Geçiş metalleri katkılı zno'nun elektronik özellikleri
Electronic properties of zno doped with transition metals
Yazar: HÜSEYİN CENGİZ ÇEKİL
Danışman: PROF. DR. METİN ÖZDEMİR
Çukurova Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Çinko oksit = Zinc oxide

Özet:
İletken saydam oksitler, güneş pillerinin ve büyük boyutlu ekranların üretilmesinde kullanılabilecek potansiyel malzemelerdendir. Bu kategorideki ZnO, görünür bölgede saydam olması, yasak enerji aralığının katkılama ile değiştirilebilmesi gibi özellikleri nedeniyle son yıllarda değişik açılardan çok çalışılan bir malzeme olmuştur. Ayrıca ZnO katkılanarak manyetik özellikleri değiştirilebilen bir malzeme olduğundan spintronik uygulamalarında kullanılabilir bir malzeme olmasından dolayı çok ilgi çekmektedir. Bu çalışmada ZnO'nun geçiş metalleri (Cu, Fe, Ni, Co, Mn) ile katkılanması sonucu yasak enerji aralığında, örgü parametrelerinde ve elektron ve boşluk etkin kütlelerinde meydana gelen değişiklikler incelenmiştir. Katkılama oranları deneysel çalışmalarda olduğu gibi düşük tutulmuştur (%1-%10). Yasak enerji aralığında oluşan değişimler Yerel Yoğunluk Yaklaşımı çerçevesinde Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisini kullanan açık kaynak kodlu ABINIT programı ile hesaplanmıştır. Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi yasak enerji aralıklarını hesaplamada yetersiz kaldığı bilinmektedir. Burada önemli olan değişimin hangi yönde olduğunu belirlemek olduğundan, yasak enerji aralığının mutlak değerinden ziyade katkılama ile oluşan değişimi üzerinde durulmuştur. Yukarıda anılan geçiş metalleri ile katkılandığında genel olarak katkılama oranı arttıkça ZnO'nun yasak enerji aralığının azaldığı gözlenmektedir. Etkin kütlenin değeri elde edilen enerji bant yapısı kullanılarak hem elektronlar hem de deşikler için hesaplanmıştır. Etkin kütlelerin değeri ters örgü uzayında seçilen belirli yönlerde hesaplanmıştır. Etkin kütlelerin de genel olarak katkılama oranı ve katkılama malzemesine göre değiştiği gözlenmiştir. Geçiş metalleri ile katkılama sonucu Ni hariç diğerlerinde a parametresi artmış, c parametresinde ise azalma ve artışlar görülmüştür.

Abstract:
Transparent conduction oxides are potential materials that can be used in invisible electronics circuits, solar cells and large area displays. ZnO, a transparent material in the visible range of the spectrum whose band gap can be engineered by doping, falls in this category and is studied intensively in recent years from different perspectives.Moreover, since the magnetic properties of ZnO can be modified by doping, it attracts a great deal of interest for   spin polarized current production and for applications in spintronics. In this study, the variation of band gap, lattice constants and the effective mass of electrons and holes in doped ZnO with transition metals (Cu, Fe, Ni, Co, Mn) are studied. Doping ratios (1\%-10\%) are kept at low values just like in experiments. The variations in the band gap are determined by ABINIT package (an open source code program) which uses Density Functional Theory in the frame work of Local Density Approximation. It is known that Density Functional Theory is not capable of predicting the band gaps correctly and its reasons are well known. Since the purpose here is to determine the direction of variation of band gap, we have concentrated on the variation of band gap by doping rather than on its absolute value. When doped with the transition metals mentioned above, it is observed that the band gap is decreased with the increase of doping ratio. Using the band structure, the effective masses of both electrons and holes are calculated. These are calculated along specific directions in the reciprocal lattice. It is observed that the effective masses also changes with doping ratio and with the material used for doping. When doped with transition metals, the lattice constant a increased (except for Ni) and lattice constant c increased and/or decreased depending on the ratio of doping and the material used in doping.