RF manyetik saçtırma yöntemi ile üretilen ZnGa2O4 ince filmlerin yapısal, morfolojik ve optik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of structural, morphological and optical  properties of ZnGa2O4 thin films produced by RF magnetron sputtering method
Yazar: KÜBRA KARAKAYA KONUKÇU
Danışman: DOÇ. DR. NİHAN AKIN SÖNMEZ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fotonik Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada kristal kalitesi yüksek, iyi optiksel özelliklere sahip ve düzgün morfolojide ZnGa2O4 (çinko gallat) ince filmlerin üretimi hedeflendi. İnce filmler RF manyetik saçtırma yöntemi kullanılarak korning cam alttaşlar üzerine; farklı güç değerlerinde, 400°C alttaş sıcaklığında büyütüldü. Kullanılan ZnGa2O4 target 2 inç çap, 0,250 inç kalınlık, %99.99 saflık oranı ve bakır plaka 2 inç çap, 0,125 inç kalınlık özelliklerine sahipti. 100W, 150W ve 200W güç değerlerinde büyütülen numuneler sırasıyla S1, S2 ve S3 olarak adlandırıldı. Büyütülen ince filmlerin optik özellikleri UV-VIS (Mor Ötesi ve Görünür Bölge), kristal yapısı XRD (X-Işını Kırınımı) ve yüzey morfolojisi AFM (Atomik Kuvvet Mikroskobu) cihazları ile belirlendi. İnce filmlerin bant enerjisi aralığı UV-VIS karakterizasyon verileri kullanılarak Origin Yazılımında Tauc Plot yöntemi kullanılarak belirlendi ve literatürde belirtilen 4,5-5,2 eV değer aralığında olduğu görüldü. Filmlerin optik geçirgenlik değerleri S1, S2 ve S3 numuneleri için sırasıyla %91,004, %91,097, %89,323 olarak belirlendi. Üretilen ZnGa2O4 ince filmlerinin optik geçirgenlik özelliklerinin literatürdeki değerlere uygun olduğu görüldü. Dalga boyları ise sırasıyla 419,76 nm, 377,63 nm ve 351,80 nm elde edildi. S3 kodlu numunenin en kısa dalga boyuna sahip olduğu görüldü. Bu da onun en yüksek enerjiye sahip fotonları içerdiğini gösterdi. S3 numunesi için yüksek enerji geçişlerine sahip olduğu, dolayısıyla bu numunelerin UV bölgede aktif olduğu görüldü. XRD verileri incelendiğinde S3 kodlu numunemizde ana tepe (220) gözlemlendi. Bu tepe özellikle spinel yapısında karakteristik bir piktir ve bu tepenin belirginliği ile malzemenin düzenli kristal yapıda olduğu belirlendi. AFM analizlerine göre RF gücünün artışı ile RMS değerlerinde belirgin bir artış gözlemlendi. Bu artışın, film yüzeyinde daha fazla düzensizlik ve pürüzlülüğe yol açtığı, bu durumun optik geçirgenliği olumsuz etkilediği bulundu. Yapılan araştırmanın yüksek performanslı derin UV bölge fotodetektörlere ve diğer birçok teknolojik çalışmaya katkı sağlaması hedeflendi.

Abstract:
This study aimed to produce ZnGa2O4 (zinc gallate) thin films with high crystal quality, excellent optical properties, and smooth morphology. The thin films were deposited on corning glass substrates using RF magnetron sputtering at different power values and a substrate temperature of 400°C. The ZnGa2O4 target used had a diameter of 2 inches, a thickness of 0.250 inches, and a purity of 99.99%, while the copper backing plate had a diameter of 2 inches and a thickness of 0.125 inches. The films deposited at 100W, 150W, and 200W power values were designated as S1, S2, and S3, respectively. The optical properties of the films were characterized using UV-VIS (Ultraviolet-Visible) spectroscopy, the crystal structure was analyzed using X-Ray Diffraction (XRD), and the surface morphology was examined using Atomic Force Microscopy (AFM). The bandgap energies of the films were determined using the Tauc Plot method in Origin Software, showing values within the literature-reported range of 4.5-5.2 eV. The optical transmittance values of the films were found to be 91.004%, 91.097%, and 89.323% for S1, S2, and S3, respectively. These values were consistent with those reported in the literature, indicating that the optical transmittance properties of the produced ZnGa2O4 thin films were in line with previous findings. The wavelengths of the films were measured as 419,76 nm, 377,63 nm, and 351,80 nm, with the S3 sample showing the shortest wavelength. This suggests that the S3 sample contains the highest energy photons. The S3 sample exhibited high-energy transitions, indicating that it is active in the UV region. XRD analysis revealed a prominent (220) peak in the S3 sample, which is characteristic of the spinel structure and confirms that the material has a well-ordered crystal structure. AFM analysis showed a significant increase in RMS (Root Mean Square) values with increasing RF power, indicating increased surface roughness and irregularity, which negatively affected the optical transmittance. The study aims to contribute to high-performance deep UV photodetectors and other technological applications.