerikli ZnO:Al filmler
farklı sıcaklıklarda vakum altında tavlanmıştır. XRD sonuçları kalan sıkıştırıcı
stresin en yüksek tavlama sıcaklıklarında azaldığını ortaya çıkarmıştır. ZnO:Al
filmlerin yüzey pürüzlülüğü 300 0C’ e tavlama sıcaklığında düzken, 600 ve 750 0C
sıcaklılarda pürüzlenme olduğu belirlenmiştir. Oda sıcaklığında yapılan PL ölçümleri
sonucunda bir viyole, iki mavi, bir yeşil ışıma yaptığına işaret etmektedir. Bu
ışımaların orjini tartışılmış ve ZnO:Al ince filmlerin viyole ve mavi ışımanın
mekanizması ortaya kondu (Ding ve ark, 2010).
Bu çalışmada, iletken ve geçirgen Al katkılı ZnO filmler sodyumkarbonat
kireç cam alt taban üzerinde oda sıcaklığında magnetron püskürtme tekniği
kullanılarak 0.3-1.1 mm arasında farklı kalınılıklarda üretilmişlerdir. Depolama
sonrası örnekler hava veya vakumda 150’ den 450 0C’ e kadar olan sıcaklıklarda
tavlanmışlardır. AZO kaplamalarının optik, elektriksel ve yapısal karakteristiklikleri
film kalınlıklarının fonksiyonu ve tavlama parametreleri olarak spektrofotometre,
Hall ölçümleri ve X-ray kırınımı ile analiz edilmiştir. Yüzeylerin polikristalize
olduğu, tek hücrelerin c-eksenine doğru yönelmesi ile birlikte görünen geçirgenliğin
~ 85-90 % ve dirençliliğin ~ 1.6-2.0 mΩ cm olduğu belirlenmiştir. Her iki
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Deniz Kadir TAKCI
11
parametrenin de film kalınlığı arttıkça azaldığı gözlenmiştir. Hava veya vakum
altında ısıtmanın kristalin örgü uzaması ile birlikte ısıtma sıcaklığına ve atmosfere
bağlı elektriksel dirençlilikte bir azalışa, görünen geçirgenlikte artışa yol açtığı
belirtilmiştir. En iyi karakteristik özellik vakum altında 350 0C yapılan
uygulamalardan sonra elde edilmiştir. Görünen geçirgenlik ~ 90-95 % ve dirençlilik
~ 0.8-0.9 mΩ cm olarak hesaplanmıştır. Analiz edilen özellikler arasunda bazı
benzerlikler sınır gap enerjisi, taşıma konsantarsyonundaki hareketliliğin örgü
deformasyonuna bağlı olduğunu gösterdi (Guillén ve ark, 2010).
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Deniz Kadir TAKCI
12
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
13
3. MATERYAL VE METOD
3.1. ZnO’ nun Temel Özellikleri
3.1.1. Giriş
Çinko oksit (ZnO) inorganik bir bileşiktir. Toz hali, çok sayıda materyal ve
plastik, seramik, cam, çimento, lastik (örneğin araba tekeri), yağ, merhem,
yapışkanlar, deri sızdırmazlık malzemeleri, boya maddesi, yiyecekler (Zn besin
maddesi kaynağı), piller, ferritler, alevlenmeyi geciktiriciler, vb ürünlere bir katkı
maddesi olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. ZnO yerkabuğunda mineral
çinko taşı olarak bulunmaktadır. Buna rağmen, ticari olarak kullanılan ZnO’ nun
çoğu sentetik bir biçimde üretilmektedir.
Çinko ve oksijen, sırasıyla, periyodik tablonun II. ve VI. grubuna ait
olduklarından, ZnO, malzeme biliminde genellikle II-VI grubu yarıiletken olarak
adlandırılır. Bu yarıiletkenin bazı avantajlı özellikleri vardır. Bunlardan en
önemlilerini, iyi geçirgenlik, yüksek elektron mobilitesi, geniş bant aralığı, etkili oda
sıcaklığı lüminesansı olarak sıralayabiliriz. Bu özellikler, halihazırda, sıvı kristal
görüntülemedeki geçirgen elektrotlar için enerji depolama veya ısı-koruma
pencereleri gibi yeni uygulamalarda kullanılmakta olup, yakın gelecekte de ince film
transistör ve ışık yayan diyotlar olarak ZnO’ nun elektronik uygulamalarında
kullanılabilecektir (Erdoğan, 2010). Tablo 3.1 de ZnO’ nun çeşitli özellikleri
gösterilmektedir.
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
14
Tablo 3.1. ZnO’ nun sahip olduğu çeşitli özellikler
Özellikler
Moleküler formülü ZnO
Yoğunluk 5.606 g/cm3
Erime noktası 1975 °C
Kaynama noktası 2360 °C
Bant aralığı 3.3 eV( direk)
Kırılma indisi 2.0041
Kristal Yapısı Vurtzite
300 K’ de ki örgü parametreleri
ao co
ao / co
0.32495 nm
0.52069 nm
1.602
Statik dielektrik sabiti 8.656
3.1.2. Kimyasal Özellikler
Çinko oksit, çinko beyazı veya mineral zincit olarak bilinen beyaz toz olarak
görülür. Bu mineral genellikle belirli bir miktar manganez ve diğer elementleri içerir
ve sarıdan kırmızıya kadar olan renklerde görülebilir. Çinko oksit termokromiktir,
yani ısıtıldığında beyazdan sarıya döner ve havada soğumaya bırakıldığında ise
beyaza döner. Bu renk değişimi, yüksek sıcaklıklarda stokiyometrik olmayan yapının
( , 800 °C’ de x=0.00007) oluşmasına neden olan çok az sayıdaki oksijen eksikliğinden kaynaklanmaktadır.
Çinko oksit, amfoter bir oksittir, suda ve alkolde neredeyse çözünmez fakat
hidroklorik asit gibi çoğu asitlerde çözünmektedir.
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
15
+ 2 → + (3.1.)
Çinko oksit, aynı zamanda bazlarda çözünerek, çözünebilir zinkat oluşumuna
neden olur.
+ 2 + → ( ( ) ) (3.2.)
ZnO, yağlarda yağ asitleriyle, örneğin, karboksilaza denk oleat veya stearat
üretmek için, yavaş bir şekilde reaksiyona girer.
ZnO, aynı zamanda fosforik asitle işleme tabi tutulduğunda çimento benzeri
ürünler elde edilmektedir. Bununla ilişkili malzemeler de dişçilikte kullanılmaktadır.
Bu reaksiyon sonucu üretilen çinko fosfat çimentosunun ana bileşeni hopeittir.
( ( ) ∙ 4 ) (3.3.)
ZnO sadece 1975 °C’ de çinko buharı ve oksijene çözünür, bu ise onun ne
kadar kararlı bir yapıya sahip olduğunu gösterir. ZnO, karbon ile reaksiyona
girdiğinde Zn metali ve CO elde edilir.
+ → + (3.4.)
ZnO, sülfür elde etmek için hidrojen sülfür ile reaksiyona girer.
+ → + (3.5.)
3.1.3. Fiziksel Özellikler
3.1.3.1 Kristal Yapısı
Çinko oksit üç farklı kristal formunda ortaya çıkmaktadır. Bunlar, hekzagonal
(vürtzit), kübik çinko sülfür (cubic zinc blende) ve nadiren kübik kaya tuzu olarak
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
16
gözlenmektedir. Vürtzit yapısı ortam koşullarında en kararlısıdır ve dolayısıyla en
yaygın olanıdır. Zinc blende formu, ZnO’ nun kübik örgü yapısına sahip alt taban
üzerine büyütülmesiyle kararlı hale getirilebilir. Her iki durumda çinko ve oksit
merkezleri tetrahedraldir. Kaya tuzu yapısı (NaCl tipi) sadece 10 GPa civarındaki
yüksek basınçta gözlenir. Şekil 3.1 de ZnO’ nun kristal yapıları gösterilmektedir.
Şekil 3.1. ZnO’ nun kristal yapılarının gösterimleri (a) Kaya tuzu, (b) Zincblende, (c)
Hekzagonal vürtzit (Özgür ve ark, 2005)
Hekzagonal ve zinc blende çok kristalleri inversiyon simetrisine sahip
değillerdir. Bu ve diğer örgü simetri özellikleri hekzagonal ve zinc blende ZnO’ nun
piezoelektrik özellik göstermelerine ve hekzagonal ZnO’ nunda piroelektrik özellik
göstermesine neden olur.
Hekzagonal yapı 6 mm Å nokta grubuna veya ’ ye sahiptir ve uzay grubu 6 ’ tür. Örgü sabitleri, a=3.25 Å ve c=5.2 Å’ dur. Bunların oranı olan c/a~1.60 değeri, hekzagonal hücrenin ideal değerine (c/a=1.633) yakındır. Çoğu II-
VI grup materyallerinde olduğu gibi, çinko oksitteki bağlanma da çoğunlukla
iyoniktir ve bu da çinko oksitin neden iyi piezzoelektrik özelliği gösterdiğini
açıklamaya yetmektedir. Polar Zn-O bağlarına bağlı olarak, çinko ve oksijen
düzlemleri elektrik yükleri (sırasıyla, pozitif ve negatif) taşırlar. Dolayısıyla,
elektriksel nötralliğin sürdürülmesi için, bu düzlemler birçok ilgili materyallerde
atomik düzeyde yeniden düzenlenir. Fakat çinko oksitte bu durum
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
17
gerçekleşmemektedir. Onun yüzeyleri atomik olarak düzgün, kararlı ve yeniden
düzenlenme sergilemezler. ZnO’ da ki bu anormallik henüz tam olarak
açıklanamamıştır (Erdoğan, 2010).
3.1.3.2. Mekanik Özellikler
ZnO göreceli olarak mohs skalasında yaklaşık 4.5 sertlikle birlikte yumuşak
bir materyaldir. ZnO’ nun elastik sabitleri, GaN gibi III-V grubu yarıiletkenlerle
kıyaslandığında daha küçüktür. Yüksek ısı kapasitesi ve iletkenliği, düşük ısısal
genleşmesi ve yüksek erime sıcaklığı ZnO’ yu seramikler için faydalı kılmaktadır.
ZnO’ nun, tedrahedral olarak bağlanmış yarıiletkenler arasında en yüksek
piezzoelektrik tensöre sahip olduğu belirlenmiştir ve GaN ve AlN ile
kıyaslanabilmektedir. Bu özellik onu, büyük bir elektromekaniksel kuplaj gerektiren
birçok piezzoelektrik uygulamaları için teknolojik olarak önemli bir materyal
yapmaktadır (Erdoğan, 2010).
3.1.3.3 Elektriksel Özellikler
ZnO oda sıcaklığında geniş bant aralığına (3.3 eV) sahip bir materyaldir ve
bundan dolayı, saf ZnO renksiz ve geçirgendir. Yüksek bant aralığıyla ilgili
avantajlar, daha yüksek kırılma voltajı, büyük elektrik alanlara dayanma kabiliyeti,
daha düşük elektronik gürültü, yüksek sıcaklık ve yüksek güç etkinliklerini içerir.
ZnO’ nun bant aralığı, magnezyum oksit ve kadmiyum oksit ile alaşım yapılarak bir
başka değere (~3-4 eV) ayarlanabilir.
ZnO, bilinçli bir şekilde katkılanmadan bile genellikle n-tipi karaktere
sahiptir. n-tipi karakterin orijini olarak stokiyometrik olmayan durum gösterilmesine
rağmen, konu tartışmalı olarak durmaktadır. Bu konuda yapılan teorik hesaplamalar
sonucunda, istenmeyen hidrojen safsızlıklarının sorumlu olduğu bir öneri olarak ileri
sürülmüştür. Kontrol edilebilir katkılama, Zn ile Al, Ga, In gibi III. grup
elementlerinin yer değiştirmesi veya oksijen ile VII. grup elementleri klor veya
iyodun yer değiştirmesi kolayca başarılabilmektedir.
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
18
ZnO’ nun güvenilir bir Şekilde p-tipi katkılama işlemi zor olarak sürmektedir.
Bu problem, p-tipi katkılayıcıların düşük çözünürlüğünden ve çok miktardaki n-tipi
safsızlıklarla kompanse edilmesinden kaynaklanmaktadır. Benzer sorunlar GaN ve
ZnSe’ de görülmektedir. n-tipi bir materyalin p-tipi olarak ölçülmesindeki
karmaşıklık, örneğin homojen olmamasından kaynaklanmaktadır.
p-tipi katkılamadaki güncel sınırlamalar, ZnO’ nun elektronik ve
optoelektronik uygulamalarını sınırlamamaktadır. Bilinen p-tipi katkılayıcılar, I. grup
elementleri, Li, Na, K; V. grup elementleri, N, P ve As’ nin yanısıra, bakır ve
gümüşü içermektedir. Buna rağmen, bunların çoğu derin alıcılar oluştururlar ve oda
sıcaklığında kayda değer p-tipi iletkenlik sağlamazlar.
ZnO’ nun elektron mobilitesi sıcaklıkla hızla değişmektedir ve 80 K’ de
maksimum değere (2000 cm2/Vs) sahip olmaktadır. Deşik mobilitesi 5-30 cm2/Vs
aralığındaki değerlerle sınırlıdır (Erdoğan, 2010).
3.2. ZnO İnce Filmlerin Depolamasında Kullanılan Bazı Üretim Yöntemleri
3.2.1. Giriş
ZnO ince filmlerin büyütülmesi, onların mükemmel piezzoelektrik özellikleri
ve farklı türlerdeki alt tabanlar üzerinde (cam, safir, elmas) güçlü 0001 tercihli
yönelimle birlikte büyüme eğilimlerinden dolayı akustik ve optik aygıtlar için
çalışılmıştır. İlk çalışmalar, magnetron söktürme, kimyasal buhar depolama gibi
yöntemlerin kullanıldığı büyütme tekniklerinden bahsetmektedir. Elde edilen
filmlerin genellikle polikristal yapıda oldukları belirlenmiştir. Magnetron söktürme
tekniği ve depolama işlemleri üzerinde çok iyi kontrole izin veren moleküler demet
epitaksi, atmalı lazer depolama, metal organik kimyasal buhar depolama ve hidrit
(hydride) veya halojenür (Halide) buhar faz epitaksi gibi büyütme yöntemleri
kullanılarak yapılan son denemeler yüksek kalitede ZnO tek kristal filmler elde
edilmesine olanak sağlamıştır. ZnO filmlerinin özelliklerinin geliştirilmesi, oda
sıcaklığında optiksel pompalanmış lazerin gözlenmesine olanak sağlamıştır. ZnO’
nun UV ışık yayıcılar olarak potansiyel uygulamalara sahip olması, ZnO büyütme
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
19
üzerindeki araştırmalara ilginin yönelmesine neden olmuştur. Homo epitaksiyi
mümkün kılmak için yüksek kaliteli ZnO alt tabanlar elde edilebilir. Buna rağmen,
uzun bir süre boyunca büyütme işlemlerinin çoğu, ZnO ile kötü ısısal uyuşma ve
kötü yapıya rağmen, düşük maliyet, geniş alan tabakaları olarak elde edilebilmesi ve
geniş enerji bant aralığından dolayı safir (Al2O3) üzerine yapılmıştır. Yüksek kaliteli
ZnO alt tabanlarının elde edilebilirliği, yüksek kaliteli epitaksiyel tabakaların
kaplanması yolunu açmamaktadır. Bulka uyumlu epitaksiyel tabaka gerçekleştirmek
için birçok çalışma yapılmaya devam etmektedir. Büyük alanlı ve yüksek kaliteli
filmlerin büyütülmesi sadece malzeme bilimi için değil bir çok aygıt uygulamaları
için de önemlidir. Geleneksel olarak ZnO büyütmede alt taban olarak safir
kullanılmış olmasına rağmen, safir alt taban ve ZnO arasındaki büyük örgü
uyuşmazlığının neden olduğu yüksek dislokasyon yoğunluğu, aygıt performansını
olumsuz yönde etkilemiştir. Şimdi ZnO ince filmlerin büyütülmesinde kullanılan
bazı üretim yöntemlerinden bahsedilecektir (Özgür ve ark, 2005).
3.2.2. Radyo Frekans Magnetron Söktürme Yöntemi (RF Magnetron
Sputtering)
İlk ZnO araştırmalarında kullanılan en popüler büyütme yöntemlerinden birisi
söktürme yöntemidir (DC Söktürme, RF Magnetron Söktürme ve Reaktif Söktürme).
Magnetron söktürme, sol-gel ve kimyasal buhar depolama yöntemleriyle
kıyaslandığında, düşük maliyeti, basitliği ve düşük işlem sıcaklığı nedeniyle tercih
edilen bir yöntemdir. ZnO filmler, rf magnetron sökürtme yöntemi kullanılarak
yüksek saflıktaki bir ZnO hedefinden söktürmeyle belirli alt tabakalar üzerinde
büyürler. Büyütme işlemi, genellikle büyütme ortamındaki O2/Ar+O2 oranının 0’ dan
1’ e değiştiği 10-3-10-2 Torr basıncında gerçekleştirilir. O2 reaktif gaz olarak ve Ar da
söktürme gazı olarak kullanılır. ZnO filmler aynı zamanda Ar+O2 karışımında bir Zn
hedefinden dc söktürmeyle de büyütülebilirler. Plazmaya uygulanan rf gücü, ZnO
hedefinden elde edilen söktürme ürün oranını düzenlemek için ayarlanır. Bu
deneylerde hedef, gerçek depolama başlamadan önce hedef yüzeyinin üzerindeki
kirliliği çıkarmak, sistemi kararlı yapmak ve en iyi şartlara ulaşmak için 5-10 dakika
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
20
civarında ön söktürme işlemine tabi tutulur. İlk sökürtme malzemelerinin çoğunun
polikristal hatta amorf olmasına rağmen bazı önemli başarılar raporlanmıştır (Özgür
ve ark, 2005).
3.2.3. Moleküler Demet Epitaksiyel Yöntemi (Molecular-Beam Epitaxy-MBE)
Moleküler demet epitaksi’ nin en büyük avantajı, depolama parametreleri
üzerinde mükemmel kontrole izin vermesi ve doğasında var olan tanı kapasiteleridir.
MBE ile ZnO ince film büyütmek için kaynak malzeme olarak genellikle Zn metali
ve O2 kullanılır. Yüksek saflıktaki Zn metali bir dökme ünitesinde buharlaştırılır. Bu
dökme ünitesinin sıcaklığı, Zn akısının, büyütme oranı ve malzeme özellikleri
üzerindeki etkisini araştırmak için değiştirilebilir. Bir ECR veya rf plazma kaynağı
ile üretilebilen oksijen demeti, yüksek oksidasyon verimi sağlamak için örneğin
üzerine yönlendirilir. Oksijen plazma kullanıldığı zaman, depolama boyunca oda
basıncı 10-5 Torr civarındadır. Aynı zamanda MBE ile safir alt taban üzerine ZnO
üretmek için nitrojen dioksit (NO2) kullanılmıştır. Nitrojen dioksit kullanımının,
duyarlı flamanları ve ısıtıcıları korumak için oda basıncını düşük değerde muhafaza
etmek amaçlı olduğu belirtilmiştir. Fakat, sonuçta elde edilen kristal yapı ve yüzey
morfolojisi yeteri kadar tatmin edici değildir. Aynı zamanda aktif oksijen kaynağı
olarak hidrojen peroksit (H2O2) kullanılmasıyla başarılı ZnO filmler elde edildiği
belirtilmiştir (Özgür ve ark, 2005).
3.2.4. Atmalı-Lazer Depolama Yöntemi (Pulsed Laser Deposition-PLD)
Atmalı-lazer depolama yönteminde, yüksek güçlü lazer atmaları ile bir hedef
yüzeyinden materyal buharlaştırılır ve etkileşme sonucunda materyalin
sitokiyometrisi korunur. Sonuç olarak, süpersonik jet parçacıkları (plume) hedef
yüzeyine normal olarak yönlendirilir. Plume ileri yönlendirilmiş bir hız dağılımıyla
birlikte hedeften yayılır. Ablasyon edilmiş türler hedefin karışışına yerleştirilmiş olan
alt tabaka üzerine yoğunlaşır. Tipik atmalı lazer depolama sisteminin şematik bir
gösterimi Şekil 3.2 de verilmiştir. PLD’ nin en önemli avantajları, yüksek enerjili
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
21
kaynak parçacıkları yaratma kabiliyeti, düşük alt taban sıcaklığında (200-800 °C)
yüksek özellikli film büyütülmesine izin vermesi, basit deneysel kurulumu, 10-5-10-1
Torr oranındaki yüksek gaz basıncında işlem yapılması olarak belirtilebilir. PLD
tekniğiyle ZnO büyütmede genellikle, UV excimer lazerleri (KrF : λ=248 nm ve ArF
: λ=193 nm) ve Nd : yttrium aliminyum garned (YAG) atmalı lazerleri (λ=355 nm)
kullanılır. Bazı durumlarda, benzer amaçlar için λ=510-578 nm Cu-buhar lazer
yayınımı kullanılmıştır. Hedef olarak, genellikle ZnO tozlarından preslenerek
yapılmış silindirik ZnO tabletleri kullanılmaktadır. Ayrıca yüksek özellikli ZnO ince
filmler büyütmek için tek kristal ZnO kullanılmıştır. Saf Zn metali çok nadir
durumlarda kullanılmaktadır. Büyütülen ZnO filmlerinin özellikleri, başlıca, alt taban
sıcaklığı, oksijen basıncı ve lazer yoğunluğuna bağlıdır (Özgür ve ark, 2005).
Şekil 3.2. Atmalı lazer depolama sisteminin şematik diyagramı (Özgür ve ark, 2005)
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
22
3.2.5. Kimyasal Buhar Depolama Yöntemi (Chemical Vapor Deposition-CVD)
Diğer büyütme yöntemleri arasında, kimyasal buhar depolama teknolojisi
sadece yüksek kaliteli filmler elde edilmesi için değil aynı zamanda büyük ölçekli
üretim için de uygun olduğundan dolayı özellikle ilgi çekicidir. Bu teknik, ileriye
dönük çeşitli GaN temelli optoelektronik aygıtların tasarımında işe yarayacak
epitaksiyel filimlerin üretimi için yaygın bir şekilde kullanılmıştır. Benzer eğilim,
ZnO’ nun gelecekteki uygulamaları için de beklenebilir. Kullanılan prekürsöre göre
bu tekniğin birkaç değişik türleri vardır. Metal organik prekürsör kullanıldığında, bu
teknik, metal organik kimyasal buhar depolama (Metal Organic Chemical Vapor
Deposition-MOCVD), metal organik buhar faz epitaksi (Metal Organic Vapor-Phase
Epitaxy-MOVPE), organametalik buhar faz epitaksi (Organametallic Vapor-Phase
Epitaxy-OMVPE) olarak adlandırılır. Hidrit veya halojen prekürsörü kullanıldığı
durumda ise, bu teknik, hidrit veya halojen CVD veya VPE olarak adlandırılır.
Kimyasal buhar depolama yöntemi ile ZnO depolama, büyütme odasına
taşıyıcı gaz ile iletilen buhar fazındaki prekürsörün alt taban üzerindeki kimyasal
reaksiyonun bir sonucu olarak ortaya çıkar (Özgür ve ark, 2005).
3.2.6. Filtreli Katodik Vakum Arklar
3.2.6.1 Giriş
Vakum ark, bir vakum ortamında iki elektrot arasındaki yüksek bir akım
düşük gerilim elektrik deşarjıdır. Vakum, düşük voltajda kendiliğinden yüksek bir
akım deşarjı sürdüremez, Plazmanın elektrotlarla yoğun bir şekilde etkileşimi sonucu
oluşan arkın oluşturduğu buharlaştırılmış elektrot materyalinin iyonlaşmış plazma
formundaki iletken bir ortama gerek vardır.
Çoğu vakum arklar birkaç kA’ den az akımlara sahiptirler ve plazma üretimi
katot spotları olarak bilinen katot üzerindeki bir veya birkaç küçük yerlerde
sınırlandırılmıştır. Son derece parlak katot spotu oldukça göz alıcı bir şekilde
görünür ve vakum ark açısından bir hayli çalışılmıştır. Katot spotları iletken bir
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
23
ortam sağlamanın yanı sıra, aynı zamanda genellikle soğuk elektrottan elektronların
salınması için de gerekli mekanizmayı temin eder. Ark akımının tamamının küçük
alanlarda yoğunlaşmasıyla, yerel olarak aşırı derecede yüksek sıcaklık ve elektrik
alan oluşur. Eğer akım düzgün olarak dağılmış olsaydı, ne yeteri kadar elektron ne de
plazma üretimi oluşabilirdi. Katodun gerçek mekanizması hala bir araştırma konusu
iken, ondan üretilen plazmanın özellikleri iyi anlaşılmış olup, sıradışıdır. Katot
spotundan üretilen metal buharı hemen hemen tamamıyla iyonize olur ve özellikle
ısıya daha dayanıklı katot metaller için çoklu iyonize türler yaygındır. Bu iyonlar, 20
V dolaylarındaki deşarj voltajlarında bile tipik olarak 50-150 eV’ lik kinetik
enerjilerle oldukça enerjitiktir. Bu da katot spotlarından 10 km/s mertebesinde
uzaklaşan bir plazma akış hızını açıklamaya yetmektedir. Sonuç olarak, bol miktarda
plazma üretilir. Plazma jetindeki, konveksiyon yoluyla yayılan iyon akımı yaklaşık
olarak ark akımının % 10’ u kadardır.
Katot plazma jeti her doğrultuda yayılır ve plazmanın bir kısmı anot ile temas
eder. Elektrik akımı, aynı yük yoğunluğuna ve genelde aynı yönelimde akıya sahip
iyonların hızından belirgin bir şekilde daha hızlı olan elektron akışıyla katottan anoda
doğru sağlanır. Elektrik akım akısının olduğu kadar plazma akısı da, ister ark akımı
tarafından kendiliğinden oluşsun ister dış etkilerden oluşsun manyetik alan tarafından
etkilenebilir. Anottaki iyon ve elektrik akısı anodu ısıtabilir ve uygun şartlar altında
anot bir kaynak ve hatta plazmanın ana kaynağı olabilir. (Boxman ve ark.)
3.2.6.2. Ark İnce Film Depolama
İdeal ince film depolama yöntemi pratik büyütme şartlarında yoğun filmler
depolamak için yeterli enerjinin olmasını gerektirir. Reaktif depolama boyunca
bileşik filmlerin oluşumunu desteklemek için yüksek dereceli bir iyonizasyon
gerekir. İnce film depolamak için vakum arkların kullanılmasındaki önemli bir
zorluk, katot materyalinin erimiş damlacıklarıyla plazmanın kirletilmesidir. Bu
damlacıklar ortalama birkaç mikrometre olmasına rağmen makro parçacıklar olarak
adlandırılırlar. Makro parçacık filtresinin gelişimi, endüstride ve araştırmalarda ince
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
24
film depolama plazma kaynakları olarak vakum arkların benimsenmesinde etkili
olmuştur (Erdoğan, 2010).
3.2.6.3. Ark İyon Kaynağı
Geleneksel plazma kaynaklarına kıyasla, katodik ark tarafından üretilen
plazma çok büyük bir oranda iyonize olmaktadır. Bu da, plazmanın elektromanyetik
olarak hareket ettirilmesine olanak sağlamaktadır. Bundan dolayı, manyetik selenoid
bir makro parçacık filtresi olarak kullanılabilir. Bu özelliğin avantaja dönüştürüldüğü
başka bir yol da, metal bir iyon kaynağı yaratmak için yüklü ekstrasyon gridinin
kullanılmasıyla plazmadan iyonlar çekilmesidir (Erdoğan, 2010).
3.2.6.4. Katodik Ark Bileşenleri
Modern pratik vakum arklar Şekil 3.3’ de gösterildiği üzere birkaç zorunlu
bileşenlerden meydana gelmektedir; plazmanın elde edildiği iletken bir katot, deşarjı
başlatmak için bir tetikleyici, bir güç kaynağı ve bir vakum odası. Ek bileşenler,
manyetik kapatma bobinleri ve bir makro parçacık filtresi olabilir. Katot materyalinin
seçimi onun sadece bir akımı iletme yeteneğiyle sınırlanır. İletken alaşımlar, grafit
karbon ve katkılı yarıiletkenlerin olduğu kadar bütün saf metalik türler potansiyel
katotlardır. Katot materyali plazmanın bileşenlerini belirler. Katot tasarımları, bir ucu
güç kaynağına bağlı ve diğeri ark bölgesi ve plazma üretiminin olduğu dairesel
yüzeyle birlikte hemen hemen değişmeyen bir katı disktir. İnce tellerden çapları 10
cm’ lere kadar değişen oranlarda katotlar bulunmaktadır.
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
25
Şekil 3.3 Katodik vakum arkın başlıca bileşenlerinin şematik gösterimi
Anot, katot yüzeyinden çıkan plazma jetinin (plume) içinde bulunmalıdır.
Anodun yerleşimi öyle olmalıdır ki, plazmanın çoğunluğunun akışını engellememeli,
yani deşarjın devam ettirilmesi için yeteri kadar elektronların toplanabileceği plazma
üretim bölgesine yeterince yakın olmalıdır. Geleneksel anot tasarımları, içerisinden
plazmanın önemli bir kısmının geçebileceği katot etrafındaki bir silindirden veya
içerisinden plazmanın çoğunluğunun geçmesine izin veren, merkezi delik düz bir
toplayıcı plakadan meydana gelir (Erdoğan, 2010).
3.2.6.5. Ark Deşarjı
Her iki elektrot bir vakum odasına yerleştirilir ve odacığın içi boşaltılır. Ark
başlatılmadan önce elektrotlar arasında bir potansiyel kurulur. Bu ön deşarj
potansiyeli 10 voltlar mertebesindedir. Ark, elektrotlar arasında akım sürekliliğini
sağlamak için bir miktar plazmanın yaratılmasıyla başlar. Bu, birçok farklı yöntemle
gerçekleştirilebilir. Anot potansiyelinde tutulan mekanik bir tetikleyici elektrot ile
katodun fiziksel temas etmesi yaygın yöntemlerden birisidir. Aynı zamanda, bir
tetikleyici elektrotundan yüksek gerilim kıvılcımı (high-voltage flashover) veya katot
materyalinin lazer ablasyonu gibi temassız yöntemler de kullanılmaktadır. İlk olarak,
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
26
arkın kendi kendine sürdürüldüğü birincil elektrotlar arasında elektriksel bir kontak
yapılır. Aksi taktirde daha konveksiyonsal deşarj için iletken ortam olarak iyonlaşmış
gaza gereksinim duyulur. Bu iletken ortam katot materyalinden meydana gelir ve
elektrotlar arasında anahtar rolü oynar. Güç kaynağı elektrotlar arasındaki potansiyel
farkını sürdürebildiği sürece, anot etkin bir şekilde katottan elektron toplayabilir.
Ark, katot materyali ablasyon edilene kadar devam eder. Yanma (burning) gerilimi,
elektrotlar arasına uygulanan ön potansiyelden de tahmin edildiği gibi deşarj
boyunca katot ve anot arasında sürdürülen potansiyel farktır. Güç sağlayıcı genellikle
düşük empedanslı olduğundan dolayı, plazmanın elektriksel direnci yanma
geriliminin ön belirleyicisidir (Erdoğan, 2010).
3.2.6.6. Atmalı ve Sürekli Katodik Vakum Ark
Katodik vakum ark kaynakları, sürekli (veya dc) ve atmalı olmak üzere iki
sınıfta gruplandırılabilirler. Özellikle bütün katodik ark deşarjları dc deşarjlardır. DC
ve atmalı deşarjlar arasındaki fark, atmalı arkın kısa yanmasına bağlı olarak meydana
gelmekte ve arkın herhangi salınımlı doğasına bağlı değildir. DC arklar genelde
onların atmalı benzerlerinden çok daha düşük akımlarda çalışırlar ve netice olarak
fark edilebilir şekilde farklı akım-gerilim ve plazma karakteristikleri sergilerler.
Genelde, dc arklar 10 ve 100 V arasındaki yanma gerilimleriyle birlikte 20’ den 200
A civarlarına kadar akımlar çekerler. Çok düşük akımlarda çalışıldığında (
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
27
katottaki güç dağılımına bağlanır. Katodik arkların plazma üretim kapasitesi,
elektriksel bileşenleri soğutma yeteneğiyle kısmen belirlenir (Erdoğan, 2010).
3.2.6.7. Katot Spotları
Bilinen glow deşarjların aksine, bir vakum arkta katottaki akım sürekliliği
plazma sütunlarından ortaya çıkan yüklü parçacıklar tarafından sağlanamaz. Ark
akımı, katot yüzeyindeki katot spotları olarak bilinen mikrometre çapındaki parlak
spotların aracılığıyla yönlendirilir. Bu spotlar iyonizasyonun artmasına ve elektroda
enerji transferine neden olan oldukça yüksek bir akım yoğunluğuna sahiptir. Enerjitik
iyonlar ve elektronlar bu spottan yayınlanırlar ve vakum ortamında deşarjın
sürdürülmesi için gerekli metal buharını temin ederler. Plazma türlerinin üretimine
ek olarak, lokal ısınma ve spot bölgesinden eriyik damlacıkların patlayıcı yayınımı
ile makro parçacıklar üretilir (Erdoğan, 2010).
3.2.6.8. Spot Başına Akım
Spot başına akım vakumda, verilen bir katot materyali için açıkça sabittir.
Eğer ark akımı değişirse, spotların bu parametreleri muhafaza etmek için bölündüğü
veya söndüğü gözlenmiştir. Farklı malzemeler için spot başına ortalama akım
değerlerinde, katı civa için 0.5 A civarlarından, karbon veya tungsten için birkaç yüz
amperlere kadar uzanan oranlarda büyük bir farklılık vardır. Aynı zamanda yanma
gerilimleri de farklı malzemeler için çeşitlilik gösterir. Fakat, bu değişim 16-25 V’
dan çok daha küçük oranlarla sınırlandırılır. Yüzey kirlilikleri yanma gerilimini 3-5
V civarında düşürür (Erdoğan, 2010).
3.2.6.9. Akım Yoğunluğu
Bir ark spotunda akım yoğunluğu oldukça yüksektir. Spot başına akımın
ölçülmesi kesin doğrulukla belirlenebilirken, bu spotun aktif alanının tahmin
edilmesi zordur. Bu spotlar yüksek hızlı kameralarla optik olarak gözlenmeye
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
28
çalışılmıştır. Aktif alanın, kısmen iletken ısınmaya bağlanan ışıltılı bölgeden farklı
olarak tam olarak belirlenmeye çalışılması hatalı sonuçların ortaya çıkmasına neden
olmaktadır. Ek olarak, genişleyen plazma yoğun bir optik sinyal yaymakta ve bu da
spot çapının tahmin edilmesini zora sokmaktadır. Aynı zamanda ark sonrası, elektron
mikroskobuyla ark kraterlerinin gözlenerek spot boyutlarının tahmin edilmesi
hatalara meyillidir. Katot yüzeyindeki hasarlı bölgenin ölçülmesi oldukça basit iken,
tam anlamıyla hasarlı bölgenin ne kadarının akım için iletim hattı olduğunun
belirlenmesi, eriyik malzemenin ark boyunca spotlardan patlayarak (explosive)
atılmasından dolayı zordur. Bu belirsizliklerden dolayı, ark akım yoğunluğuyla ilgili
deneysel tahminler, 109’ dan 1012 Am-2’ ye kadar olan oranlarda değerlerin
olabileceğini göstermiştir. Teorik modeller bu yoğunluğun bir derece kadar daha
büyük olabileceğini desteklemektedir. Beilis ve arkadaşları deneysel gözlemlere
dayanarak bakır katotlar için uygun bir model geliştirmişlerdir. Bu modele göre akım
yoğunluğu, 15 V’ luk bir yanma gerilimi ve 40 A’ lik bir ark akımı için, spot
yanmasından 20 μs sonra, 1×1010 Am-2 olarak belirlenmiştir. Aynı noktada spottaki
plazma yoğunluğu da 1.5×1026 m-3’ tür (Erdoğan, 2010).
3.2.6.10. İyon Hızları
Yüksek akım ve plazma yoğunluklarının bir sonucu olarak vakum arkların
ayırt edici bir özelliği plazma iyonlarına verilen oldukça yüksek kinetik enerjidir.
Çok yüksek plazma yoğunluğu güçlü basınç gradyentleri yaratır, bu da yüksek yerel
elektrik alanla birleştirildiğinde, iyonların süpersonik hızlara ivmelenmesine neden
olur. İyon hızları hemen hemen iyon kütlesinden ve yük durumundan bağımsız
olarak 0.5-2×104 ms-2 arasında değerler alır. Bu da, ince filmlerin depolanması için,
eşsiz bir koşul sağlar. Dolayısıyla, iyon çarpışmaları aracılığıyla büyüyen filme
enerji verilmesi, film stresini ve sertliğini etkileyen bir faktör haline gelir. Katodik
ark plazmada yüksek derecede iyonizasyondan faydalanmak için alt tabana bir
öngerilim uygulanmasıyla iyonlara ek enerji verilebilir (Erdoğan, 2010).
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
29
3.2.6.11. İyon Yük Durumları
Deşarj süresince plazma atomlarının çoğunluğu iyonize olmaktadır ve katoda
göre birkaç milimetreden daha büyük uzaklıklarda, iyonların elektronlara oranı
genellikle 0.1 civarında sınırlandırılmıştır. Aşırı derecede yüksek akım
yoğunluklarına bağlı olarak, spot bölgesinden fırlatılan materyal, altıya kadar yük
durumuna sahip enerjik iyonlar içerir. Çoğu metal türleri düşük ark akımlarında
ortalama 1 ile 3 arasında iyon yük durumlarına sahiptirler.
Dış manyetik alanın, yük durumlarının dağılımını etkilediği gözlemlenmiştir.
Yüksek ark akımlarının, (> 1 kA) aynı zamanda ortalama yük durumlarını da
arttırdığı gözlenmiştir. Bu iki olay, artan bir ark akımının çoklu ark spotlarının
üretimine neden olduğu düşünülerek açıklanabilir. Büyük bir akım için bir iletim
hattı olan her bir ark spotu büyük bir manyetik alanın kaynağıdır ve bu alan
uygulanan bir dış manyetik alana benzer şekilde spotların çevresinde etkili
olmaktadır, dolayısıyla, yük durumlarının oranını da etkilemektedir. Buna ek olarak,
deşarj süresince ki ortalama iyon durumları, yaklaşık 100 μs sonra, maksimum bir başlangıç değerinden kararlı bir duruma gelene kadar düşer. Bu ,yüzey kirliliğine ve
adsorbe gazların katot yüzeyinin elektronik özelliklerini etkilemesine bağlı olarak
mümkündür (Erdoğan, 2010).
3.2.6.12. Spot Türleri
Yüzey kirlilikleri ve adsorbe gazlardan dolayı katodun iş fonksiyonundaki
değişimler, aynı katot materyali üzerindeki katot spotlarının çarpıcı şekilde farklı
özelliklerle gözlenmesini açıklamak için bir yöntem olarak ileri sürülmüştür.
Genelde spotlar tip 1 ve tip 2 spotları adı altında iki grupta sınıflandırılabilirler. Tip 1
spotları spot başına oldukça küçük bir akımla (
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
30
3.2.6.13. Tersinir Hareket
Katot spot hareket teorisinde çözümlenmemiş bir problem de, özellikle bir
manyetik alanda katot spotlarının gözlenen hareketini kapsamlı bir biçimde açıklama
yetersizliğidir. Basit katot spotları dış manyetik alanın yokluğunda katot yüzeyi
boyunca gelişigüzel bir hareket sergiler. Uygulanan bir dış manyetik alanın
varlığında spot davranışı biraz daha karmaşıktır. Elektromanyetik teori, bir manyetik
akı yoğunluğunun varlığında, B, bir elektrik akım yoğunluğunun, J, J×B gibi bir
kuvvete tabi olduğunu öngörür. Aksine, katot yüzeyine paralel bir dış manyetik
alanın varlığında (enine manyetik alan), katot spotlarının teoride beklenenin tersi bir
yönde hareket ettiği gözlenmektedir. Bu olgu tersine (retrograde) hareket olarak
belirlenmiş ve onu açıklamak için yapılan çok sayıdaki girişimler göstermiştir ki elde
edilen sonuçlar ya yetersizdir ya da çelişkilerle doludur. Tersinir hareketin vakum
odasındaki gaz basıncından etkilendiği gösterilmiştir. Arka plan basınç arttıkça,
tersinir hareket yavaşlamakta ve sonra kritik bir basınç değerinde tersine
dönmektedir.
Juttner ve Kleberg, enine manyetik alanlarda katot spotlarının hareketini ve
yapısını araştırmak için yüksek hızlı mikroskop kullanmışlardır. Onlar, Şekil 3.4 de
gösterildiği gibi, katot spotlarından tersinir yönde yayınlanan plazma jetlerine ait
kanıt bulmuşlardır. Katot spot hareketinin bu jetlerin yönünü takip ettiği
gözlenmiştir. Drouet tarafından, spot bölgesindeki plazmanın manyetik alan
tarafından karşıt kenarda hapsedildiğini ifade eden bir hipotez ileri sürülmüştür.
Plazmanın katot spotlarından kaynaklanan kuvvetler altında genişlemek için yetersiz
kalması, kararsız durum oluşması için hapsolmasına neden olur ve plazma jetleri
ortalama 5 km.s-1 hızla tersinir kenara doğru yayınlanır. Yüksek akım arkları katot
yüzeyinde eşzamanlı çoklu ark spotları sergilerler. Her bir spot katot yüzeyine
normal yönde bir akım taşır ve sonuç olarak enine bir manyetik alan üretir. Diğer
katot spotları akabinde tersinir hareket sergiler ve bütün spotlardan kaynaklanan
toplam alan spotlar arasında bir itici kuvvete neden olur. Yüksek akım ark spotları,
doğasına bağlı olarak arktaki toplam akıma ve yanma noktasından olan uzaklığa
orantılı bir hızla yanma noktasından dışarı doğru hareket eder (Erdoğan, 2010).
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
31
Şekil 3.4. Ark spotlarının aksi yönüne doğru ayrılan plazma jetlerinin görüntüsü
3.2.6.14. Plazma ve Makroparçacık Taşınması
Vakum ark depolama teknolojisinin, ileri teknoloji sıkı kaplamalarda
depolanan parçacıkların yüksek depolama oranı ve yüksek iyonizasyonuna bağlı
olarak diğer teknolojiler üzerinde üstünlüğü vardır. Vakum ark işlemlerinin önemli
avantajlarından birisi, katot materyalinden anlamlı bir miktarda enerjitik iyonların
oluşmasıdır. Vakum ark ile üretilen iyonlar çoklu yüklenmişlerdir ve kompleks
yüzeyli alt tabanlar üzerinde yoğun ve yapışık kaplama olması için optimum kinetik
enerjiye yakın (birkaç 10 eV) değerdedirler. Buna rağmen, bir vakum ark deşarjında
plazma üretimi daima makro parçacıkların bir akısını beraberinde getirir.
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
32
Aynı zamanda katot spotunda da üretilen bu sıvı döküntüler ve katı kırıntılar
makro parçacıklar olarak bilinir.
Katottan yayınlanan makro parçacıkların çoğu 10-800 m/s oranlarında hızlara
sahip olup, başlangıçta hemen hemen katot yüzeyine paraleldirler. Makro parçacık
kütle akısının en büyük parçası birkaç mikron çapına sahip damlacıklar ile taşınır.
Makro parçacıklar plazma içinden geçtikçe plazma ile etkileşime girerler. En yavaş
ve en küçük makro parçacıklar, katot yayınımlı iyonların onların üzerine çarpmasıyla
oluşan basınç sonucu kendi radyal yörüngelerinden anoda doğru saptırılırlar. Ayrıca,
iyon akısı makro parçacıkları ısıtır ve en küçük ve en yavaş makro parçacıklar 2000-
2600 K dolaylarındaki kararlı durum sıcaklığına ulaşabilirler. Bu sıcaklıktaki iyon
bombardımanı sonucu oluşan ısı akısı makro parçacıkların buharlaşmalı
soğutulmasıyla dengelenir. Makro parçacık buharlaştırma MCS arkın plazma
bölgesindeki gözlenen nötrallerin ilk kaynağı olduğu düşünülür. Buna rağmen,
makro parçacıklardan yayınlanan nötraller çok uzağa gitmeden önce iyonize
olacaklardır. Oluşturulan iyonlar bu nedenle başlangıçta makro parçacıkların yüzey
sıcaklığının karakteristik termal hızlarına sahip olacaklardır (800 m/s). Bu hız
katottan yayınlanan hızlarla kıyaslandığında yavaş sayılır. İyonlardan kaynaklı
makro parçacık üretim oranı, akım yoğunluğu ve makro parçacıkların yoğunluğunun
çarpımına bağlı olacaktır. Diğer taraftan, makro parçacıkların yoğunluğu katot
materyali ve geometrisine, deşarj akımına ve katot ısısal sistemine bağlıdır.
Plazma akısındaki makro parçacıklar depolanan tabakada kusurlar oluşturur.
Bu, özelliklede ince film kaplama durumunda tabakanın niteliğini düşürür. Eğer
yüksek kalitede opto elektronik film üretimi için plazma kaynakları kullanılacaksa bu
parçacıklar mutlaka çıkarılmalıdır. Bundan dolayı makro parçacıkların plazmadan
çıkarılması için basit ve etkili sistemlerin yaratılması önemlidir (Çetinörgü, 2007).
3.2.6.15. MP Filtresi Dizayn Kriteri
Katodik ark deşarjı tarafından üretilen iyon akısından makro parçacıkların
ayrılması veya eliminasyonu birçok araştırma çalışmalarının amacı olmuştur. Bir
makro parçacık filtrenin kullanımı dezavantajsız değildir. Filtreler genellikle dizayna
3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI
33
bağlı olarak etkili kaplama oranını belirli düzeylere kadar düşürürler. Bütün filtre
dizaynları ark kontrolünün temel sorunlarına hitap etmek zorundadır, örneğin; metal
iyonlarının filtrenin içinden taşınması ve kaynağı kaplanacak parçaların görüş
açısından korunması gibi. Bütün filtreler ayrıntılı kısıtlamalarla dizayn edilmesine
rağmen, onlar geometride önemli ölçüde birbirinden ayrılırlar. Bütün bunlara
rağmen, katottan kaplanacak alt tabana kadar iyonlara yön veren, filtrenin içinden
geçen manyetik olarak kısıtlanan elektron akısı ile üretilen elektrostatik alana
güvenmeliyiz. Bu, akı tüpü (flux tube) veya plazma optiksel model olarak
adlandırılır.
Yukarıda bahsedildiği gibi makro parçacık filtrenin içinden elektronların
akışı, iyonlara yön vermek için gerekli elektrostatik alanı üretir. Kullanılan manyetik
alan iyon yörüngelerini çok uzun süre etkilemek için yeteri kadar güçlü değildir,
fakat 5-20 mili teslalık alan elektronları kuvvetli bir şekilde etkiler. Elektronların
limitli çapraz alanlı hareketi sistem içinde elektrostatik bir potansiyelin oluşumuna
izin verir bu da iyonlara yön verir. Herhangi çapraz alanlı iletken yüzeyler, üretilen
potansiyelleri düşürecektir ve f
Recommended