Nanoyapılı ince film örneklerin, geçirmeli ve yüzey taramalı X-ışını saçılma yöntemleri (SAXS-GISAXS) ile incelenmesi
Structural investigation of nanostructured thin film samples by using transmitted and grazing incident (SAXS-GISAXS) X-ray scattering methods
Yazar: BEGÜM ÇINAR BAM
Danışman: PROF. DR. SEMRA İDE
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Koherent saçılma = Coherent scattering ; Nano yapı = Nano structure ; X ışını = X ray ; İnce filmler = Thin films

Özet:
Bu tez kapsamında, kristal, amorf ve polimer yapılı ince film yapıların analizinde üç boyutlu yapısal bilgilere ulaşabileceğimiz SAXS (Small Angle X-ray Scattering) ve GISAXS (Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering) yöntemleri kullanılmıştır. Tez kapsamında yapılan GISAXS ölçümleri, Anton Paar firması Ar-Ge laboratuvarında üretilmiş, sinkrotron ışın akısına çok yakın akıya sahip X-Işını kaynağı olan modern laboratuvar tipi GISAXS sistemi ile yapılmıştır. Böylece, ince film yapılar SAXS yöntemi ile sadece X-Işını geçirme modunda incelenmemiş aynı zamanda GISAXS yöntemi ile yüzeyleri taranarak ve yüzey derinliğine inilerek de ayrıntılı ve daha gerçekçi analizler yapılabilmiştir. Bu analizlerde Hacettepe Üniversitesi ve Gazi Üniversitesi'nde, ince film konusunda uzman bilim insanları tarafından hazırlanan tek ve çok katmanlı ince filmler analiz edilmiştir. Böylece hazırlanan örneklerin ileri sevide yapılacak analizleri ve teknolojik kazanımları için uygun olup olmadıkları belirlenmiştir.
Tez kapsamında, üç farklı grup ince film üzerinde çalışılmıştır. İlk grupta, magnetron kopartma tekniği ile hazırlanan Ge nanoparçacık gömülü ZnO ince film örnekler, hızlı ısıl tavlama (RTA) işlemi görmüş ve ısıl işlem görmemiş (Asmade) örnekler olmak üzere iki grupta incelendi. Her iki gruba ait ince filmler üzerinde farklı O2 basıncının (1, 3, 5 mTorr) etkisi incelendi. Özellikle artan basınç, 1 mTorr'da dikdörtgen prizma morfolojisine, 3 mTorr'da silindirik ve 5 mTorr'da daha kompakt küresel oluşumlara işaret ettiği görüldü. Böylelikle, morfoloji kontrollü nano ölçekli büyüme, oksit matrisleri için O2 kısmi basıncının değiştirilmesi ile başarılabilir.
İkinci grupta ise, plazma destekli kimyasal buhar biriktirme sisteminde (PECVD) farklı oranlarda (%99, %95 ve %90) hidrojen ile seyreltilerek hazırlanan "hidrojenlendirilmiş nano kristal silisyum" (nc-SiOx:H; x<1) ince film örnekler incelenmiştir. %90 hidrojen seyreltme oranına sahip K23 ve K28 kodlu örneklerin oldukça üniform dağılımlı, çekirdek-kabuk yapılara sahip olduğu görülürken, % 95 hidrojen seyreltme oranına sahip K15 kodlu ince filmin nano ölçekli fraktal oluşumlara sahip oldukları görülmüştür. Benzer nano oluşumlar CKSiOx8 kodlu hidrojenlendirilmiş amorf silisyum altoksit ince filmde de görülmüştür. Farklı kodlarla ifade edilen ince film örneklere ait fiziksel parametreler tez kapsamında ayrıca verilmektedir. Bu örneklerin nano oluşum morfolojilerinin, hidrojenlendirilmiş ortama bağlı olarak kontrol altına alınabileceği belirlenmiştir.
Üçüncü gruba ait ince filmler ise altın nano kristal ince film ve Parilen-C (PPX) ince filmlerdir. Üstün elektriksel kararlılıkları ve yalıtkanlık özellikleri ile ticari öneme sahip olan Parilen-C ince filmler, geleneksel buhar biriktirme ve eğik açılı buhar biriktirme yöntemleri kullanıldığında farklı nano oluşumlara ve yapısal özelliklere sahip oldukları belirlenmiştir. Değişken yarıçaplı küre-kabuk morfolojisinde fraktal oluşumlar sergileyen bu tek katmanlı filmlerin farklı alttaşlar üzerine buhar biriktirme yöntemi ile üretilmeleri sonucunda, özellikle 3D nano oluşum fraktal kümelenmelerinde morfoloji ve dağılımlarda farklılıklar belirlenmiştir. Eğik açı biriktirme yöntemi ile elde edilen altın nano kristal ince filmlerin yönelime bağlı büyüme doğrultuları da ayrıca belirlenmiştir. 
Yapılan tez çalışması sonucunda, odaklanılan ince filmlerin içerdiği nano oluşum morfolojileri, boyutları, uzaklık dağılımları, üç boyutlu en olası şekillenimleri, farklı morfolojilere ait ayrıntılı yapısal parametreleri, elektron yoğunluk bilgilerini de içerecek şekilde elde edilmiştir.
Aynı ince film örneklerin yapıları SAXS ve GISAXS yöntemleri ile incelendiğinde, ulaşılan yapısal bilgilerin GISAXS analizlerinde çok daha hassas ve doğru oldukları görülmüştür. Böylece, yüksek akılı X-Işını kaynaklarının bu tür analizlerde mutlaka kullanılması gerekliliği de ayrıca sınanmıştır. 


Anahtar Kelimeler: SAXS, GISAXS, ince film, kristal, amorf, yarı iletken

Abstract:
In this thesis, SAXS (Small Angle X-ray Scattering) and GISAXS (Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering) methods were used to analyze 3D nano scale structures of the crystalline, amorphous and polymer thin films. A high flux modern laboratory type GISAXS system which was produced in Anton Paar's R&D laboratory was utilized for the GISAXS measurements. Thus, the thin film structures were not only examined in the X-ray transmission mode by the SAXS method but also the detailed and more realistic analyzes were carried out by scanning the surfaces and descending to the surface depth with GISAXS method. In these researches, several single and multilayer thin films fabricated by expert scientists at Hacettepe University and Gazi University have been analyzed. Therefore, in this thesis study, power of X-ray scattering techniques, namely SAXS and GISAXS, for providing detailed structral information from nanostructured thin films have been investigateed in three structrally distinct sample sets.
In the first group, Ge nanoparticles embedded multilayered ZnO thin film samples prepared by sequential magnetron sputter technique were investigated in two groups as Rapid Thermal Annealed (RTA) and untreated (Asmade) samples. The effect of different O2 partial pressures (1, 3 and 5 mTorr) utilized during ZnO growth were investigated. It has been realized that especially, increasing pressure induces orthogonal like prismatic morphology at 1mTorr, cylindrical at 3mTorr and more compact spherical formation at 5 mTorr. Such that, it has been understood that, pronounced morphology control at nano scale can be achieved by changing the O2 partial pressure for the oxide matrices. 
In the second group, "hydrogenated nanocrystalline silicon suboxide" (nc-SiOx: H; x <1) thin film samples prepared by hydrogen dilution at different ratios (99%, 95%, 90%) in plasma enhanced chemical vapor deposition system (PECVD) were investigated. It has been found that K23 and K28 coded samples with a 90% hydrogen dilution ratio have highly uniform distribution of core-shell nano aggregations while K15 coded thin film with a 95% hydrogen dilution ratio has nano-scale fractal formations. The similar nano formations have been also seen in the hydrogenated amorphous silicon suboxide multilayer CKSiOx8 coded thin film. The physical parameters of the second group samples expressed in different codes were also given in the scope of the thesis.  As a result of the study for this group it may be said that morphologies, sizes and distributions of the nano aggregations can be taken under control by the hydrogenation.
Thin films of the third group were gold nanocrystall and Parylene-C (PPX) thin films. It was obtained that Parylene-C films, which have superior electrical stability and insulating properties and commercial preservation, have different nanoformations and structural morphologies at the end of the applied conventional vapor deposition and oblique angle vapor deposition methods. Differences in the morphology and distribution of 3D nano-forming fractal clusters have been identified as a result of the vapor deposition method on different substrate of these single-layer films exhibiting fractal formations in poly core shell morphology with variable radius. Directionally oriented growth directions of gold nanocrystalline thin films obtained by oblique angle deposition method were also determined.
As a result of the present study, morphologies, physical dimensions, sizes, distance distributions, the most possible (ab-inito) 3D formations of the nano aggregations have been acquired in electron density level. 
As a general result of the study, it has been clearly understood the obtained nano structural information is much more precise and accurate in GISAXS analysis with respect to that of SAXS analyses. So, it should be noted that high flux X-ray sources must be used for the nanostructral investigations of thin films.


Keywords: SAXS, GISAXS, thin film, crystal, amorphous, semiconductor.