Selenyum ve sülfür bileşikli bazı yarıiletkenlerin doğrusal olmayan optik özellikleri
Nonlinear optical properties of some semiconductors with selenium and sulfhur compounds
Yazar: PINAR IŞIK
Danışman: PROF. DR. AYHAN ELMALI
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, tabakalı III-VI yarıiletken ailesinden geniş yasak enerji aralıklı galyum sülfür (GaS = ~2.5 eV) ve galyum selenid (GaSe = ~2.1 eV) amorf yarıiletken ince filmler ve bunların karışımlarının doğrusal olmayan soğurma özellikleri açık yarık Z-tarama deney yöntemi kullanılarak incelendi ve sonuçlar karşılaştırıldı. Isısal buharlaştırma yöntemiyle büyütülen 50 ile 75 nm aralığında 4 farklı kalınlıktaki (50 nm, 58 nm, 65 nm, 75 nm) GaSexS1-x amorf ince filmlerin doğrusal olmayan soğurma özellikleri açık yarık Z-tarama deneyleri yapılarak araştırıldı. Ayrıca, doğrusal olmayan soğurma davranışına neden olan mekanizmalar ve elektronların uyarılmış durumda kalma süreleri ultra hızlı pompa-gözlem spektroskopi (pump-probe) yöntemiyle belirlendi.Örneklerin doğrusal olmayan soğurma özellikleri farklı atma sürelerine (4 ns ve 65 ps) sahip iki lazer kaynağı kullanılarak açık yarık Z-tarama deney yöntemiyle incelendi. Amorf halinde büyütülen filmlerden daha ince olanlar, yasak enerji aralığındaki kusur ve katkı seviyeleri az olduğundan dolayı doyurulabilir soğurma, daha kalın olanlar ise kalınlığa bağlı olarak kusur seviyelerinin artmasıyla doğrusal olmayan soğurma özelliği göstermektedirler. Bununla beraber filmlerin kalınlığının azaltılmasıyla doyum eşik şiddetlerinin düşürülebildiği gözlendi. Bu sonuçlar, amorf ince filmlerde kalınlık ve katkı oranının değiştirilmesiyle ince filmlerin doyum eşik şiddetlerinin kontrol edilebileceğini göstermektedir. En düşük doyum eşik şiddeti nanosaniye lazer kaynağıyla incelenen 50 nm kalınlığındaki GaS ince filmi için 4,82x10-2 GW/cm2 olarak bulundu. Elektronların uyarılmış durumda kalma sürelerini belirlemek için yapılan ultra hızlı pompa-gözlem spektroskopi deneylerinden, en yavaş bileşen yaklaşık 10 ns olarak belirlenmiştir. Bu zaman elektronların tuzağa yakalanıp daha sonra deşiklerle birleşme için geçen süredir. Ayrıca 65 nm kalınlığındaki GaSe ince filminin doğrusal olmayan ve doyurulabilir soğurma özelliklerine ısısal etkinin gözlemek için 323 K, 400 K ve 500 K'de tavlama işlemi uygulanmıştır ve doğrusal olmayan optik özellikleri araştırılmıştır. Artan tavlama sıcaklığı ile yerelleşmiş kusur seviyelerinin azalmasından dolayı doğrusal olmayan soğurmanın (NA) azaldığı görülmektedir.Anahtar Kelimeler: Doğrusal olmayan soğurma, doyurulabilir soğurma, GaS, GaSe kristalleri, amorf ince film, Z-tarama, ultra hızlı spektroskopi

Abstract:
In the study of this thesis, nonlinear absorption properties of gallium selenide (Gase = ~ 2.1 eV) and gallium sulfide (GaS = ~ 2.5 eV) thin films and their mixtures from the family of layered III-VI semiconductors with narrow and wide band gaps have been investigated by using open aperture Z-scan experimental technique. In the study of this thesis, GaSexS1-x semiconductor amorphous thin films with 50 nm, 58 nm, 65 nm and 75 nm thicknesses have been deposited by using thermal evaporation method and the nonlinear absorption properties of these films have been investigated. In additions the lifetime of excited electrons effecting nonlinear absorption behavior was determined by using ultrafast spectroscopy (pump-probe) technique.The nonlinear absorption properties of semiconductors were analyzed with Z-scan experiment technique by using two laser sources with different pulse durations (4 ns and 65 ps). The thinner films showed saturable absorption due to low number of defects and doping states in the band gap, on the other hand thicker films showed nonlinear absorption due to increased defect and doping states in the band gap. However, we observed that saturation intensity threshold can be reduced by decreasing the film thickness. These results showed us that the saturation threshold intensities of thin films can be controlled by changing thickness and doping concentration rates of amorphous thin films. The lowest threshold intensity value was found as 4,82x10-2 GW/cm2 for GaS thin film with 50 nm thickness, observed with the nanosecond laser source. This value is about 5 times lower than the lowest value stated in the literature. Ultrafast spectroscopy experiments were performed to determine the life times of excited electrons. It was observed that the slowest component is about 10 ns and this is attributed to slow trapping and recombination processes. In addition, we studied thermal annealing effect on nonlinear and saturable absorption behaviors of a GaSe thin film with 65 nm thicknes by changing the density of localized defect states with 50, 100 and 200 °C annealing temperatures. Nonlinear absorption (NA) decreases due to the decreasing localized defect states upon increasing annealing temperature.Key Words: Nonlinear absorption, saturable absorption, GaS, GaSe crystals, amorphous thin films, Z-scan, ultrafast spectroscopy