Saf ve bor katkılı indiyum selenit (InSe) tek kristallerinin bridgman yöntemiyle büyütülmesi, yapısal, optik, elektriksel ve fotolüminesans özelliklerinin araştırılması
Growth of undoped and boron doped indium selenit (InSe) single crystals by bridgman method, investigation of structural, optical, electrical and photoluminescence properties
Yazar: HÜSEYİN ERTAP
Danışman: PROF. DR. MEVLÜT KARABULUT
Kafkas Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, saf ve farklı oranlarda bor katkılanmış İndiyum Selenit (InSe) tek kristalleri Bridgman yöntemi ile büyütüldü ve elde edilen kristallerin morfolojik, yapısal, optik, elektriksel ve fotolüminesans özellikleri araştırıldı. Saf ve bor katkılı InSe tek kristallerinin morfolojik ve yapısal özellikleri sırasıyla, Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve X-ışını kırınımı (XRD) yöntemiyle gerçekleştirildi. SEM analizleri geniş yüzeyli yüksek kalitede InSe tek kristallerinin stokiyometrik eriyikten büyüdüğünü gösterdi. XRD spektrumlarının analizlerinden saf ve bor katkılı InSe tek kristallerinin (004) düzleminden c ekseni boyunca tercihli yönelim gösteren hekzagonal yapıya sahip oldukları bulundu. Saf ve bor katkılı InSe tek kristallerinin Raman spektrumlarında 50-450 cm-1 dalga sayısı aralığında beş temel fonon piki gözlemlendi. Gözlenen bu piklerden 400-450 cm-1 dalga sayısı aralığındaki iki temel fonon piki InSe tek kristali için karakteristiktir. Saf ve bor katkılı InSe tek kristallerinin I-V karakteristikleri sıcaklığın bir fonksiyonu olarak araştırıldı ve katkı oranına bağlı olarak aktivasyon enerjilerinin azaldığı bulundu. Optik soğurma spektrumlarının analizinden saf InSe tek kristaline oranla katkılı tek kristallerde eksiton pikinin katkı oranına bağlı olarak genişlediği görüldü. Ayrıca, bor katkısı sonucu soğurma şiddetinin azaldığı ve soğurma kenarının daha uzun dalga boyuna doğru kaydığı görüldü. Optik soğurma ölçümlerinden, hem saf hem de bor katkılı InSe tek kristallerinin direk bant aralığına sahip olduğu gözlendi. Saf InSe tek kristaline nispeten bor katkılı InSe tek kristallerinin yasak enerji aralıklarının katkı oranına bağlı olarak azaldığı, Urbach enerjilerinin ise arttığı görüldü. Saf ve bor katkılı InSe tek kristallerin fotolüminesans ölçümleri 12-100 K sıcaklık aralığında gerçekleştirildi. Fotolüminesans ölçümleri sonucunda bütün tek kristallerde A, B, C ve D olarak adlandırdığımız dört emisyon bandı gözlendi. Bu bantlar sırasıyla direk serbest eksitonların (n = 1) ışımalı birleşmesi, safsızlık-band geçişleri (birleşmesi), donor-akseptör geçişi (D-A) ve yapısal kusurlardan kaynaklanan (safsızlık atomları, kusurlar, kusur kompleksleri, safsızlık-kusur kompleksi v.b) bantlardan oluşmaktadır. Bor katkılı InSe tek kristallerinde katkı oranına bağlı olarak serbest eksitonlardan kaynaklanan emisyon bandının şiddetinin azaldığı ve sönüme uğradığı görüldü. Ayrıca, eksiton-fonon etkileşmesinde belirleyici olan fononların enerjisi InSe tek kristali için hϑ_p= 10.830 meV, InSe<0.1B> tek kristali için hϑ_p= 8.860 meV ve InSe<0.5B> tek kristali çin ise hϑ_p= 4.170 meV olarak hesaplandı. Fotolüminesans spektrumlarından saf ve bor katkılı InSe tek kristallerinin direk yasak bant aralıkları hesaplandı ve elde edilen sonuçların optik soğurmadan elde edilen sonuçlarla uyumlu olduğu görüldü.

Abstract:
In this thesis, undoped and boron doped indium selenide (InSe) single crystals have been grown by Bridgman method and morphologic, structural, optic, electrical and photoluminescence properties of crystals obtained have been investigated. Morphologic, and structural properties of undoped and boron doped InSe single crystals have been investigated by Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Electrom Microscope (SEM) and X-ray diffraction (XRD), respectively.  SEM analysis showed that high quality InSe single crystals with large surface area were grown from the stoichiometric melt. It was found from the analysis of the XRD spectra that the crystal structures of undoped and boron doped InSe single crystals were hexagonal with a preferred orientation of (004) plane along the c-axis. Five fundamental phonon bands were observed in the Raman spectra of undoped and boron doped InSe single crystals between 50 cm-1 and 450 cm-1 wavenumber. Two of these phonon bands observed between 400-450 cm-1 wavenumber range are characteristic for InSe single crystals. The I-V characteristics of undoped and boron doped InSe single crystals were studied as a function of temperature and it was found that the activation energy decreased with doping concentration. Analysis of optic absorption spectra showed that the exciton peak in boron doped single crystals quenched with doping concentration relative to the undoped InSe single crystal. In addition, it was seen that the intensity of absorption decreased and absorption edge shifted to longer wavelengths as a result of boron doping.  Optic absorption measurements showed that both undoped and boron doped InSe single crystals had direct band gaps and band gaps in boron doped InSe single crystals decreased with increasing boron concentration relative to the band gap of undoped InSe single crystals. Urbach energies were found to increase with doping concentration. The photoluminescence measurements of undoped and boron doped InSe single crystals were conducted between 12-100 K. Four basic emission bands were observed in the photoluminescence spectra of all crystals which were labeled as A, B, C and D. These bands were associated with; the radiative recombination of direct free excitons (n=1), impurity-band transitions, donor-acceptor transitions (D-A) and the structural defect related bands (impurity atoms, defect complexes, impurty-defect complexes etc.), respectively. The intensity of emission band assigned to the free excitons decreased and quenched with increasing boron content. The energies of phonons taking part in the exciton-phonon interaction were calculated to be: hϑ_p= 10.830 meV for undoped InSe, hϑ_p= 8.860 meV for InSe<0.1B>,hϑ_p= 4.170 meV InSe<0.5B> single crystals. The direct band gaps of undoped and boron doped InSe single crystals were determined from the photoluminescence spectra and it was seen that the results were in accordance with the values obtained from the absorption measurements.