of 76 /76
Anabilim Dalı : Fizik PAMUKKALE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ H. Meltem CEYLAN 2013 CuGaSe 2 İNCE FİLMLERİNİN YAPISAL ELEKTRİKSEL VE OPTİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Tez Danışmanı: Doç. Dr. Koray YILMAZ

PAMUKKALE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

  • Author
    others

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of PAMUKKALE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

YÜKSEK LSANS TEZ
H. Meltem CEYLAN
ÖZELLKLERNN NCELENMES
iii
ÖNSÖZ
Yüksek Lisans çalmalarm süresince benden bilgisini, desteini ve tecrübelerini
esirgemeyen, deneylerin her aamasn yakndan takip eden, her soruma sabrla ve
özveriyle cevap veren danmanm, deerli hocam Doç. Dr. Koray YILMAZ'a en
içten duygularmla teekkür ederim.
Çalmalarm boyunca gerek deneysel gerekse teorik olarak bilgi ve birikimlerini
benden esirgemeyen deerli hocalarm Prof. Dr. Orhan KARABULUT'a ve Dr.
Yusuf ÖZCAN'a, deneysel çalmalarm srasnda teknik sorunlarn yaand anda
her durumda yardmma koan deerli hocam Uzman Süleyman ÇELK'e teekkür
ederim.
Lisans ve Yüksek Lisans dönemi boyunca beni yalnz brakmayan, desteini hiç
esirgemeyen, en zor dönemlerimde bile fazlasyla sabrl davranan snf ve ev
arkadam sevgili Emine ER'e, sonsuz teekkür ederim.
Çalmalarm boyunca her bam sktnda arayabildiim, bana kar fazlasyla
sabrl olan, tezimin her ann kendi tezi gibi yakndan takip eden deerli laboratuvar
arkadam Yunus KAMAÇ'a teekkür ederim. Deneysel çalmalarm esnasnda
yardmlarn esirgemeyen grup arkadalarm Duygu TAKANOLU'na, Fatih
AKIN'a, lyas ÜNAK'a ve Deniz GÖLCÜR'e teekkür ederim.
Ayrca, tez çalmam srasnda bir taraftan da çalmakta olduum Denizli
Arimet Dershanesi kurucusu deerli hocam sayn Dilek DORUM'a ve dier tüm
mesai arkadalarma, bana kar olan anlaylarndan ve iyi niyetlerinden dolay
teekkürü bir borç bilirim.
Son olarak; bu çalmam, maddi manevi her durumda yanmda olan, her
kararmn arkasnda duran, umudumun tükendii her anmda beni yeniden
umutlandran, bana sevgi ve huzur dolu bir yaam sunan, hayatmn en deerli
varlklar sevgili annem Ferah CEYLAN'a ve sevgili babam Aziz CEYLAN'a ithaf
ediyorum. kisine de sonsuz teekkürler.
Bu çalma 2012FBE070 proje numaral Pamukkale Üniversitesi Bilimsel
Aratrma Projesi (BAP) tarafndan desteklenmitir.
Temmuz 2013
2.2.2. Elektriksel iletkenlik...............................................................................9
2.2.3. Hall olay...............................................................................................11
2.3.Yariletkenlerin Optik Özellikleri....................................................................14
3.3 Omik Metal Kontak Büyütme...........................................................................27
3.4.3 X-n krnm (XRD) analizi................................................................30
3.5 Elektriksel letkenlik Ölçüm Sistemi................................................................32
4.2.1 XRD analizi..............................................................................................39
4.3.1 Elektriksel ölçüm sonuçlar........................................................................41
W : Tungsten
Mo : Molibden
XRD : X-n krnm
CGS-100 : 100 0 C'ye tavlanm CuGaSe2 ince filmi
CGS-200 : 200 0 C'ye tavlanm CuGaSe2 ince filmi
vi
4.3: Yariletken numunelere ait oda scaklndaki (T=300K) özdirenç ve
iletkenlik deerleri............................................................................................41
4.4: CGS, CGS-100 ve CGS-200 numunelerinin ekil 4.2'deki grafik sonuçlarna
göre aktivasyon enerjileri......................................................................................43
4.5: Yariletken ince film numunelerin Mott parametreleri........................................44
4.6: CGS, CGS-100 ve CGS-200 numunelerinin oda scaklnda (T=300 K) Hall
etkisi ölçümleri......................................................................................................45
saçlma mekanizmalar..........................................................................................50
vii
ekiller
Sayfa
2.1: a) letken (metal) b) Yaltkan c) Yariletken malzemelerin enerji bant
diyagramlar............................................................................................................5
2.2: Si atomuna As katklanmas ve yariletkende donör enerji seviyesi.....................6
2.3: Si atomuna Ga katklanmas ve yariletkende akseptör enerji seviyesi.................6
2.4: Saf yariletkenin T=0 K ve T>0 K'de Fermi yüzeyi ve elektronlarn konumu......7
2.5: Fermi-Dirac dalm fonksiyonu...........................................................................8
hareket yönleri......................................................................................................10
2.8: p-tipi yar iletkende Hall olay.............................................................................13
2.9: (a) Enerjisi bant aralnn altnda olan fotonlar için (b) Enerjisi bant
aralnn üstünde olan fotonlar için sourma olay (Sar, 2008)........................15
2.10: Parabolik bant yapsnda dorudan geçi (Pankove, 1971)..............................16
2.11: Dolayl geçiler (Pankove, 1971)......................................................................18
2.12: Sourmann scaklla ball (Pankove, 1971)...........................................19
2.13: Bir Ei ilk durumdan iletkenlik bandna mümkün dolayl geçilerden dördü
(Pankove, 1971)..................................................................................................20
2.14: Yariletkenlerde mobilitenin scakla ball (Streetman, 1980).................22
3.1: a) Frn b) Kuartz tüp içerisindeki malzemenin frn içindeki hali c) Frndan
çkarlan kuartz tüp ve oluan bileik...................................................................23
3.2: Bileiin agat havanda toz haline getirilmesi......................................................24
3.3: Paslanmaz çelik vakum çemberi..........................................................................25
3.5: Termal buharlatrma sisteminin elektronik cihaz kabini....................................26
3.6: Termal buharlama sisteminde akm uygulanan pota içindeki malzemenin
görüntüsü...............................................................................................................27
3.7: Omik kontak maskesi a) erit b) Van der Pauw geometrisi............................. ...28
3.8: SEM cihaznn ematik görüntüsü (Bahar, 2010)................................................29
3.9: SEM ve EDXA sisteminin görüntüsü..................................................................30
3.10: SEM'de gelen elektronlarn numune ile etkileimi sonucu oluan
saçlmalar............................................................................................................30
3.12: XRD cihaznn üstten görünümü.......................................................................32
3.13: Elektriksel iletkenlik ölçüm düzenei...............................................................33
3.15: UV-Vis spektrometresi......................................................................................35
3.17: Hall etkisi deneyinin ematik diyagram...........................................................36
3.18: Hall ölçümünde kullanlan örnek geometrileri (Gölcür D, 2012).....................36
3.19: Van der Pauw metodu ölçme teknikleri (Özdemir R., 2010)............................37
viii
4.1: a) CGS b) CGS-100 c) CGS-200 XRD analizi sonuçlar....................................39
4.2: a) CGS b) CGS-100 c) CGS-200 ince filmlerinin Ln(σ)-1000/T deiimi.........42
4.3: a) CGS b) CGS-100 c) CGS-200 numuneleri için tayc younluunun
scaklkla deiimi...............................................................................................46
deiim grafikleri.................................................................................................49
4.6: a) CGS b) CGS-100 c) CGS-200 filmlerinin deiik k iddetlerinde
scakla bal foto-iletkenlik deiimleri...........................................................52
4.7: 300 K scaklkta a) CGS, b) CGS-100 ve c) CGS-200 ince filmlerinin
fotoakm-k iddeti deiimi...............................................................................53
4.8: CGS, CGS-100 ve CGS-200 ince filmlerinin sourma katsaysnn foton
enerjisine göre deiimi.......................................................................................55
: Boltzman sabiti
: Elektronun kütlesi
: Protonun kütlesi
: Etkin kütle
: Akm younluu
: Frekans
boyu
x
xi
ÖZET
ncelenmesi
III X
sinterlenerek elde edilmi ve termal buharlatrma yöntemi ile cam alttalar üzerine
oda scaklnda büyütülmütür. Daha sonra elde edilen ince filmler 100 o C ve 200
o C scaklklarda N2 gaz ortamnda 45 dakika tavlanmtr. Filmlerin yapsal,
elektriksel ve optik özellikleri farkl analiz teknikleri ile incelenmi ve bu özellikler
üzerinde tavlama scaklklarnn etkileri aratrlmtr.
nce filmlerin elementel analizleri enerji dalml X-nlar spektroskopisi
(EDXA) ile incelenmitir. Filmlerin kristal yaplar ise X-n krnm (XRD)
metodu ile aratrlmtr. Filmlerin elektriksel özelliklerini belirlemek için scakla
bal elektriksel iletkenlik ve Hall etkisi ölçümleri yaplmtr. Filmlerin a kar
duyarlln aratrmak üzere fotoiletkenlik ölçümleri deiik k iddetlerinde
gerçekletirilmitir. Son olarak, üretilen yariletken ince filmlerin yasak enerji bant
aral UV-Vis spektrometre cihaz ile belirlenmitir.
Sonuç olarak; CuGaSe2 ince filmlerinin yapsal, elektriksel ve optik özellikleri
üzerinde tavlama scaklnn etkileri tartlm ve yorumlanmtr.
Anahtar Kelimeler: nce Film, Termal Buharlatrma, Tavlama Scakl, CuGaSe2
xii
SUMMARY
Investigation of Structural Electrical and Optical Properties of CuGaSe2 Thin
Films
In this work, CuGaSe2 ternary semiconductor compound which belongs to A I B
III X
VI
family were obtained by direct sinterization of the constituent elements. Then, thin
films were grown on soda-lime glass substrates by thermal evaporation method at
room temperature. Obtained films were annealed at temperatures of 100 o C ve 200
o C for 45 minutes in N2 gas environment. The effects of annealing temperature on the
structural, electrical and optical properties of thin films were investigated by various
experimental techniques.
Elementel analysis of the thin films were studied by energy dispersive X-ray
spectroscopy (EDXA) technique. The crystal structure of the semiconductor thin
films were investigated by X-ray diffraction (XRD) analysis. Hall effect and
temperature dependent conductivity measurements were used to determine electrical
properties of the thin films. Photoconductivity measurements which depend on light
intensity were carried out to investigate photosensitivity of the films. Finally, optical
band gap of the grown films were determined by using a UV-Vis spectrophotometer.
As a conclusion; the effects of annealing temperatures on structural, electrical and
optical properties of CuGaSe2 thin films were discussed and interpreted.
Key Words: Thin Film, Thermal Evaporation, Annealing Temperature, CuGaSe2
1
1. GR
Elektronik endüstrisinde çok büyük bir öneme sahip olan yariletken ince filmler
üzerinde en çok çallan konulardan biri olarak teknolojide önemli bir yere sahiptir.
Yariletken ince film ve bulk materyal arasndaki yapsal, elektriksel ve optik
farkllklarn temel nedenleri ve film oluum prensipleriyle ilgili çalmalar her
geçen gün artmaktadr.
Teknolojik ve bilimsel çalmalarda önemli bir yer tutan yariletken ince filmler
1950'li yllardan beri çeitli yöntemlerle elde edilmitir. Teknolojinin gelimesiyle
beraber ince katl filmlerin elde edilme yöntemleri de deimitir. lk film 1838'de
elektroliz yöntemiyle elde edilmitir. 1852’de Busen kimyasal reaksiyon yöntemi ile
1857’de ise Grove, sçratma yöntemi ile metal film elde etmilerdir. 1887’de
Nahwold platin ince filmini Joule stmas ile elde etmek için ilk defa vakum
kullanm ve daha sonraki yüzylda Kundt ayn yolla metal filmler elde etmitir
(Zor, 1982).
Son yllarda nanometre büyüklüünde özellikle ince film formatnda yariletken
yapda malzeme üretimi kayda deer bir ilgi alanna sahiptir. Güne pilleri, süper
kapasitörler, fotovoltaik araçlar ve elektrokromik pencerelerde kullanlan materyalin
fiziksel ve kimyasal özelliklerinin kontrolünün salanabilirlii, yariletken ince film
ve nanoteknoloji içeren çalmalara olan ilgiyi artran nedenlerden biridir.
Bir yariletkenin nanokristal büyüklüü, yariletkenin bant yapsn etkiledii
için, yariletkeni oluturan parçacklarn yeterince küçük olmas yük tayclarnn
kuantum snrnda bulunmasn ve bant yaplarnn kesikli enerji seviyelerine
ayrmasna neden olur ( Baz, 2008).
Yariletken ince filmler bir taban üzerine yaklak 1 µm civarnda kalnlkta
üretilmektedir. Yariletken ince filmler üç temel yöntemle elde edilmektedir. Bunlar
tek katl epitaksiyel (homoepitaksiyel) filmler, çok katl epitaksiyel
(heteroepitaksiyel) filmler ve polikristal filmlerdir. Homoepitaksiyel ve
heteroepitaksiyel filmler ileri teknolojinin kullanm ile elde edilen maliyeti yüksek
filmlerdir. Bu nedenle bilimsel çalmalarda düük maliyetle ve pratik olarak elde
edilen polikristal filmler tercih edilmektedir (F. Krmzgül, 2008).
2
Bu tez çalmasnda, termal buharlatrma yöntemi ile elde edilen CuGaSe2 üçlü
bileik yariletken ince filmleri deiik scaklklarda tavlanarak elektriksel, yapsal ve
optik özelliklerindeki deiimler aratrlmtr.
III X
özellikleri belirli artlar altnda ve bir takm parametrelere bal olarak çallmtr.
J.H. Schön ve E. Bucher 2001 ylnda Ge ve Zn ile ortak katklama (co-dopping)
teknii kullanarak n-tipi CuGaSe2 tek kristal hazrlamtr. CuGaSe2 tek kristali,
tama ajan olarak iyot kullanarak kimyasal buhar tanm (chemical vapor
transport) metoduyla elde edilmi, elde edilen tek kristaller tavlanmtr. Bu metodun
uygulanmasyla 10 10
aralnda deien elektron younluklar elde
edilmitir. 2-300 K scaklk aralnda magnetotransport ölçümleri, 8 T’ya kadar
manyetik alan uygulanarak yaplmtr. N-tipi CuGaSe2 için kritik metal-yaltkan
geçii konsantrasyonu 1,4x10 17
tarafnda, düük scaklklarda Mott tipinden Efros-Shklovskii tipi bir deiken
eriimli sçrama mekanizmasna dönüüm gözlenmitir. Buna ilave olarak, CuGaSe2
homo-eklemleri hazrlanmtr. Güne altnda toplam alan verimi %8,9 olarak
elde edilmitir. Elde edilen numunelerin oda scaklndaki özdirençlerinin, tavlama
koullarnn ayarlanmasyla 10 -2
– 10 6 (.cm) aralnda deitirilebilecei
gözlenmitir. Oda scaklnda elektron mobilitesi 100 (cm 2 /V.s) olarak elde edilmi,
500 (cm 2 /V.s) maksimum deerine düük scaklklarda ulat gözlenmitir.
2003 ylnda S. Nishiwaki ve arkadalar, Termal buharlatrma yöntemi ile
molibden (Mo) kapl Soda-lime (lamel) camlar üzerine CuGaSe2 ince filmlerini
büyütmütür. Güne pili uygulamasnn performansn arttrmak için film yüzeyi
In2(SO4)3, tiyoasetamit ve triethanolamin kullanlarak kimyasal banyo ilemiyle
modifiye edilmitir (deitirilmitir). Elde edilen filmlerin elementel bileimleri X-
n floresans spektroskopisi (XRF) ile belirlenmitir. Soda-Lime camlarn üzerine
büyütülmü filmlerin, VIS/NIR geçirgenlik ve yansma spektrumlar ölçülerek optik
sourma katsys hesaplanmtr. Ayn çalmada, ZnO/CdS/CGS/Mo yapsnda
standart bir güne pili RF sçratma (sputtering) yöntemi ile hazrlanmtr. Elde
edilen güne pillerinin karakterizasyonunu yapmak için; karanlk ortamda akm-
voltaj ölçümleri, UV/VIS/NIR yansma spektrumlar ve spektral iç kuantum
3
verimlilii (IQE) ölçümleri yaplmtr. In2(SO4)3 ve TEA uygulanmasnn doluluk
faktörü (FF)’yi arttrd ve uygulama zamanna bal olarak ksa devre akm Jsc’nin
artt gözlenmitir. Bu artlar pil verimliliinin artmasna neden olmutur. Ayrca,
yüzeyine In2(SO4)3 uygulanm olan numunelerin kuantum verimliliklerinde art
gözlenmitir.
(elektrodeposition) ve buharlatrma yöntemlerini birletirerek Cu-Ga-Se ince
filmlerini üretmitir. Mo/Cam altta üzerine Cu-Se ince filmi elektrobiriktirme
yöntemi kullanlarak oluturulmutur. Daha sonra bu tabakann üzerine üç farkl
kalnlkta (0,25 µm, 0,5 µm, 1 µm) Ga buharlatrlmtr. Elde edilen
Ga/Cu3Se2/Mo/Cam formasyonundaki ince filmler, 450 o
C, 500 o
plasma-ICP) analizi ve taramal elektron mikroskobu (SEM) ile karakterize
edilmitir. X-n krnm ölçümlerinden, 550 o C de tavlanm olan 0,25 µm
kalnlktaki filmlerin CuGaSe2 faznda olutuklar gözlenmitir. Dier filmlerin
CuGa3Se5 ve CuGa5Se8 fazlarna sahip olduklar gözlenmitir. CuGaSe2 ince
filmlerinin yasak enerji aral, optik sourma ölçümleri ile 1,62 eV olduu tespit
edilmitir. CuGa3Se5 ve CuGa5Se8 fazlarna sahip ince filmlerin yasak enerji
aralklar srasyla 1,73 ve 1,79 eV olduu gözlenmitir.
M.M. El-Nahass ve arkadalar, 2011 ylnda ani buharlatrma (flash
evaporation) metoduyla hazrladklar CuGaSe2 ince filmlerinin optik özelliklerini
aratrmtr. Filmlerin optik özellikleri, 400-2500 nm dalgaboyu aralnda
geçirgenlik ve yansma ölçümleri yaplarak aratrlmtr. Filmlerin krnm indisi
(n) ve sourma indisi (k) ‘nin 132-423 nm kalnlk aralnda, kalnlktan bamsz
olduu gözlenmitir. Foton enerjisinin sourma katsaysna kar grafiinin analiz
edilmesi ile 1,68, 1,79, 2,20 eV enerjilerine karlk gelen üç direk geçili yasak
enerji aral tespit edilmitir. Üç fakl yasak enerji aralnn varl, kristal alnna ve
valans bandnn en dndaki spin-orbital yarlmasna atfedilmektedir. Ayrca
deformasyon potansiyeli 2,7 eV olarak tespit edilmitir. Yansma indisi spektrumu
hem normal hem de anormal danm göstermektedir. Yansma indisi danm
parametreleri sourulmayan (non-absorbing) bölgede tek salnc modeli kullanlarak
elde edilmitir.
yariletkenler ve yaltkanlar. Elektriksel iletkenlii bakmndan yaltkanlar ile
iletkenler arasnda bulunan ve mutlak sfrda elektronlar tarafndan tamamen
doldurulan bir valans (deerlik) bandna sahip olan ve bu deerlik band mutlak
sfrda bo bir banttan küçük bir enerji aral ile ayrlm olan kristal halindeki bir
metal bir yariletken olarak bilinir. Yariletkenler silisyum, germanyum, selenyum,
tellür, galyum arsenik, indiyum arsenik, silisyum karpit, indiyum antimonid, kurun
sülfür v.b. saf kimyasal numunelerdir. Bunlar saf (intrinsic) yariletkenler olarak
bilinirler (C. Kittel, 1996).
2.1.1 Yariletkenlerin bant yaplar
doldururlar; fakat bir katda atomlarn dalga özelliklerinden dolay baz enerji
seviyeleri yasaklanmtr. Burada izin verilen enerji seviyeleriyle bantlar ekillenir.
T=0 K'de tam doldurulan seviyeye deerlik band denir. Deerlik bandndaki
elektronlar iletime katlmazlar. Deerlik bandnn üstündeki ilk bo seviyeye ise
iletim band denir. letkenlerden farkl olarak yariletkenler ve yaltkanlarda iletim ve
deerlik elektronlarnn arasnda yasak enerji aral bulunmaktadr. Yariletkenlerin
yasak enerji aral yaklak 1 eV civarndayken, yaltkanlarnki 1 eV'dan çok daha
büyüktür. Yasak enerji aral yariletkenlerin kimyasal ba türü ve atomlarn türü ile
belirlenir. Farkl yariletkenlerin yasak enerji aral 0,1 eV'dan 5 eV'a kadar
deiebilir (K. KARA, 2008 ).
5
ekil 2.1: a) letken (metal) b) Yaltkan c) Yariletken malzemelerin enerji bant
diyagramlar
Bir yariletken uygun katk maddeleri ile katklandnda çounluk tayclar
elektronlar veya holler (boluklar) olan bir numune elde edilebilir. Bu da
yariletkenlerde iletimi salar.
Periyodik tablonun IV. grup elementlerinden olan Si ve Ge elmas yapdadr. Si
kristalinin her atomu komu dört atomla kovalent bal olup, deerlik elektronu dört
tanedir. As, P, Sb, N gibi V. grup elementlerinin deerlik elektronu ise be tanedir.
Bir katk atomu olarak bu gruptan As (Arsenik) atomu kullanldnda dört elektronu
Si atomunun dört elektronu ile ba yaparken bir elektronu kalr. Bu ba yapmayan
elektron As atomuna çok zayf bir kuvvetle baldr. As atomu ortamdan temin
edebilecei sl enerji ile kolayca iyonlaabilir. yonlama sonucu As atomundan
bamsz olarak kristal içerisinde hareket eden elektron iletime katk salar. Bu tip
katklama sonucu elde edilen yariletkene n-tipi yariletken denir. Kristale katklanan
atomlara elektron verici anlamnda donör ve katklanan atomlarn bulunduu enerji
seviyesine ise donör enerji seviyesi denir (C. Kittel, 1996).
6
ekil 2.2: Si atomuna As katklanmas ve yariletkende donör enerji seviyesi
Dier bir yariletken tipi ise, IV. grup elementlerinden S ve Ge kristaline III. grup
elementlerinden Al, B, Ga, In gibi elementlerin katklanmasyla elde edilir. Bu tip
yariletkenlere de p-tipi yariletken denir. Si kristaline Ga atomunun katklanmas
durumunu göz önüne alalm. Ga atomu 3 deerlik elektronuna sahiptir ve silisyuma
katklanmas durumunda elektron balarndan biri bo kalr. Bu boluk kristal içinde
hareket eder ve bu ekilde iletime katk salarlar. Katk atomlar deerlik bandndan
elektron alp geride boluk braktklar için alc anlamnda akseptör olarak
adlandrlrlar. Akseptör atomlarnn yariletken içerisinde bulunduklar enerji
seviyesine akseptör enerji seviyesi denir (C. Kittel, 1996).
ekil 2.3: Si atomuna Ga katklanmas ve yariletkende akseptör enerji seviyesi
7
2.2.1 Fermi Dirac dalm fonksiyonu ve tayc konsantrasyonu
Elektronlar bant içindeki moleküler orbitalleri (enerji düzeylerini) Pauli
darlama ilkesine göre doldururlar. Eer sadece s band dikkate alnrsa ve her bir
atom bir s elektronu verirse T=0 K'de bandn en az 1/2 N'si dolar. T=0 K'de dolu en
yüksek orbitale fermi seviyesi denir.
ekil 2.4: Saf yar iletkenin T=0 K ve T>0 K'de Fermi enerji seviyesi ve
elektronlarn konumu
younluudur ve yar iletkenin elektriksel özelliini belirler. Yariletkenlerde tayc
younluu scakla baldr. Bir yariletkendeki tayclarn saysn bulmak için
Fermi-Dirac dalm fonksiyonundan yararlanlr. Fermi-Dirac dalm fonksiyonu,
ile verilir.Burada , Fermi enerji seviyesi ise Boltzmann sabitidir.
T=0K'de T>0K'de
ekil 2.5: Fermi-Dirac dalm fonksiyonu
Eer mevcut durum younluu E ile E+dE aralnda ise iletim bandndaki
elektron younluu;
eklinde yazlabilir. Burada iletim bandnn en alt noktasnn enerjisidir. Bu eitlik
daha da düzenlenirse;
ile verilir. Burada etkin durumlarn younluudur. Yani sanki iletim bandnn
kenarna lokalize olmu iletim bandnn ulalabilir tüm durumlarn temsil eder.
letim ve deerlik bandnn kenarlar için etkin durum younluklar;
ve
varsayarsak,
9
ve daha sonra denklem (2.5)’ i kullanarak iletim bandndaki elektron konsantrasyonu
olarak bulunurken benzer ekilde deerlik bandndaki deik konsantrasyonu
eklinde yazlabilir. Yukardaki elektron ve deik konsantrasyonlar termal dengede
olan hem özgün hem de katkl yariletkenler için geçerlidir. Özgün yariletkenlerde
Fermi seviyesi yasak enerji aralnn ortasnda ve enerjisi ile ayn yerde
bulunmaktadr. Özgün yar iletkenlerde elektron ve deik konsantrasyonlar,
ile verilebilir (O. Karabulut, 2003).
2.2.2 Elektriksel iletkenlik
Yar iletkenlerde elektriksel iletim hem deerlik bandndaki holler hem de iletim
bandndaki elektronlar ile olumaktadr. Buna göre elektronlarn ve hollerin
oluturduu akm younluu, kendi yükleriyle hzlarnn çarpmna eittir. elektrik
alan uygulanan bir yar iletkende elektronlarn ve hollerin oluturduu toplam akm
younluu ,
göstermektedir. ekil 2.6'da elektrik alan uygulandnda bir yariletkendeki
elektronlarn ve hollerin hareket yönleri gösterilmektedir. ekle göre elektronlar
10
elektrik alanla ters yönde hareket ederken holler elektrik alanla ayn yönde hareket
ederler.
ekil 2.6: Bir yariletkende elektrik alann varlnda elektron ve hollerin hareket
yönleri
Mobilite ( ), birim elektrik alan bana yüklü parçacklarn hzdr ve elektrik
alan uygulanan bir yariletkende elektronlarn ve hollerin toplam mobiliteleri ;
bants ile verilir. Bir yariletkene elektrik alan uygulandnda, elektronlarn ve
hollerin oluturduu toplam akm younluu ,
ile verilir. Elektriksel iletkenlik ( ), birim elektrik alan bana akm younluu
olarak tanmland için,
Eer tipi bir yariletkende, elektron younluunu da göz önüne alarak
iletkenlik ifadesi yeniden yazlr ise;
11
orantl olduunu görebiliriz. Ayn ekilde ile arasnda da benzer bir
iliki bulunmaktadr. Eer mobilite üzerindeki tek etki kristal etkilemesi ise düük
scaklklarda mobilitenin scakla bamll eklindedir. Böylece
iletkenlik;
aktivasyon enerjisini verir (O. Karabulut, 2003).
2.2.3 Hall olay
Akm tayan bir metal levhaya akm yönüne dik dorultuda bir manyetik alan
uygulandnda levhann dier iki kenar arasnda bir potansiyel fark meydana
geldii gözledi. Bu olay ilk kez Edwin H. Hall tarafndan 1879 ylndan ortaya
çkarld için Hall olay olarak bilinir. Bu olay yariletken ve metallerin elektronik
özelliklerini belirlemek açsndan oldukça önemlidir.
Yar-iletkenlerde iki tip tayc (elektronlar ve boluklar) bulunmas nedeni
ile durum iletkenlere göre daha karmaktr. Ancak, bir tip taycnn dierinden
daha fazla olmas durumunda daha önce gördüümüz metallerdeki basit durum
uygulanabilir. Böylece ‘nin (Hall sabitinin) iaretinden çounluk tayclarnn
cinsi bulunabilir. Tek cins taycnn hakim olduu durum için da
bulunarak;
n-tipi yariletkenlerde, elektronlarn younluu boluklardan daha fazla
olduundan dolay Hall olay iletkenlerdeki gibi olur (ekil 2.7 ). Hall potansiyeli
denklemi ile bulunabilir.
ekil 2.7: n-tipi yar-iletkende Hall olay
p-tipi bir yar-iletkene, ekil 2.8’de gösterildii gibi bir manyetik alan
uygulandnda, pozitif yüklü boluklara Lorentz kuvvetinin ( ) etkisi aadaki
gibidir.
eitliinden dolay;
eklindedir. Burada Hall potansiyeli, ise numunenin geniliidir. (2.24) ifadesi
ile verilen Hall alannn (2.23) denkleminde yerine konmasyla, örnein C ve
D yüzeyleri arasndaki Hall potansiyeli için
ifadesi bulunur. Burada örnein manyetik alan yönündeki boyutudur. (2.25)
denkleminde görüldüü gibi Hall potansiyeli boluklarn konsantrasyonu ve
örnein kalnl ile ters orantldr. (2.25) denklemi
13
Görüldüü gibi yariletken bir numunenin Hall sabitinin iareti çounluk
yük tayclarn belirlenir. Hall sabitinin iareti negatif ise (-) n tipi yariletken,
pozitif ise (+) p tipi yariletken bir malzeme olduunu göstermektedir (Takanolu
D., 2011).
kabul edilmitir. Gerçekte, elektron ve boluklarn hzla bal olan dalm
fonksiyonunu hesaba katmak lazmdr. Hall gerilimi ve Hall sabiti ifadelerinde
yük tayclarnn saçlma mekanizmalar da göz önüne alnmtr. Bu faktörler
hesaba katldnda Hall sabitinin daha doru ifadesi
14
2.3 Yariletkenlerin Optik Özellikleri
etkilemesi sonucu sourma (absorption), geçirgenlik, yansma ve krlma gibi baz
optik olaylar meydana gelir (Askeland, 1998).
Malzeme üzerine düürülen elektromanyetik bir dalga malzemenin içindeki
elektriksel yüklerle etkileir ve bir enerji kayb olur. Bu olaya sourma denir. Bu
enerji kayb materyalin atomlar tarafndan kullanlr. Kalnl t herhangi bir
materyal, elektromanyetik dalga ile etkiletiinde, sourma
eitlii ile verilir. Burada, ; malzeme üzerine gönderilen elektromanyetik dalgann
iddetini, ; kalnlndaki materyalden geçen elektromanyetik dalgann iddetini
ve α; sourma katsaysn ifade etmektedir. ,
eitlikleri ile bulunur. sourganlk olup, sourma katsays , elektromanyetik
dalgann dalga boyuna, malzemenin younluuna ve malzemenin yasak enerji
aralna bal olarak deiir (Nadeem ve ark., 1999). Yariletkenlerin bant yaplarn
anlamadaki en yaygn yöntem optik sourma yöntemidir. Deerlik ve iletim bantlar
arasndaki geçiler sourma kenarna yol açar ve direkt geçiler için yasak enerji
aralnn altnda sourma olay beklenmez (Natsume ve Sakata, 2000). Sourma
olaynda, yariletken malzeme üzerine gelen bir foton enerjisi, yariletkenin yasak
enerji aralna eit veya ondan daha büyük olduunda, yariletkenin deerlik
bandndaki bir elektron bu fotonu sourur ve elektron deerlik bandndan iletim
bandna geçer. Bu geçiin ardndan elektron ardnda bir deik brakr, böylece
elektron deik çifti oluturulur (Klç T., 2006).
15
Temel sourma olaynda frekans olan bir fotonun enerjisi olmak üzere,
eklinde verilir. Bu eitlikte, yariletkenin yasak enerji aralnn enerji deerine
karlk gelen fotonun dalga boyunu, ise n boluktaki hzn göstermektedir.
Bu dalgaboyu deerinden daha küçük dalgaboylu fotonlar yariletken tarafndan
sourulurken, daha büyük dalga boylu fotonlar sorulmadan geçerler (Bedeaux,
2001; Mott, 1987).
gönderildiinde; enerjisi yasak enerji aralndan büyük fotonlarn engellendii,
enerjisi yasak enerji aralndan küçük fotonlarn ise dier tarafa geçebildii
gözlenir.Yani olan fotonlarn yariletkenler tarafndan sourulduu açktr
(ekil 1.9).
ekil 2.9: (a) Enerjisi bant aralnn altnda olan fotonlar için (b) Enerjisi bant
aralnn üstünde olan fotonlar için sourma olay (Sar, 2008)
Temel sourma olaynda yariletken malzemenin yapsna bal olarak farkl
geçiler görülebilir. Bu farkl geçiler izinli dorudan geçiler, yasaklanm dorudan
geçiler, dolayl kylar aras dolayl geçiler, dorudan kylar aras dolayl geçiler
ve bant kuyruklar aras geçilerdir (Takanolu D., 2011).
16
ekil 2.10'da gösterilen iki direk vadi arasndaki sourma sabitini düünelim,
momentumun korunduu geçilerin izin verildii yani geçi olasl
fotonun enerjisinden bamsz olduu durum göz önünde tutulacaktr. deki
(taban durum enerjisindeki) her ilk durum deki (Fermi enerji seviyesindeki)
son durumla birleir. Böylece;
Parabolik bir bantta,
eklinde bulunur. indirgenmi kütle olmak üzere u ekilde bulunur.
17
sourma katsays ( );
eklinde ifade edilir. Burada ve eV cinsinden ifade edilir (Pankove 1971).
b) Yasakl dorudan geçiler
Baz metallerde kuantum seçim kurallar direk geçi için da izinsiz,
da izinlidir. Geçi olasl ile artar. ekil 2.10'a baklacak olunursa geçi
olaslnn ile doru orantl olduu görülür. Dorudan geçilerde durum
younluu ile orantl olduundan sourma katsays;
ile verilir. Burada A'
eklinde verilir ( Pankove, 1971).
2.3.2.2 Dolayl bant geçii
a) Dolayl bantlar arasnda dolayl geçiler
Bir geçi olduunda hem enerjide hem de momentumda bir deime olursa geçi
iki admda gerçekleir. Momentumdaki deime ekil 2.11'de gösterildii gibi bir
fonon etkilemesi ile olur. Bunlar genellikle boyuna ve enine akustik fononlardr. Bu
fononlarn her biri karakteristik bir enerjisine sahiptir. Böylece den ye
geçileri tamamlamak için bir fonon ya yaynlanr ya da sourulur.
18
Bu iki süreç söylenen sraya göre aadaki gibi verilir; (Pankove, 1971)
ekil 2.11: Dolayl geçiler (Pankove, 1971).
Dolayl geçilerde valans bandnn tüm doldurulmu durumlar iletkenlik
bandnn tüm bo durumlaryla balantl olabilir. enerjisindeki ilk durumlarn
younluu aadaki ekilde ifade edilir,
Ef deki durumlarn younluu ise aadaki ekilde ifade edilir,
Sourma sabiti (2.44) eitlii ile verilen ilk durumlarn younluunun çarpmyla
orantldr ve (2.45) eitlii ile verilen son durum tarafndan ayrlan
durumlarn tüm mümkün kombinasyonlaryla birlemitir; α fononlarla etkileme
olaslyla dahi orantldr. Fononlarn says Bose- Einstein istatistii tarafndan
verilir,
19
(2.48) eitlii için geçerlidir.
mümkündür sourma sabiti bu durumda,
yukardaki ifadeye eittir. Düük scaklklarda fonon younluu çok küçüktür. αa ve
αe'nin scakla ball ekil 2.12'de gösterilmitir. Bu grafikten yararlanarak
ve deerleri bulunabilir.
Ar olarak katkl dolayl bant aralna sahip yariletkenlerde elektron-elektron
saçlmas gibi saçlma ilemleriyle momentumu korumak mümkündür. Bu durumda
saçlma olasl saçclarn says ve N ile orantldr ve fonon yardmna ihtiyaç
duyulmaz. Böylece sourma katsays;
Direk bantlar arasndaki geçiler, dolayl bantlar arasndaki geçilerin durumuna
çok benzerdir. Momentum, fononun sorulmas veya yaylmas yada safszlklar
veya tayclar tarafndan saçlmas gibi ikinci mertebeden bir süreç tarafndan
korunur. Burada valans bandndaki doldurulmu her hangi ilk durum iletkenlik
bandnn tüm bo durumlaryla balantldr. Eer fononlarla ilgileniliyorsa bu durum
için sourma sabiti, (2.50) eitliindeki formül tarafndan belirlenir. Her iki durumda
da sourma kenarndaki sourma sabiti fonon enerji deerinin karesi ile artar. Bu
durum, iki basamakta gerçekleen böyle dolayl geçilere göre daha az olasla
sahiptir. Gerçek sourma sabiti katknn toplam olmaldr (Pankove, 1971).
ekil 2.13: Bir Ei ilk durumdan iletkenlik bandna mümkün dolayl geçilerden
dördü (Pankove, 1971).
Amorf yariletkenlerde elektriksel iletkenlii tanmlamak için birçok farkl teori
ortaya atlmtr. Bunlarn çou bant snrlarnda bulunan uzak durumlarla alakaldr.
Amorf malzemelerdeki düzensizliin bir sonucu olan potansiyeldeki bölgesel
dalgalanmalar tuzak durumlarn olumasna neden olur. Bu duruma istinaden Mott ve
21
önermilerdir:
tünellemeyle oluur.
ii) Eer Fermi enerjisi lokalize durumlara ait bir bantta bulunuyorsa
tayclar fonon yardml tünelleme metodu ile durumlar arasnda hareket edebilir.
iii) Bant kenarlarndaki lokalize durumlar için uyarlan tayclarn
oluturduu iletimdir. Lokalize durumlarn enerji seviyesi veya ve eer akm
deikler tarafndan oluturuluyorsa iletim sçray (hopping) eklinde olur ve
iletkenlik;
belirleyen bir sabittir.
eklinde yazlabilir. Burada mobilite yariletkenin cinsine, saflna ve scaklna
baldr. (Omar, 1975). Yar iletkenlerde iki tür saçlma mekanizmas vardr. Bu
saçlmalar mobiliteyi etkiler.
mobilitenin scakla ball, eklindedir. Katkl yariletkenlerde katk
atomlarnn younluu arttkça mobilite azalmaktadr. Çünkü tayclarnn ortalama
serbest yollar azalmaktadr. Mobilitenin scakla ball ekil 2.14'de verilmitir
(Neamen, 1997; Streetman, 1980).
Tayc yüklerin mobilitesi;
eklinde yazlabilir. Burada τ sistemin dengeye gelme zaman, ise etkin kütledir.
Polikristallerde ise iletkenlik yapdaki kusurlara baldr. Tuzaklar potansiyel
engel meydana getirir.Bunun mobiliteye katks ise;
eklindedir.Burada tane büyüklüüdür ve enerji cinsinden tane snrndaki
bariyer yüksekliidir. letkenlik ise;
23
3. DENEYSEL YÖNTEM
3.1 Bileiin Oluturulmas
CuGaSe2 yar iletken ince filmi 1150 0 C'de sinterlenerek elde edilmitir.
ekil3.1'de görüldüü gibi külçe (bulk) numuneler erime scakl yaklak 2000 0 C
olan, 10 mm iç yarçapa, 90 mm uzunlua ve 1mm duvar kalnla sahip kuartz cam
tüpler içinde üretilmitir. Kuartz tüplerin erime scaklnn oluturulacak bileiin
erime scaklndan büyük olmasna dikkat edilmitir. Elementler tüpün içerisine
konulmadan önce kuartz tüpün içinin ya, toz ve dier kirliliklerden arndrmak için
temizleme ilemi yaplmtr. lk olarak tüpler deterjan ve scak su ile ykanr, daha
sonra tüpleri kimyasal kirliliklerden arndrmak için 2 saat %40’lk HNO3 (nitrik
asit) çözeltisinde bekletilir ve hemen ardndan tekrar deterjan ile temizlenip saf su ile
durulanmtr. Durulama ileminden sonra 30 dakikada izopropil alkolde bekleyen
tüpler son olarak içindeki olas gazlar dar çkartmak için 10 -5
Torr vakum altnda
stlmtr (Karabulut, 2003).
Hassas terazi ile 1:1:2 orannda tartlan %99,99 saflktaki bakr (Cu), %99,99
saflktaki galyum (Ga), ve %99,99 saflktaki selenyum (Se) elementleri kuvartz
tüpün içerisine yerletirilmitir. Tüpün içerisi 10 -5
Torr'luk basnçta 2 saat mekanik
pompa ile pompalandktan sonra cam ileme oca ile kapatlmtr.
a) b) c)
ekil 3.1: a) Frn b) Kuartz tüp içerisindeki malzemenin frn içindeki hali c)
Frndan çkarlan kuartz tüp ve oluan bileik
24
Az kapatlan kuartz tüp ekil 3.1 (a)'daki yatay frna konularak elementlerin
buharlama scaklar olan 1150 0 C'ye 3 günde kontrollü (5-10
o C/saat) olarak
çkarlmtr. Tüpün çkarlmas için ise yatay frn 1 günde kontrollü olarak oda
scaklna indirilmitir. 4 günün sonunda elde edilen bileik kuartz tüp krlarak
külçe eklinde çkarlmtr. Külçe halinde olan bileiin büyütme ileminde elverili
olarak kullanlabilmesi için ekil3.2'deki gibi agat havanda toz haline getirilmitir.
ekil 3.2: Bileiin agat havanda toz haline getirilmesi
3.2 CuGaSe2 nce Filmlerinin Elde Edilmesi
CuGaSe2 ince filmleri ssal buharlatrma (Thermal Evaporation) yöntemi ile
oda scaklnda lamel cam altta üzerine büyütülmütür.
Büyütme ilemine geçilmeden önce 8x10 mm 2 , 10x12 mm
2 ebatlarnda düzgün
olarak kesilmi 1 mm kalnlndaki lamel camlar, üzerinde bulunan toz ve yalardan
arndrlmak için temizlenmitir. Altta olan camlarn temizlenmesi ileminde
srasyla u yöntemler izlenmitir:
Öncelikle beher içerisinde deterjanl suda temizlenmitir. Sonrasnda bu ilem
70 0 C de deterjanl su bulunan baka bir beher içerisinde tekrarlanr. Camn üzerinden
deterjanl suyu temizleyebilmek için saf su bulunan beher içerisine konulan camlar
15 dakika ultrasonik banyoya braklr. Yüzeydeki kirliliklerden iyice arndrabilmek
için %30 seyreltilmi H2O2 (hidrojen peroksit) kaynar çözeltisi kullanlr. Bu sayede
cam üzerindeki kirler suda çözünebilir hale gelmitir. Son admda ise camlar saf su
dolu beherler içerinde ultrasonik banyoda 15 dakika çalkalanr. Büyütme yaplacak
olan camlar saf sudan çkarlp scak hava üflenerek (kurutma makinas) kurutulur
(Ylmaz K. 2004).
termal buharlatrma sisteminde üretilmitir.
Termal buharlatrma yöntemi vakum ortamnda maddenin stlarak madde
yüzeyinden ayrlan atom ve moleküllerin taban yüzeyine tutulmas ilemidir (Süvüt,
2005). Buharlama scaklklar yüksek olan potalar içine yerletirilmi kaynak
malzemenin bulunduu pota üzerinden akm geçirilir. Bu akm sayesinde pota snr
ve içerisinde bulunan madde buharlama scaklna ulatnda buharlaarak vakum
içinde yukar hareket ederek alttalar üzerine toplanr. Büyütme ilemi srasnda
alttan scakl da kullanc tarafndan ayarlanabilir. Termal buharlatrma yöntemi
ile ince film elde etme üç ana birimden oluur.
a) Vakum Çemberi: Bu birim pompa istasyonu ve basnç ölçüm sisteminden
oluur(ekil 3.3).
26
öeleri içerir (ekil 3.4).
ekil 3.4: 1) vakum çemberi 2)DC motor 3) ISO 100 gözlem penceresi 4) Altta
tutucu 5) Istc 6)Kesici (shutter) 7) Karanlk monitöt bal 8) Basnç ölçüm bal
9) Çemberin atmosfer anahtar 10) Turbo pompa vakum krma vanas 11) Turbo
pompa 12-13-14) termal buharlatrma güç kaynaklar
c) Elektronik Cihaz Kabini : Bilgisayar ve büyütme kaynaklar ksmnda
açklanan öelerin elektronik kontrollerinden oluur (ekil 3.5).
ekil 3.5: 1) Kontrol bilgisayar 2) Ampermetreler ve termal buharlatrma güç
kaynaklar göstergesi 3) Turba pompa kontrol ksm 4) Scaklk PID kontrol ksm 5)
Ana alter 6) Aç/Kapa anahtar
27
Üzerine büyütme yaplacak olan alttalar numune tutucuya yerletirilir. Önceden
elde edilen ve toz haline getirilen bileik erime scaklklar oldukça yüksek olan (W,
Mo, Ta gibi) metallerden yaplm potann üzerine konularak vakum çemberin içine
yerletirilir. Daha sonra basnç 5x10 -5
Torr'un altna dütüünde potann bal olduu
iki elektroda yüksek gerilim uygulanarak stma ilemine balanr (ekil 3.6).
Üzerinden geçen yüksek akm sayesinde pota içerisindeki malzeme snarak
buharlar ve alttan üzerine birikir. Bu ekilde malzeme istenilen kalnlkta
bilgisayardan kontrol edilerek elde edilir.
ekil 3.6: Termal buharlama sisteminde akm uygulanan pota içindeki malzemenin
görüntüsü
Bileik Ad Tavlama Scakl Kalnl (µm) simlendirme
CuGaSe2 - 0,68 CGS
3.3 Omik Metal Kontak Büyütme
ekil 3.7'de görüldüü gibi örnee iki farkl geometride termal buharlatrma
yöntemi kullanlarak metal kontak alnmaktadr. stenilen geometriyi yakalamak için
kontak alnmayacak ksmlara ince bakr levhadan geometriye göre kesilmi
maskeler hazrlanr. Maskeler deterjanl su ile ultrasonik banyo kullanlarak iyice
temizlenir. Temizlenen maskeler ince film üzerine uygun ekilde yerletirilerek
28
teflon bant ile sarlr. Kontak almaya hazr hale gelen numuneler termal
buharlatrma sisteminin içine yerletirilir. Omik kontak yapmak için kurun,
indiyum, alüminyum, kalay ve altn alamlar kullanlr. Bu çalmadaki
numunelerde indiyum kullanlmtr. Yeteri miktarda indiyum tungsten potann
içerisine konulmutur. Bu potada vakum çemberinin içerisine yerletirilmitir. nce
film büyütme srasndaki ilemler yaplarak indiyum farkl geometride maskelenmi
numunelerin üzerine büyütülmütür.
ekil 3.7: Omik kontak maskesi a) erit b) Van der Pauw geometrisi
3.4 Yüzey Yaps ve Element Analizi
Elde edilen ince filmlerin yüzey yaps ve element analizi için X-n
spektrometresi (XRD), enerji dalm spektrometresi (EDXA) üniteli taramal
elektron mikroskobu (SEM) kullanlmtr.
SEM'de görüntü, yüksek voltaj ile hzlandrlm elektronlarn numune üzerine
odaklanmas ile oluturulur. Odaklanan elektron demeti numune üzerinde taratlr ve
meydana gelen etkileimler sonucu oluan yansmalar uygun alglayclarla toplanr.
Toplanan nlar sinyal güçlendiriciden geçtikten sonra katot nlar tüpünün
ekranna aktarlr ve böylece görüntü oluur (Flegler, 1993).
SEM, optik kolon, numune hücresi ve görüntüleme sistemi olmak üzere üç temel
ksmdan oluur (ekil 3.8). Optik kolon ksmnda elektron tabancas elektronlar
numuneye doru hzlandrmak için yüksek gerilimin uyguland anot plakas ve ince
elektron demeti elde etmek için younlatrc mercekler bulunur.
29
Mercekler elektron demetini numune üzerine odaklamaktadr. Tüm sistem 10 -4
Pa
sonucunda oluan malar ve elektron saçlmalarn toplayan dedektörler, bunlarn
sinyal çoaltc ve numune yüzeyinde elektron demetini görüntü ekranyla
senkronize tarayan manyetik bobinler bulunmaktadr (Brundle, 1992).
3.4.2 Enerji dalml X-nlar analizi (EDXA)
Bu sistem ile nicel ve nitel gözlem yaplabilmektedir. Bu teknik SEM ile
birletirilmi haldedir (ekil 3.9). SEM'de numune üzerine gönderilen elektronlar
numune ile olan etkileimi sonucu bir takm saçlmalar yapar (ekil 3.9). EDXA,
elektron bombardmanna uram numune üzerinden saçlan X-nlarnn emisyonu
ölçer. X-n emisyonunun enerjisi ya da dalga boyu farkllk gösterir. Bu farkllk
her bir elemente has deerdedir (Özkan, 2010).
30
ekil 3.10: SEM'de gelen elektronlarn numune ile etkileimi sonucu oluan
saçlmalar
X-nlar kristale zarar vermeksizin kristalin yaps hakknda bilgi veren bir
yöntemdir. X-nlar dalga boyu yaklak 1A 0
civarndadr ve bu atomlar aras
uzaklk mertebesinde bir deer olduundan kullanm çok yaygndr. X-nlar
sayesinde bir kristaldeki düzlemler aras mesafe, tanecik ve kristal yönelimi, tanecik
boyutu ve tanecik ekli ile ilgili bilgi sahibi olabiliyoruz.
31
düzlemine çarparak yansmas olaydr. Ancak bu yansma olay aynalardaki gibi
yüzeysel deildir. Atom düzlemlerine ularken aldklar yollar ve kristal yüzeyine
gelme açs önemlidir. X-nlar her durumda krnma uramazlar. Krnm deseni
oluturabilmeleri için Bragg koulunu salamalar gerekir. X-nlarnn atom
düzlemine gelme açs , atom düzlemleri aras uzaklk ve gelen x-nlarnn
dalgaboyu olmak üzere Bragg koulu;
ekil 3.11: Kristal düzleminde X-n krnmnn meydana gelmesi
XRD metoduyla ince filmin tanecik büyükleri Scherrer formülü ile
hesaplanabilir.
Burada D, kristal büyüklüü; , x-n dalgaboyu; , radyan cinsinden krnm
pikinin yar maksimum genilii; , krnm açs ve K, ince filmin sabitidir (P.
Scherrer,1918).
32
ekil 3.12: XRD cihaznn üstten görünümü
Burada X-n üreten (Sol üst) balk ile dedektör (sa üst) V eklinde bir aç ile
balanmtr. Bu aç deimekte olup ve tam ortalarna numune yerletirilmektedir.
3.5 Elektriksel letkenlik Ölçüm Sistemi
Bu sistemle üretilen ince filmlerin scakla bal I-V karakteristikleri elde
edilmektedir. Buna bal olarak da scakla bal iletkenlikleri hakknda bilgi sahibi
olunmaktadr.
Sistem bilgisayar kontrolünde çalan ve akm kayna olarak kullanlan Keithley
2400 akm-voltaj kaynak-ölçüm cihaz, soutmal Janis marka kriyostat, scakla
bal ölçümler için K'lik hassasiyete sahip Lake Shore 331 scaklk ünitesi ve
numunenin oksitlenme, buzlanma gibi istenmeyen durumlarn meydana gelmesini
önleyen PFEIFFER marka D-35614 model vakum vakum pompasndan olumaktadr
(ekil 3.13).
Omik kontak alnm ince film kriyostat içerisine yerletirildikten sonra sistem
vakuma alnr. stenilen vakum deerine ulaldktan sonra scakla bal iletkenlik
ölçümleri için kriyostatn üst ksmndan sv azot konulur. Azot numunenin
scakln düürmek içindir. Numune istenilen scaklk deerine getirildiinde
bilgisayardan gerekli veriler girilerek ölçme ilemi balatlr. Bu deneyde numune
üzerine uygulanan akma karlk her scaklkta numune üzerinden voltaj
ölçülmektedir. Deney sonunda elde edilen verilerle üretilen ince filme ait direnç,
özdirenç ve iletkenlik deerleri hesaplanarak scakla bal deiimler
incelenmektedir.
kullanlmtr (ekil 3.13). Elektriksel iletkenlik ölçümlerinden farkl olarak numune
üzerine LED k kaynandan k gönderilmitir. LED sayesinde numune üzerine
40, 50, 60, 70, 80, 90 ve 100 mA akm uygulanmtr (Her akm deeri için srasyla
k iddetleri; 5001, 6313, 7616, 8891, 10201, 11445, ve 12708 lüxdür). Her scaklk
bölgesinde voltaj uygulanan numune için önce LED'e akm verilmeden (karanlkta),
sonra da 40-100 mA arasnda akm verilerek numune aydnlatlp her durumda
34
numune üzerinden geçen akm ölçülmütür. Bu veriler nda da numunenin
iletkenlii incelenmitir.
3.7 Sourma Ölçüm Sistemi
oda scaklnda UNICO marka SQ 2802 UV/Vis spektrometre cihaz ile
gerçekletirilmitir (ekil: 3.15). Kullanlan spektrometrenin tarama bölgesi 190-
1100 nm arasndadr. Kullanlan spektrometre be ksmdan olumaktadr:
1) Ik kayna olarak halojen ve deteryum lambalar,
2) stenen dalga boyunu seçmek için ve ikinci dereceden radyasyonu yok etmek
için monokromatör,
5) Sourma ve geçirgenlii gösteren dijital göstergedir.
35
prizma üzerine gönderir. Prizma bir spektrum üretecek ekilde datr ve
k çka yönlendirilir. Buradan çkan k demeti filitreden geçerek örnek üzerine
düürülür. Filitreler krnm andan gelen ikinci derece istenmeyen radyasyonu
engeller. Numuneyi geçen k demeti silikon fotodiyot dedektörüne gelir ve elektrik
sinyaline dönütürerek dijital göstergede görüntülenir (Gölcür, 2012).
ekil 3.16: Bir UV-Vis spektrometresinin temel bileenleri (Özkan, 2010)
Tek dalga boyuna ayrtrlm olan k numune üzerine düer. Burada eer
fotonun enerjisi, yasak enerji bant aralndan daha büyük ise fotonlar sourulur,
enerji bant aralndan daha küçük ise fotonlar sourulmadan direk geçer. Maddeden
36
geçen n ne kadar sourulduunu anlamak için geçen demet iddetini ölçmek
üzere düzenee detektör yerletirilmitir (ener 2006).
3.8 Hall Etkisi Ölçüm Sistemi
Hall etkisi ölçüm sistemine yerletirilen numune Van der Pauw teknii (4 kontak)
kullanlarak incelenmitir. Hall deneyi ölçümleri özdirenç ölçümleri ile
birletirildiinde yariletken ince filmin çounluk yük tayclar (tipi), yük
tayclarnn younluu ve mobilitesi hakknda direk bilgi edinilebilir.
ekil 3.17: Hall etkisi deneyinin ematik diyagram
Hall olay deneyinde direnç ve akm ölçmek için Van der Pauw tekniinden
yararlanlr. Van der Pauw tekniinin geometrileri ekilde gösterilmektedir.
ekil 3.18: Hall ölçümünde kullanlan örnek geometrileri (Gölcür D, 2012)
37
Kontaklarn ikisinden akm uygulanrken dier iki kontaktan potansiyel fark
ölçülür. Bu teknikle serbest formlu levhalarn özdirenç ölçümleri yaplmaktadr.
Bunun için örnein kenarlarndan dört kontak alnr. Özdirenci hesaplayabilmek için
ekil 3.19'da görüldüü gibi A, B, C ve D noktalarndan elektrotlar numune üzerine
dedirilerek RAB,CD direnci ölçülür ve A ve B noktalar arasndaki akma karlk
gelen D ve C noktalar arasndaki VD-VC potansiyeli olarak tarif edilir. RBC,DA direnci
de benzer ekilde bulunur. Aadaki (3.3) formülü ile özdirenç bulunur (Berger,
1958).
f: RAB,CD ve RBC,DA deerlerinin farkl çkmas durumundaki düzeltme faktörü
ekil 3.19: Van der Pauw metodu ölçme teknikleri (Özdemir R., 2010)
Van der Pauw tekniinde Hall ölçümünün amac VH Hall gerilimini ölçerek
yüzey tayc younluunu belirlemektir. Hall gerilim ölçümü, sabit bir akm ve
örnek düzlemine dik bir manyetik alan uygulanmasyla birlikte bir dizi gerilim
ölçümünden ibarettir. VH' ölçmek için bir I akm karlkl kontak çifti A ve C’den
geçmeye zorlanr ve bunun karsndaki geri kalan kontak çiftleri B ve D’den ise VH
Hall gerilimi ölçülür. Hall voltajnn belirlenmesiyle birlikte yüzey tayc
younluu eitlii kullanlarak belirlenir (Gölcür, 2012).
38
Hall mobilitesi, yüzey tayc younluu (veya ) ve yüzey direnç ölçümünden
salanan Rs'den
ekil 3.20: Hall etkisi deney setinin ematik gösterimi 1) Numunenin yerletirildii
kriyostat 2) 1.2 Teslalk GMW magnetleri 3) Magnetler için güç kayna 4) Akm
kayna 5) Gerilim ölçümleri için veri kaydedicisi ve ölçülen gerilim uçlarn ölçüm
esnasnda deitirmek için anahtarlama kart 6) Scaklk kontrol ünitesi 7)
LABVIEW program ile destekli bilgisayar 8) Sistemi soutmak için helyum
kompresör 9) Turbo moleküler vakum pompas 10)Magnetler için su soutma
sistemi
39
CuGaSe2 ince filmi oda scaklnda (souk) termal buharlatrma yöntemi ile
büyütülmü ve daha sonra üretilen filmler 100 0 C ve 200
0 C scaklklarda 45 dakika
tavlanmtr. Yaplan deneyler sonucu CuGaSe2 ince filmlerinin yapsal, elektriksel
ve optik özellikleri aratrlmtr. Bu bölümde, yaplan deneyler sonucu elde edilen
bulgular nda CGS, CGS-100 ve CGS-200 yariletken ince filmlerin yapsal,
elektriksel ve optik özellikleri tartlmtr.
4.2 CuGaSe2 nce Filmlerinin Yapsal Özelliklerinin ncelenmesi
4.2.1 XRD analizi
ekil 4.1: a) CGS b) CGS-100 c) CGS-200 XRD analizi sonuçlar
40
özellikleri üzerinde etkisi aratrlmtr. Filmlerin X-n krnm desenleri 20 0 -70
0
aralnda elde edilmitir. ekil 4.1'de filmlerin elde edilen XRD spektrumlar
verilmitir. ekilden de görüldüü gibi tavlamann filmlerin yaps üzerinde belirgin
bir etkisi olmamtr. Üretilen CGS, CGS-100 ve CGS-200 filmleri amorf yapya
sahiptir.
Element Yüzdece Arlk % Atomik Arlk %
Cu 21,16 24,20
Ga 25,87 27,00
Se 52,97 48,80
Element Yüzdece Arlk % Atomik Arlk %
Cu 3,28 4,41
Ga 42,91 45,27
Se 53,81 50,32
Tablo 4.1'deki CuGaSe2 bileiinin (toz halde) EDXA analiz sonuçlarna göre
yüzeyce arlk ve atomik arlk yüzdeleri verilmitir. Sonuçlar, yaklak olarak
CuGaSe2 bileiinin 1:1:2 stokiyometrik oranlarna uygun çkmtr. Ancak, Tablo
4.2'deki CGS-200 ince filminin EDXA sonuçlarn kaynak bileiin oranlar ile
karlatracak olursak yüzeyce arlk ve atomik arlk yüzdeleri olarak Cu atomu
orannn belirgin bir ekilde dütüü, Se atomlar orannn ayn kald ve Ga
atomlar orannn ise yaklak Cu atomlar orannn düüü kadar yükseldii
gözlenmitir. Bu durum Cu atomlarnn film yüzeyinden uzakta belli bölgelerde
birikmi (segregation) olabileceini göstermektedir.
4.3.1 Elektriksel ölçüm sonuçlar
Termal buharlatrma yöntemi ile elde edilen CGS, CGS-100 ve CGS-200 ince
filmlerin elektriksel iletkenlik ölçümlerinin yaplabilmesi için erit kontak yöntemi
uygulanmtr. Scakla bal iletkenlik ölçümleri sv azot soutmal kriyostat ile
80-420 K scaklk aralnda gerçekletirilmitir. Numune scakl, Lake Shore 331
scaklk kontrol ünitesi yardmyla ±0,1 K hassasiyetiyle kontrol edilmitir. Akm
kayna olarak ve voltaj ölçümü için Keithley 2400 cihaz kullanlmtr. Üretilen
filmlerin üzerindeki indiyum kontaklarn omik olup olmad deiik scaklklarda
test edilmitir ve her üç numune için akm ile voltajn lineer olarak deitii
gözlenmitir. CGS, CGS-100 ve CGS-200 numunelerinin iletkenliklerinin scaklkla
deiim grafikleri ekil 4.2 'de verilmitir. Grafiklerden görüldüü gibi filmlerin
iletkenlikleri scaklkla üstel olarak deimektedir ve elde edilen ince filmler
yariletken davran göstermektedir. Numunelere ait oda scaklndaki özdirenç ve
iletkenlik deerleri Tablo 4.3' de verilmitir.
Tablo 4.3: Yariletken numunelere ait oda scaklndaki (T=300 K) özdirenç ve
iletkenlik deerleri.
42
ekil 4.2 : a) CGS b) CGS-100 c) CGS-200 ince filmlerinin Ln(σ)-1000/T deiimi
a)
b)
c)
43
ekil 4.2'deki grafiklerde her bir numunenin iletim mekanizmalarn tespit etmek
için iletkenlik verileri,
ile verilen iletkenlik ifadesi ile analiz edildi. Bu ifadeye göre Ln(σ)-1000/T
deiiminin lineer olduu her deiik scaklk bölgesi o scaklk deerleri aralnda
Ea aktivasyon enerjilerini verir. 80-400 K scaklk aralklarnda CGS, CGS-100 ve
CGS-200 numunelerine ait aktivasyon enerjileri Tablo 4.4'de verilmitir. Her bir film
için scaklk arttkça aktivasyon enerjisinin artt gözlenmitir. Bu artn sebebi
scaklk ile daha derin seviyelerdeki elektronlarn uyarlabilmesidir. Ayrca filmlerin
tavlama scakl arttkça aktivasyon enerjilerinin azald gözlenmitir. Bu durum
tavlama etkisi ile filmlerin biraz daha düzenli yapya geçmeleri ve buna bal olarak
baz derin lokalize seviyelerin yok olmas ile açklanabilir.
Tablo 4.4: CGS, CGS-100 ve CGS-200 numunelerinin ekil 4.2'deki grafik
sonuçlarna göre aktivasyon enerjileri
CGS 31 15 7 -
CGS-200 22,6 5,7 - -
iletkenlik ölçüm verileri Mott'un sçrama iletim mekanizmas teorisine göre analiz
edilmitir. Bu teoriye göre iletkenlik;
eklinde verilmektedir (Mott 1979).
Numune Scaklk
3 4,54 x10
14 4,29 x10
16 1,02 x10
2 4,83 x10
13 10 x10
14
3 4,68 x10
14 4,30 x10
14 4,14 x10
Tablo 4.5'de verilen N(EF) Fermi enerji seviyesinde lokalize olmu durum
younluu, W ortalama sçrama enerjisi, R en yakn mesafeler aras ortalama sçrama
mesafesi, kBT yük tayclarnn belirli bir scaklktaki termal enerjileri ve α sönüm
parametresidir. Mott'un teorisine göre sçrama iletim mekanizmasnn baskn
olabilmesi için, W>kBT, αR>1 ve T0>10 3 artlarnn salanmas gerekmektedir.
Ln( )-T -1/4
deiimi kullanlarak T0 ve deerleri hesaplanr ve Tablo 4.5 'deki
dier Mott parametreleri bu iki deer kullanlarak bulunur.
Her üç numune için hiçbir scaklk bölgesinde sçrama iletim mekanizmasnn
baskn olmad gözlenmitir. Bu sonuç, aktivasyon enerjisinin ortalama termal
enerji deerinden büyük olduu bölgelerde iletimin termal uyarlma (thermal
excitation) ile, küçük olduu bölgelerde ise tünelleme ile olduunu gösterir. CGS,
numunesi için, düük scaklk bölgesinde, yani 90-150 K scaklk aralnda
tünelleme iletim mekanizmas baskndr. 150-390 K scaklk aralnda ise
aktivasyon enerjisi kBT deerinden büyük olduu için termal uyarlma iletim
mekanizmas baskndr. CGS-100 numunesi için düük scaklk bölgesinde (80-200
K) tünelleme akm mekanizmas baskn iken yüksek scaklk bölgesinde (200-390
K) iletim termal uyarlma ile gerçekleir. Son olarak, CGS-200 numunesi için kBT
tüm scaklklarda aktivasyon enerjisinden küçük olduu için iletim tayclarn
termal enerji ile uyarlmalar sonucu gerçeklemektedir. Scakla bal iletkenlik
ölçümlerinden tavlama sonucu termal uyarlmann daha geni scaklk aralnda
etkin hale geldii görülmütür. 100 o C ve 200
o C scaklklarnda tavlama, XRD
45
ekilde deitirmese de, film özdirenç deerlerinde bir miktar düüe neden olmu bu
da yapnn az da olsa daha düzenli hale geçtiini göstermektedir.
4.3.2 Hall etkisi ölçüm sonuçlar
0.68 µm kalnlndaki CGS, CGS-100 ve CGS-200 numunelerinin Hall etkisi
ölçümleri sonucunda tayc younluu (ne), Hall voltaj (VH), Hall mobilitesi (µH)
ve öz direnci (ρ) bulunmutur. Tablo 4.3'de CGS, CGS-100 ve CGS-200
numunelerinin Hall etkisi deneyi sonuçlarnda elde edilen deerleri verilmitir. Hall
voltajnn negatif iaretleri yariletken numunelerin n tipi iletkenlie sahip olduklarn
göstermitir.
Tablo 4.6: CGS, CGS-100 ve CGS-200 numunelerinin oda scaklnda (T=300 K)
Hall etkisi ölçüm sonuçlar.
(cm 2 /V.s)
ne (cm -3
43,1 2,00x10 15
56,6 6,16x10 15
61,2 6,98x10 15
CGS, CGS-100 ve CGS-200 numunelerinin tayc younluunun 40-400 K scaklk
aralnda scakla bal deiim grafikleri ekil 4.3'de verilmitir. Tayc
younluunun scaklkla;
artn, tayc younluuna belirgin bir etkisi olmad fakat az miktarda artt
Tablo 4.6 'den görülebilmektedir.
46
ekil 4.3: a) CGS b) CGS-100 c) CGS-200 numuneleri için tayc younluunun
scaklkla deiimi.
ekil 4.4: a) CGS b) CGS-100 c) CGS-200 filmlerinin mobilite-scaklk deiimleri
a)
b)
c)
48
grafikleri ekil 4.4'de verilmitir. Mobilite deerleri her üç örnek içinde yaklak 100
K scakla kadar artm ve daha sonra belirgin bir ekilde azalmtr.
nce filmlerin üretilmesi sürecinde, hassas davranlmasna ramen kristal yapda
safszlklar ve örgü kusurlar olumaktadr. Üretilen yariletken ince film içerisindeki
bir elektron bu kusurlardan etkilenerek hareketini uzun mesafede devam ettiremez.
Hareketi srasnda yap içerisindeki safszlk atomlar ya da kusurlardan saçlmaya
urar. Elektronun bu ekilde durumunu deitirmesi saçlma mekanizmas olarak
ifade edilir (Yurdugül, 2005).
Mobilite çeitli saçlma mekanizmalaryla farkl deerler alan ortalama serbest
zamana bal bir niceliktir. Mobilitenin scaklk bamll genellikle nT
eklinde olup, n deeri ise düük ve yüksek scaklklarda saçlmalara bal bir
sabittir. Farkl n deerlerine karlk farkl saçlma mekanizmalarnn örgü içinde
baskn olduu söylenebilir. Filmlerdeki baskn saçlma mekanizmasn
belirleyebilmek için ekil 4.5'de verilen Log(µ)-Log(T) grafikleri analiz edilitir.
Elde edilen n deerleri Tablo 4.7 'de özetlenmitir.
49
ekil 4.5: a) CGS b) CGS-100 c) CGS-200 filmlerinin Log(µ)-Log(T) deiim
grafikleri.
a)
b)
c)
50
Tablo 4.7: CGS, CGS-100 ve CGS-200 filmlerinin belirli scaklk aralklarndaki
saçlma mekanizmalar
CGS 45-76 0.58
CGS 107-158 -0.58
CGS 168-178 -1.48
CGS 261-302 -2.53
CGS-100 40-92 2.68
CGS-100 133-298 -1.48
CGS-200 40-76 2.35
CGS-200 96-230 -0.64
CGS-200 240-282 -1.90
Tablo 4.5'deki n deerleri ~T n 'deki saçlma mekanizmalarn belirlemek için
kullanlan scakln üstel bir deeridir ve n'in ald deerlere bal olarak ince
filmlerin saçlma mekanizmalar hakknda bilgi elde edilmektedir.
Yüksek scaklklarda mobilitenin µ α T -3/2
eklinde scaklkla dorusal bir
saçlma mekanizmas baskndr (Sheng, 1977).
Düük scaklk bölgesinde mobilitenin scaklkla µ α T 3/2
eklinde dorusal bir
olduunu göstermektedir (Sheng, 1977).
eklinde bal olduu bölgelerde polar
optik fonon (piezoelektrik) saçlmas baskndr (Sheng, 1977).
Mobilitenin µ α T 1/2
deerine karlk geldii bölgelerde ise nötral dönor safszlk
saçlma mekanizmasnn baskn olduunu gösterir (Sheng, 1977).
51
yapdaki atom boluklar ve yapsal bozukluklar kristalde bir gerilme meydana
getirirler. Bu gerilme kristal potansiyelinin bozulmasna neden olur. Bu tip bir
potansiyelden elektron saçlmalar dislokasyon saçlmas veya kusur (defect)
saçlmas olarak adlandrlrlar. Bu durum n=2 deerine karlk gelir (Pödör B.,
1996, Gallaghe C., 1952, Vogel AF. L. 1956) .
4.3.3 Fotoiletkenlik ölçüm sonuçlar
çkarlmas ile bulunur. Deney sonucunda elde edilen fotoiletkenliin scaklkla
deiim grafikleri ekil 4.6'da verilmitir. ekilden de görülebilecei gibi k iddeti
arttkça fotoiletkenlik deeri artmaktadr.
52
ekil 4.6: a) CGS b) CGS-100 c) CGS-200 filmlerinin deiik k iddetlerinde
scakla bal foto-iletkenlik deiimleri.
yeniden birleme mekanizmalar ile açklanr. Bu yeniden birleme merkezlerinin
karakteristii, fotoakm-k iddeti bamllnn deiik scaklklarda ölçülmesi ile
elde edilebilir. Her bir örnek için 300 K scaklktaki fotoakm- k iddeti deiimi
grafii ekil 4.7'de verilmitir.
ekil 4.7: 300 K scaklkta a) CGS, b) CGS-100 ve c) CGS-200 ince filmlerinin
fotoakm-k iddeti deiimi.
fonksiyonudur. Fotoakm-k iddeti deiim grafiinden r deeri bulunabilir. CGS,
CGS-100 ve CGS-200 numuneleri için 300 K scaklkta hesaplanan r deerleri
srasyla 0,74, 0,63 ve 0,44 tür. Burada n deerinin 0,5 olmas bimoleküler yeniden
birleme mekanizmas, 1 olmas monomoleküler yeniden birleme mekanizmasna
karlk gelmektedir. Filmlerin tavlama scaklnn art ile r deerinin 0,5 deerine
yakla gözlenmitir (Bube, 1970).
CGS, CGS-100 ve CGS-200 ince filmlerinin oda scaklnda temel sourma
spektrumlar 190-1100 nm dalgaboyu tarama bölgesine sahip UNICO marka SQ
2802 UV/VIS spektrometre cihaz ile elde edilmitir. Elde edilen ince filmlerin
(αhυ) 1/N
'ye kar foton enerjisi deiim grafikleri, direk geçili (N=1/2) ve indirek
geçili (N=2) bant aralklar için çizdirilmitir. Yaplan analiz neticesinde her üç
yariletken filminde direk geçili bant yapsna sahip olduklar belirlenmitir.
Her üç örnek için de, sourma yaklak 700 nm dalga boyundan balayarak 630
nm dalga boyuna kadar hzl biçimde artmaktadr. Bu sourma snrnn dnda 700
nm dalga boyundan daha büyük dalga boylarnda materyal hemen hemen geçirgen
ve 630 nm dalga boyundan küçük dalga boylarnda ise kuvvetli sourma özellii
göstermektedir. ekil 4.8'deki grafiklerde deiimin lineer ksmlarnn hυ eksenini
kestii bölge numunenin yasak enerji araln vermektedir. Her bir numune için
yasak enerji aral deerleri Tablo 4.9'da verilmitir. Tavlama scaklnn
artmasyla filmlerin yasak enerji bant aral deerlerinin çok belirgin bir deiim
göstermedii fakat 2,74 eV’dan 2,88 eV’a artt gözlenmitir.
Tablo 4.8: CGS, CGS-100 ve CGS-200 ince filmlerinin yasak enerji aralklar
Numuneler Yasak Enerji Aral Eg (eV)
CGS 2,74
CGS-100 2,76
CGS-200 2,88
55
ekil 4.8: CGS, CGS-100 ve CGS-200 ince filmlerinin sourma katsaysnn foton
enerjisine göre deiimi
Bu çalmada termal buharlatrma yöntemi ile üretilmi A I B
III X
optik özellikleri aratrlmtr.
Filmlerin stokiyometrileri ve yaplar EDXA üniteli taramal elektron mikroskobu
ve X-n krnm teknii ile incelenmitir. EDXA analizi sonucunda elde edilen
külçe eklindeki CuGaSe2 bileiinin 1:1:2 oranna uygun olarak stokiyometrik
olduu görülmütür. XRD sonuçlarndan ise filmlerin amorf yapya sahip olduklar
ve 200 o C’ye kadar uygulanan büyütme sonras tavlama ile yapnn deimedii
belirlenmitir.
yariletken davrana sahip olduklar belirlenmitir.
CGS, CGS-100 ve CGS-200 filmlerinin Ln(σ)-1000/T grafiklerinin eimlerinden
yararlanarak filmlerin aktivasyon enerjileri hesaplanmtr. Bu sonuçlara göre
tavlama scakl arttkça filmlerin aktivasyon enerjilerinin dütüü gözlenmitir.
Ln(σ)-1000/T ve Ln( )-T -1/4
grafiklerinden yararlanlarak her bir numunenin deiik
scaklk bölgelerinde etkin iletim mekanizmalar aratrlmtr. Bu analizler
sonucunda; her üç numune için hiçbir scaklk bölgesinde sçrama (hopping) iletim
mekanizmasnn baskn olmad gözlenmitir. CGS, numunesi için, 90-150 K
scaklk aralnda tünelleme ve 150-390 K scaklk aralnda ise aktivasyon enerjisi
kBT deerinden büyük olduu için termal uyarm iletim mekanizmas baskndr.
CGS-100 numunesi için düük scaklk bölgesinde (80-200) tünelleme akm
mekanizmas baskn iken yüksek scaklk bölgesinde (200-390) termal uyarm akm
mekanizmas baskndr. CGS-200 numunesi için kBT tüm scaklklarda aktivasyon
enerjisinden küçük olduu için iletim tayclarn termal enerji ile uyarlmalar
sonucu gerçeklemektedir.
Yariletken davran gösteren CGS, CGS-100 ve CGS-200 ince filmlerinin Hall
etkisi ölçüm sonuçlarna göre n-tipi iletkenlie sahip olduklar tespit edilmitir.
Bütün numunelerde yariletken davrana uygun olarak scaklkla tayc
younluunun üstel olarak artt gözlenmitir. Tavlama etkisi, incelenen filmlerin
tayc younluunda az da olsa arta neden olmutur. Yine Hall etkisi ölçümü
verilerine dayanarak CGS, CGS-100 ve CGS-200 filmlerinin µ-T deiimi
incelenmi ve mobilite deerleri her üç örnek içinde yaklak 100 K scakla kadar
artm ve daha sonra belirgin bir ekilde azalma göstermitir.
CGS, CGS-100 ve CGS-200 yariletken ince filmlerin a kar duyarllklarn
belirlemek için scakla bal fotoiletkenlik ölçümleri 80-410 K aralnda
yaplmtr. Deney sonucunda fotoakma karlk k iddeti deiimi incelenmitir.
Fotoakm-k iddeti deiimi ~ bamllna göre incelenmi ve filmlerin
tavlama scaklnn art ile deerinin 0,5 deerine yaklat gözlenmitir.
CGS, CGS-100 ve CGS-200 ince filmlerinin oda scaklnda temel sourma
spektrumlar 190-1100 nm dalgaboyu tarama bölgesinde elde edilmitir. Elde edilen
ince filmlerin (αhυ) 1/N
'ye kar foton enerjisi deiim grafikleri, direk geçili
(N=1/2) ve indirek geçili (N=2) bant aralklar için çizdirilmitir. Yaplan analiz
neticesinde her üç yariletken filmin direk geçili bant yapsna sahip olduu
gözlenmitir. Sourma 700 nm dalga boyundan balayarak 630 nm dalga boyuna
kadar hzl biçimde artmaktadr. Tavlama ile filmlerin band aralklarnn 2,74
eV’dan 2,88 eV’a arttt tespit edilmitir.
58
KAYNAKLAR
Akaltun A., 2006: CdSe, ZnSe ve CdxZn1-xSe Yariletken nce Filmlerinin SILAR
Teknii le Büyütülmesi Yapsal, Optik ve Elektriksel Özelliklerinin
ncelenmesi Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi 1-3
Akgöz, A., 2010: Polianilin-Pomza Kompozitinin Elektriksel ve Optik Özelliklerinin
ncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri
Enstitüsü, Denizli
Akyüz, .,2005: CdO Filmlerinin Baz Fiziksel Özellikleri Üzerine Al Katklama ve
Tavlama lemlerinin Etkileri, Doktora Tezi, Osmangazi Üniversitesi Fen
Bilimleri Enstitüsü, Eskiehir.
Mersin.
Hill Book Company, London.
Al-Nahass M.M., Frag A.A.M, Soliman H.S., 2011: Optical absorption and
dispersion characterizations of CuGaSe2 thin films prepared, Optics
International, London.
International, London.
Baz, Z., 2008: Atmal Filtreli Katodik Vakum Depolama Yöntemiyle Çinko
Nitrür (Zn3N2) Üretimi ve Optiksel Özellikleri, Yüksek Lisans Tezi,
Çukurova Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana
Beiser, A., 1997: Modern Fiziin Kavramlar, (çev. G. Önengüt), Akademi
Yaynlar, stanbul.
Berger, L.I., 1958. Van Der Pauw, Philips Research Reports, 13, 1-18.
Brodsky, M.H., 1979: Amorphous Semiconducturs, Springer Verlag, Berlin.
59
Brundle, C.R., Eves, C.A., Wilson, Jr.S., 1992: Ebcyclopedia of Materials
Bube, R.H., 1970: Photoconductivity of Solids, John Wiley & Sons Inc.,
London.
Çolak Ü., 2006: Ge Yariletken Numunelerinin Elektriksel Karakterizasyonu
Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi
El-Nahass M.M., Ark., 2011: Optical absorption and dispersion
characterizations of CuGaSe2 thin films prepared
Eid A.H., Ark., 2008:. Journal of Applied Sciences Research, 4(3): 319-330
Flegler, S.L., Heckman, J.W., Klomparens, K.L., 1993: Scanning and
Transmission Elektron Microscopy: An Introduction, Oxford Univ. Press,
ISBN [0-19-510751-9].
Fernandez A.M., Turner J.A., 2011: Cu–Ga–Se thin films prepared by a
combination of electrodeposition and evaporation techniques, Jornual of
Solar Energy, 86 1045-1052, Mexico
Gallaghe, C. R, “Elements of germanium” Phys. Rev., B15(2): 823-827 (1952).
Gölcür D., 2012: CdInTe nce Filmlerinin Elektriksel ve Optik Özelliklerinin
ncelenmesi, Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans
Tezi
Güneri E., 2009: Kimyasal Depolama Yöntemiyle Elde Edilmi SnS nce
Filmlerin Yapsal, Elektriksel ve Optiksel Özelliklerinin ncelenmesi,
Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi
Kara K., 2008: Atmal Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama Yöntemi le P-tipi
ZnO (Çinko Oksit) Üretimi ve Yapsal Özellikleri, Çukurova Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi
Klnç T., 2006: Zn1-xFexS nce Filmlerinin Fiziksel Özelliklerinin ncelenmesi.
Kahramanmara Sütçü mam Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek
Lisans Tezi 1-2
Krmzgül F., 2008: CdO nce filmlerin Püskürtme Yöntemi le Hazrlanmas.
Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi Adana,
60
Kittel C., 1996: Kathal Fiziine Giri, (Çrv. B. Karaolu), Güven Yaynlar,
stanbul.
Karabulut O., 2003: Structural, Electrical and Optical Characterization of N-
and Si Implanted GaSe Single Crystal Grown By Brigman Method, Doktora
Tezi, Orta Dou Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 17-20
Krmzgül F., 2008: CdO nce Filmlerin Püskürtme Yöntemi ile Hazrlanmas,
Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana
Nag B.R., 1980: Electron Transport in Compound Semiconductors, Springer
Verlay, Berlin
Pres, New York.
Neamen D. A., 1997: Semiconductor Physics and Devices, Irwin Book Team.
Meeder A., Ark., 2002: Photoluminescence and subband gap absorption of
CuGaSe2 thin films
Nishiwaki A., Ark., 2003: Surface treatments and properties of CuGaSe2 thin
films for solar cell applications, Thin Solid Films, 431-432 296-300,
Germany
Mott N.F. and Davis E.A., 1971: Electronic Processes in Non - Crystalline
Materials, Claredon Press Oxford Univ., London.
Omar M. A., 1975: Elementary Solid Sta. Rustresistantpotatoes, United
Kingdom Patent, Node Physics, Addison-Wesley Publishing Company Inc,
Menlo Park California.
Oral M., 1979: Güne Pilleri, Ege Üniversitesi Yaynlar, zmir.
Oumous H., Hadr H., 2001: Optical and electrical properties of annealed
CdS thin films obtained f rom a chemical sol ut i on. Thin Solid
Films,386:87-90.
61
Özdemir R., 2010: Elektrodepolama Yöntemi le Elde Edilen ZnFe nce
Filmlerinin Elektriksel Özdirenç Özelliklerinin Sezgisel Yöntemler
Yardmyla ncelenmesi, Kiilis 7 Aralk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,
Yüksek Lisans Tezi
Özkan, M., 2010: Termoiyonik Vakum Ark (TVA) Teknii ile II-VI Grubu Baz
Yariletken Bileiklerin nce Filmlerinin Üretilmesi ve Baz Fiziksel
Özelliklerinin ncelenmesi, Doktora Tezi, Osmangazi Üniversitesi Fen
Bilimleri Enstitüsü, Eskiehir.
Pankove, J. I., 1971: Optical Process in Semiconductors. Dover Publicat
ions, Inc. New York, 422s.
Pödör,B., “Semiconductors” Phys. Stat.Sol., 16:K 176-181 (1966).
Sar, H., 2008: Yariletkenler ve Optik Özellikler, Yüksek Lisans Ders Notlar,
Ankara Üniversitesi Fizik Mühendislii Bölümü, Ankara.
Scherrer, P.,1918: Nach. Ges. Wiss Göttingen, 9
Schenker O., Klenk M., Bucker E., 2000: Some results from CuGaSe2 solar
cells prepared by rapid thermal processing, Thin Solid Films, 361-362 454-
457 Germany
Schön J. H., Bucher E. 2001: Electrical properties of n-type CuGaSe2, Jornual
of Thin Solid Films, 387 23-25, Germany
Sheng S. Li, 1977: The Dopant Density and Temperature Depence of Electron
Mobility and Resistivity in N-Type Silicon, U.S. Goverment Printing Office,
Washington.
Siebentritt S., 2004 : Hole transport mechanisms in CuGaSe2, Jornual of Thin
Solid Films, 480-481 312-317, Germany
Süvüt, H.H., 2005: Deiik Yöntemlerle Elde Edilen CdS’ün Optik ve
Elektriksel Özelliklerinin Karlatrlmas, Yüksek Lisans Tezi, Osmangazi
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskiehir.
Sze, S. M., 1985. Physics of Semicnducturs Devices, John Wiley and Sons.
523 s. New.
ener, D., 2006: Sol-Gel Yöntemiyle Hazrlana Metal Oksit nce Filmlerin
Elektriksel, Yapsal ve Optiksel Özelliklerinin ncelenmesi, Yüksek Lisans
Tezi, Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
Takanolu D., 2011: Katksz ve Katkl CdSe nce Filmlerinin Optik ve Elektrik
Özelliklerinin Aratrlmas, Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,
Yüksek Lisans Tezi
Taylo, J.R., Zafaritos, C.D., 1996: (Çev. Bekir Karaolu) Fizik ve Mühendislikte
Modern Fizik, Bilgi Tek Yaynclk, stanbul, 455s.
Tunalolu S.., 2007: InGaP Yariletkeninde Mobilite Analizi, Gazi Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi 37
Vogel, AF.L., 1956: “Solid State and semiconductor elements” j. Metals, 8:946-952
Yazc, D., 2007: Fosfin Metal Komplekslerin Fiziksel Özellikleri, Yüksek Lisans
Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana.
Ylmaz, K. 2004: Investigation of InSe Thin Film Based Devices, Doktora Tezi,
Orta Dou Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
Yurdagül, Ü., 2005: LEC Teknii ile Büyütülen Te Katkl n-tipi InSb
Yariletkeninde Scaklk Baml Manyetik ve Elektron letim Özellikleri,
Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
Zor, M., 1982: Spray-Pyrolysis ile Elde Edilen AgInSn2 Bileiinin Baz Fiziksel
Özellikleri, Doktora Tezi, Hacettepe Üniversitesi, Ankara.
63
ÖZGEÇM
Doum Yeri ve Tarihi: Akseki, 13.06.1987
Adres: Siteler Mah. 6255. Sok. No:10 Kat:1 Knkl, Denizli
Lisans Üniversite: Mula Üniversitesi