Tl-dikalkojenid katmanlı kristallerdeki optik geçişlerin kaynağı
The origin of optical transitions in Tl-dichalcogenide layer crystals
Yazar: ASUMAN CENGİZ
Danışman: PROF. DR. MİRHASAN SEYİTSOY
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışma kapsamında Tl-dikalkojenit ailesine ait TlGaSe2 katmanlı yarıiletken kristalindeki optik geçişlerin kaynağı incelenmiştir. İlk kısımda farklı teknolojik gruplardan seçilen TlGaSe2 yarıiletkenlerin temel absorpsiyon kenarı civarındaki optik iletim spektrumlarının sıcaklık bağımlılıkları, doğrudan optik bant aralığı ve Tauc optik bant aralığı enerjilerini ve bunların sıcaklık davranışlarını anlamak için çeşitli denyesel ve yarıdeneysel modellerle olan ilişkilerinin sonuçları irdelenmiştir. Se boşluklarının elektronik bant aralığı içindeki kusur seviyelerini ortaya çıkarabileceği önerilmiştir. Bu boşlukların getirdiği kusur seviyelerinin, TlGaSe2'nin optik özelliklerini güçlü bir şekilde değiştirerek geleneksel doğrudan bant aralıklı yarı iletkenlerin özelliklerinden sapmalara neden olabileceği ön görülmüştür. Bir sonraki kısımda farklı TlGaSe2 yarıiletkenlerdeki hafıza etkisini araştırmak için INC - faz bölgesinde termal tavlama işlemi gerçekleştirdi. Bu durum, kristal kafeste, başlangıçta TlGaSe2 katmanlı malzemede mevcut olan mobil içsel kusurlar tarafından tetiklenen, kusur yoğunluğu dalgası (DDW) olarak bilinen ek periyodikliğe neden olur. Bu fenomen, TlGaSe'de optik ölçümlerle gözlemlenebilen ilginç ara durumlara kaynaklık etmiştir. Böylece tavlanmamış ve tavlanmış numunelerden elde edilen verilerin karşılaştırılması, TlGaSe2'de hafıza etkisinden etkilenen yeni hibrit durumlara dair içgörüler sağlamıştır. Sonuçlardan özellikle, hafıza etkisinin; kafes modülasyonu nedeniyle yeni, en uzun dalga boyuna sahip optik fonon modunu açığa çıkardığı, bazı tavlanmış numunelerde karakteristik Debye sıcaklığının önemli ölçüde azalması, potansiyel olarak elektronik bant aralıklarını değiştiren gelişmiş elektron-fonon bağlantısı ve belirli TlGaSe2 numunelerinde enerji bant aralıklarında sıcaklığın neden olduğu değişikliklere termal genleşmenin katkısını arttırdığı çıkarımları belirlenmiştir. Tüm neticeler çerçevesinde, TlGaSe2 numuneleri arasındaki optik davranış farklılıklarının, çeşitli teknolojik işlem adımları sırasında oluşmuş olan içsel kusur konsantrasyonlarındaki değişiminin kaynaklık ettiği kafes modülasyonlarını ortaya çıkardığı yorumlarını desteklemektedir.

Abstract:
This study investigates the origin of optical transitions in TlGaSe2 layered semiconductor crystals belonging to the Tl-dichalcogenide family. In the first part, the results of various experimental and semi-experimental models were examined to understand the relationships between the temperature dependencies of the optical transmission spectra near the fundamental absorption edge, direct optical bandgap, Tauc optical bandgap energies, and their temperature behaviors for different TlGaSe2 semiconductors selected from different technological groups. It was suggested that Se vacancies could reveal defect levels within the electronic bandgap. It was anticipated that these vacancies, by introducing defect levels, could strongly alter the optical properties of TlGaSe2, leading to deviations from the properties of conventional direct bandgap semiconductors. Next, thermal annealing processes were performed in the INC phase region to investigate the memory effect in different TlGaSe2 semiconductors. This resulted in the generation of a defect density wave (DDW), an additional periodicity triggered by mobile intrinsic defects initially present in the TlGaSe2 layered material within the crystal lattice. This phenomenon led to interesting intermediate states observable in optical measurements of TlGaSe2. Thus, comparing data obtained from annealed and unannealed samples provided insights into new hybrid states influenced by the memory effect in TlGaSe2. The results notably indicated that the memory effect revealed a new, longest wavelength optical phonon mode due to lattice modulation, a significant reduction in the characteristic Debye temperature in some annealed samples, enhanced electron-phonon coupling potentially altering electronic bandgaps, and an increased contribution of thermal expansion to changes in energy bandgaps at different temperatures. Overall, the findings supported interpretations suggesting that differences in optical behavior among TlGaSe2 samples stem from variations in internal defect concentrations occurring during various technological processing steps, leading to lattice modulations.