Co katkılı ZnO seyreltik manyetik ince filmlerin sentezi ve fiziksel özellikleri
Synthesis and physical properties of Co doped ZnO diluted magnetic thin films
Yazar: MUSA MUTLU CAN
Danışman: PROF. DR. TEZER FIRAT
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Yapılan çalışma, malzeme sentezi ve sentezlenen malzemelerin fiziksel özelliklerinin araştırılması olmak üzere iki aşamada gerçekleşti. Öncelikle, Zn1-xCoxO (x=0.01 ve 0.10) seyreltik manyetik yarıiletkenler (SMY) toz ve ince filmler halinde sentezlendi. Toz haldeki örneklerin sentezi, mekanik öğütme ve ısıl işlemler ile yapılırken; ince film olarak büyütülmeleri rf magnetron kopartma sistemi ile gerçekleştirildi. Daha sonra; ZnO yarıiletken ince filmlerdeki Co katkı miktarları, öğütme sırasındaki W kirlenme atomları ve noktasal örgü kusurlarının meydana getirdiği fiziksel (optik, elektriksel ve manyetik) etkiler irdelendi.Sentezlenen örneklerdeki yapısal ve moleküler analizler; x-ışını toz kırınım metresi (XRD), enerji dağıtıcı x-ışını spektrometresi (EDS), x-ışını fotoelektron spektrometresi (XPS) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile yapıldı. Optik uyarılmalara bağlı analizler ise fotolümünesans (PL) spektrometresi ile yapıldı. Titreşen örnek magnetometresi (VSM) kullanılarak da sabit manyetik alan altında sıcaklığa bağlı mıknatıslanma ? (T) ve sabit sıcaklık altında manyetik alana karşı mıknatıslanma ? (H) değişimleri belirlendi. Son olarak elektriksel analizler yapıldı. Van der Pauw ölçüm tekniği ve Hall etkisi ölçüm düzeneği kullanılarak kaplanan filmlerin taşıyıcı tipi, taşıyıcı yoğunluğu, mobilite ve direnç değerleri belirlendi. Ayrıca, bu düzenekler kullanılarak manyetik alan altındaki boyuna (magneto direnç) ve enine (hall direnci) direnç değişimleri de ölçüldü.Toz halde sentezlenen Zn1-xCoxO yarıiletkenler, 25 ton kuvvet altında 2inç çapında hedefler haline getirildi ve ince film üretiminde kullanıldı. İnce film büyütme işlemi rf magnetron koparma sistemi ile (100) düzenlenişine sahip silikon (Si) alt taş üzerinde yapıldı. Ev yapımı hedefler yanında, ticari alınan %99.999 saflıktaki ZnO hedefler de kullanıldı. Ticari alınan ZnO hedef ile örgü kusurlarına bağlı fiziksel oluşumlar belirlendi. Filmlerde istenilen kusurları meydana getirmek için, büyütme sırasında oksijen (O2) ve argon (Ar) kısmı basınçları değiştirildi. Daha sonra, oluşan kusurları da değiştirmek üzere farklı atmosferlerde büyütme sonrası ısıl işlemler yapıldı. Büyütme sonrası fırınlama işlemi 3 farklı tipte yapıldı. İlk tip büyütmede, büyütme sonrası fırınlama işlemi yapılmazken, ikinci ve üçüncü tip büyütmelerde fırınlama işlemleri sırası ile 450C sıcaklıkta 1.6x10-5 Torr vakumda ve 1Torr O2 atmosferinde yapıldı. Büyütülen filmlerin (0002) yönelimine sahip ZnO kristal yapısında büyüdüğü ve Co atomlarının ZnO örgü içerisine yerleştiği belirlendi. Üretilen ince filmlerin içerisinde Co kümeleri ve Co oksit bileşiklerinin olmadığı anlaşıldı.İnce filmlerde, alt taştan kaynaklı diamanyetik davranıştaki baskınlık nedeni ile manyetik davranışları hakkında net bir bilgi edinilemedi. Bu sebeple ince filmlerin manyetik davranışı magnetoelektriksel ölçümler ile anlaşıldı. Yapılan ölçümler, W safsızlıkları ve Co katkı atomlarının ZnO filmlerin taşıyıcı yoğunluklarını düşürerek, dirençlerini arttırdığını, yani filmlerin yarıiletkenlik özelliklerini arttırdığını gösterdi. Buna ek olarak da; yarıiletkenlik özelliklerdeki artış, filmlerde yüksek değerlerde magneto direnç ve kutuplanmış spin akışında meydana getirdiği anlaşıldı.

Abstract:
The study was done in two steps as syntheses and understanding the physical properties of Zn1-xCoxO (x=0.01 and 0.10) diluted magnetic semiconductors. Zn1-xCoxO semiconductors were synthesized as particles and thin films. The particles were obtained by the processes of milling the ingredients with pure water in the miller and of annealing. After synthesizing, the particles were pressed under force of 25 tons to form the targets of rf magnetron sputtering system. As a second step, the structural, optical, magnetic and electrical measurements were done to understand the effects of W (tungsten) contaminations, of Co doping and of point defects in the lattice.The structural and molecular analyses were done using x-ray powder diffractometer (XRD), energy dispersed x-ray spectrometer (EDS), x-ray photoelectron spectrometer (XPS), scanning electron microscope (SEM). The optical excitation analyses were done by photoluminescence (PL) spectrometer. Vibrating sample magnetometer (VSM) was used to obtain magnetization vs. temperature curves ? (T) under constant field, and magnetization vs. field curves ? (H) under constant temperature. The last obtained measurements are the magneto electrical measurements. Van der Pauw and Hall effects measurements employing 4 point contacts were used to figure out carrier type, carrier concentrations, mobility and resistivity values of the thin films. In addition, the transversal and the longitudinal magneto electrical measurements were employed to determine anomalous Hall Effect and magneto resistivity of the thin films, respectively.Zn1-xCoxO particles (x=0.0, 0.01 ve 0.10) were formed as pellets (2inç daimeter) under force of 25 tons. These pellets were used as the targets of the rf magnetron sputtering system. The thin film depositions were formed on (100) oriented Si substrates. On the other hand, commercially bought 99.999 % pure ZnO targets were also used to understand the effects of lattice defects on physical conditions. The point defects were formed by changing partial gas flow ratios of oxygen (O2) and argon (Ar) and changing post annealing conditions. While one type of films deposited without post annealing, the other types depositions were done with post annealing under 450C temperature in the atmospheres of 1.6x10-5Torr vacuum and 1Torr O2.The results have shown that the depositions were done through the (0002) direction. It is found that the Co atoms were substituted for Zn atom in ZnO lattice without formation of Co clusters or oxide states of Co atoms.After understanding the structures of powders and thin films, the magnetization measurements were done in between 5?300K temperature under ±2T fields. However, the magnetic characters of thin films were not determined by VSM because of dominancy of diamagnetic signal of substrate. The magnetic characters were investigated by the electrical measurements. The measurements were done in temperature range of 2-300K with 0.1mA current flow at ±5kOe filed for Van der Pauw measurements and in field range of ±90kOe for magneto electrical measurements. It was found that the additional atoms in ZnO lattice have formed better insulating properties due to lower carrier concentration and higher resistivity values. On the other hand, the enhanced positive magnetoresistivity and the existence of polarized spin currents, which was not specific for pure ZnO thin film, were observed in W contaminated and Co doped films.