USCVD yöntemi ile büyütülen ZnO ve MgZnO kristallerin yapısal ve optiksel özelliklerinin incelenmesi
Investigation of structural and optical properties of ZnO andMgZnO crystals grown by USCVD
Yazar: POLAT NARİN
Danışman: PROF. DR. SEFER BORA LİŞESİVDİN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: CVD = CVD ; Kimyasal çözeltiler = Chemical solution ; Yarı iletken filmler = Semiconductor films ; Yarı iletken kristaller = Semiconductor crystals ; Çinko asetat = Zinc acetate ; Çinko oksit = Zinc oxide

Özet:
Son yıllarda oksit temelli malzemeler üzerine çalışmalar büyük önem kazanmıştır. Geniş yasak bant aralığı (3,37 eV) ve yüksek eksiton bağlanma enerjisi ~60 meV nedeniyle Çinko oksit (ZnO) önemli bir yarıiletken haline gelmiştir. ZnO kristalinin bu kendine özgü özellikleri nedeniyle yeni kristal büyütme/hazırlama teknikleri geliştirilmeye başlanmıştır. Bu yeni kristal büyütme tekniklerinden birisi geleneksel Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) yönteminin sıvı öncü ile geliştirilmesi ile elde edilen Ultrasonik Sprey Kimyasal Buhar Biriktirme (USCVD) yöntemidir. Bu tez çalışmasında USCVD yöntemi ile hekzagonal kristal fazda ZnO ve Magnezyum çinko oksit (MgZnO) kristallerin büyüme davranışları, yapısal, elektriksel ve optiksel özellikleri incelemiştir. ZnO ve MgZnO kristalleri farklı büyüme sıcaklığı, öncü molaritesi, ultrasonik titreştirici gücü, farklı alttaş kullanımı, tavlama işlemi gibi fiziksel ve kimyasal parametrelerin kristallerin büyüme özellikleri üzerine etkisi araştırılmıştır. Yüksek kristal kalitesi ve daha düşük yüzey pürüzlülüğü için ZnO kristal büyümesi için uygun büyütme sıcaklığının 350 °C olduğu belirlenmiştir ve elde edilmiştir. Büyüyen ZnO kristallerinin büyüme yönelimi polikristal ZnO yapılarının yanısıra genellikle (0002) yönelimlidir ve ayrıca ZnO'in hekzagonal faz ile alakalı diğer pikleri de görülmüştür. İncelenen MgZnO kristal büyütmelerinde büyütme sıcaklığının değişimine bağlı olarak çözeltideki Mg oranı aynı olmasına karşın MgZnO kristallerin Mg oranlarının arttığı görülmüştür. Ayrıca, elde edilen sonuçlara göre hazırlanan Mg oranı ile büyütülen MgZnO kristallerinin Mg oranlarının aynı olmadığı ancak Mg oranlarının doğrusal olarak değiştiği belirlenmiştir. ZnO ve MgZnO kristallerin çoğunlukla altıgen veya üçgenimsi şekillerde 2-boyutlu nanopul veya 3-boyutlu adacık yapılarda büyüdüğü görülmüştür. ZnO ve MgZnO büyütmelerinin sonucunda yüksek kristal kalitesine sahip kristaller için en uygun büyütme şartları belirlenmiştir.

Abstract:
In recent years, the studies on oxide-based materials have been gained importance. Zinc oxide (ZnO) has become an important semiconductor material due to its wide bandgap (3.37 eV) and a large exciton binding energy (~60 meV). Because of these unique properties of  ZnO, it is started to enhance new growth/preparing methods. One of the new growth methods is Ultrasonic Spray Chemical Vapor Deposition (USCVD) which is convenstional CVD enhanced with liquid precursor delivery. In this thesis, the growth behavior, structural, electrical, and optical properties of ZnO and Magnesium Zinc oxide (MgZnO) grown by USCVD are investigated. The effect of some physical and chemical parameters such as  different growth temperatures,  precursor molarity, ultraonic transducer power, usage of different substrates, annealing process on the growth properties of ZnO and MgZnO crystals. For high crystal quality and lower surface roughness, the optimum growth temperature for ZnO crystals is determined to be 350 °C. As well as the polycrystalline structure of ZnO, the growth direction of grown ZnO crystals is dominant in (0002) direction and also other peaks related to the wurtzite phase of ZnO are shown. In grown MgZnO crystal growth, though Mg content in the precursor is kept as constant depending on different growth temperatures, Mg mole fraction in MgZnO crystals is found to be different from initial Mg content. Also, according to obtained results initial Mg content and Mg mole fractions in grown MgZnO crystals did not same but there is a linear relation between them. Growth behavior of ZnO and MgZnO crystals are mostly hexagonal and triangular shaped with two dimensional  nanoplatelets and three dimensional islands. As a result of ZnO and MgZnO growths, the optimum growth conditions for high quality crystals have been determined.