Geçiş ve nadir toprak elementleri katkılı bir boyutlu  ZnO nanoyapılarının kristalografik, morfolojik, optik ve manyetik karakterizasyonu
Crystallographic, morphological, optical and magnetic characterization of transition metal and rare earth elements doped one dimensional  ZnO nanostructures
Yazar: ŞEYDANUR KAYA
Danışman: PROF. DR. ÖZGÜR ÖZTÜRK ; PROF. DR. LÜTFİ ARDA
Kastamonu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bir boyutlu ZnO yarıiletken yapılar nanoçubuk formunda cam altlık üzerine hidrotermal yöntem ile üretildi. Üretilen tüm numunelerin kristal yapıları, elemental dağılımları, morfolojik özellikleri, optik ve manyetik davranışları XRD, SEM, EDX, AFM, UV-Vis spektrofotometresi, fotolüminesans spektrofotometresi ve VSM ile karakterize edildi. Hidrotermal sentez süresi ve sıcaklığı gibi kritik üretim parametrelerinin katkısız ZnO nanoçubuklar üzerine etkisi detaylı bir şekilde incelendi. Farklı sentez sürelerinde (2, 3, 4 ve 5 saat) ve sıcaklıklarında (70, 90, 120, 150 oC) ZnO nanoçubuklar sentezlendi. 70 oC hariç tüm süre ve sıcaklarda ZnO nanoçubuklar başarılı bir şekilde cam altlığa dik olarak büyütüldü. 70 oC sıcaklık değerinin ZnO nanoçubuk sentezi için uygun reaksiyon koşulları oluşturmadığı sonucuna varıldı. Ayrıca sentez süresinin ve sıcaklığının ZnO nanoçubukların hem yapısal hem de optik özellikleri üzerinde kaydadeğer bir etkisi olduğu saptandı. Buradan yola çıkarak üretim parametrelerini değiştirmek suretiyle nanoçubukların çap, uzunluk, şekil gibi morfolojik özelliklerinin yanında geçirgenlik, bant aralığı gibi optik özelliklerinin de ayarlanabileceği görüldü. 90 oC 3 saatte üretilen ZnO nanoçubuklara geçiş metali olarak Fe ve nadir toprak elementi olarak Nd ve Eu katkısı gerçekleştirildi. Katkılama sonucu Zn1-xFexO,  Zn1-xEuxO, Zn1-xNdxO (x= 0,01; 0,03; 0,05 ve 0,07) serileri elde edildi. Elde edilen numunelerin X-ışını kırınım desenlerinde herhangi bir ikincil faza rastlanılmaması tüm katkı elementlerinin başarılı bir şekilde ZnO kristal yapısına yerleştiğini gösterdi. Katkı ile birlikte ZnO nanoçubukların yapısal ve optik özelliklerinde gelişme gözlendi. Katkısız ZnO oda sıcaklığında diamanyetik davranış sergilerken katkı ile birlikte tüm numunelerde oda sıcaklığında ferromanyetizma davranışı elde edilmiştir. Buradan Fe, Nd ve Eu katkılı ZnO nanoçubukların spintronik uygulamalar için uygun birer aday olabileceği sonucuna ulaşılabilir.

Abstract:
Nanorods as one-dimensional ZnO semiconductor structures were produced via hydrothermal method. Crystal structure, elemental distribution, morphological properties, optical and magnetic behavior of all samples were characterized by XRD, SEM, EDX, AFM, UV-Vis spectrophotometer, fluorescence spectrophotometer and VSM. The effects of crucial production parameters such as hydrothermal synthesis time and temperature on the undoped ZnO nanorods were investigated in detail. ZnO nanorods were synthesized at different synthesis times (2, 3, 4 and 5 hours) and temperatures (70, 90, 120, 150 oC). ZnO nanorods were successfully grown perpendicular to the glass substrate. Nevertheless, at the temperature of 70 oC, no crystal growth was observed. It is concluded that the temperature of 70 oC could not provide the appropriate reaction conditions for ZnO nanorod synthesis. In addition, it was found that the synthesis time and temperature has a significant effect on both structural and optical properties of ZnO nanorods. From this point of view, by changing the production parameters, it was seen that the nanorods' morphological properties including diameter, length and shape could be adjusted as well as the optical properties including transmittance and band gap. Fe as transition metal, Nd and Eu as earth elements were doped to ZnO. The samples of Zn1-xFexO, Zn1-xEuxO, Zn1-xNdxO (x= 0,01; 0,03; 0,05 ve 0,07) were obtained. The absence of any secondary phase in X-ray diffraction patterns showed that all the doping elements were successfully incorporated into ZnO crystal structure. An improvement was observed in the structural and optical properties of doped ZnO nanorods. While ZnO exhibited diamagnetic behavior at room temperature, all the doped samples exhibited ferromagnetic behavior. Here, it can be concluded that Fe, Nd and Eu doped ZnO nanorods can be suitable candidates for spintronic applications.