Elmas benzeri karbon ince filmlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of diamond-like carbon thin films
Yazar: TANER ZERRİN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ÖZLEM DUYAR COŞKUN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Elmas benzeri karbon (DLC) ince filmler, reaktif DC magnetron kopartma tekniği kullanılarak cam alttaşlar üzerinde büyütülmüştür. Optik ve bağ özellikleri arasındaki ilişkinin incelenmesi için filmlerin optik, yapısal ve yüzey karakterizasyonları yapılmıştır. Bu amaç doğrultusunda alttaş sıcaklığı (Ts), argon basıncı (PAr), reaktif gaz olarak hidrojen kısmi basıncının toplam gaz basıncına oranı PH2/(PAr+PH2) ve negatif alttaş besleme gerilimi (Vnb) gibi büyütme parametrelerinin değiştirilmesinin, DLC filmlerin özellikleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. 
Cauchy Soğurucu Modeli, Üçlü Harmonik Osilatör Modeli, Tauc-Lorentz Modeli ve Forouhi-Bloomer Modeli olmak üzere, dört ayrı optik model kullanılarak filmlerin optik geçirgenlik ve yansıtma ölçümlerine eş zamanlı uyuşum işlemleri uygulanmış, uyuşum işlemleri sonucunda filmlerin dalga boyuna bağlı optik sabitleri ve film kalınlıkları elde edilmiştir.
Farklı çalışma basınçlarında hazırlanan filmlerin sp2/sp3 oranlarının belirlenebilmesi için XPS tekniği ile filmlerin bağ yapıları incelenmiştir. DLC filmlerin optik aralıkları (Tauc aralığı), amorf karbondaki sp2 kümelerinin yönelim ve büyüklüğü ile ilgili olan sp2/sp3 oranından etkilenmektedir. Film içindeki büyük ve düzenli kümeler, Tauc aralığını daraltarak, filmin elmas benzeri özelliklerini azaltır. Çalışma basıncının artırılması ile filmlerin sp2/sp3 oranı küçülmüş, böylece Tauc aralıkları genişlemiştir. Çalışma basıncının 50 mTorr 'a yükseltilmesi ile elmas benzeri optik özellikleri yüksek olan filmler elde edilmiştir. Buna karşın, çalışma basıncı 2 mTorr gibi nispeten daha düşük olan filmlerde ise, grafit benzeri optik özellikler baskın hale gelmiştir. 
Oda sıcaklığında hazırlanan DLC filmler, ısıtılan alttaşlar üzerinde büyütülen filmlere göre,  daha fazla elmas benzeri özellikler göstermektedir. Alttaş sıcaklığının 100 °C 'nin üzerine yükseltilmesi ile film yapısında grafitleşme başlamış, alttaş sıcaklığı 200 °C ve üzerine yükseltildiğinde ise, büyük grafitik bölgelerinin oluşumu ile filmlerin Tauc oldukça daralmıştır.
Film içindeki hidrojen miktarı, filmlerin optik aralığını ve elmas benzeri özelliklerini etkileyen önemli bir faktördür. Film yapısına katılan hidrojen, sp2 bölgelerine bağlanarak yapıdaki sp3 bağ sayısını artırır. Hidrojen kısmi basınç yüzdesinin kritik bir değeri (% 2) için, elmas benzeri özelliklerin iyileştiği görülmüştür. Hidrojen kısmi basınç yüzdesinin % 2' den farklı değerleri için, filmlerin optik bant aralığı daralmış ve elmas benzeri özellikleri zayıflamıştır.
Negatif alttaş besleme geriliminin değiştirilmesi ile, alttaş yüzeyine ulaşan atom/iyonların enerjisi kontrol edilmiştir. Vnb' nin kritik bir değerinde elmas benzeri özelliklerin iyileştiği gözlenmiştir. Negatif besleme geriliminin 40 V 'a artırılması ile, sp3 bağ sayısı artan filmin, genişleyen Tauc aralığı ile elmas benzeri özellikleri iyileşmiştir. Vnb 'nin 75 V' a artırılması, küme büyüklüğünün artmasına ve Tauc aralığının daralmasına, yani yapı içerisindeki elmas benzeri yapıların azalmasına neden olmuştur.
Tez kapsamında film büyütme parametrelerinin kontrol edilmesi ile, Tauc aralıkları 0.80-2.22 eV aralığında, kırma indisi değerleri ise 1.56-2.40 aralığında değişen amorf karbon filmler hazırlanmıştır.
Büyütme parametrelerinin değiştirilmesi ile amorf karbon filmlerin optik ve yapısal özellikleri modifiye edilebilmektedir. Geniş çaplı ayarlanabilir optik özellikleri ile DLC filmler, çeşitli optik uygulamalarda kullanılmaya aday bir malzeme olarak dikkat çekmektedir.

Abstract:
Diamond like carbon (DLC) thin films were deposited on glass substrates using reactive DC magnetron sputtering technique. The optical, structural and surface characterization of the films were performed to investigate the relationship between optical and bonding properties. In line with the objective, the effects of different deposition parameters such as substrate temperature (Ts), argon pressure (PAr), the ratio of hydrogen partial pressure to the total gas pressure PH2/(PH2+PAr), and negative substrate bias voltage (Vnb) on the properties of DLC films were studied in detail. The wavelength dependancy of optical constants and thickness of the films were obtained by the simultaneous fitting of the optical transmission and reflection spectra using four different optical models, namely Cauchy Absorbent Model, Three Harmonic Oscillator Model, Tauc-Lorentz Model, and Forouhi-Bloomer Model. 
sp2/sp3 ratio of the films prepared at different working pressures were analyzed using XPS to investigate their bonding properties. Optical gap (Tauc gap) of DLC films are mainly affected with the sp2/sp3 ratio which is related with the orientation and size of the sp2 clusters in amorphous carbon network. Cluster size gets small as the gap gets wider. With increasing working pressure, sp2/sp3 ratio of the films decreases, so Tauc gaps of the films becomes wider. Films with diamond-like optical properties were obtained as the working pressure is increased up to 50 mTorr. In contrast, graphite-like optical properties became evident when the working pressure is relatively low such as 2 mTorr. Films prepared at room temperature exhibit improved diamond-like properties when compared to the films prepared on heated substrates. With the increase of substrate temperature above 100 °C graphitization starts in the film structure, and when it is further increased to 200 °C  Tauc gap becomes narrow due to the formation of large graphitic domains in the structure.
Hydrogen also plays an important role in the film structure, affecting the optical gap and diamond-like properties. Hydrogen content in the film saturates the sp2 bonds, so sp3 bonding is promoted. The best diamond-like features were obtained for the film prepared at a critical value (% 2) of the percentage of hydrogen partial pressure. When the percentage of hydrogen partial pressure is either lower or higher than this critical value, the optical gaps became narrow and the films had degraded diamond-like properties. Energy of atom/ions reaching to the substrate is controlled by changing the negative substrate bias voltage and films possess good diamond-like properties for a critical value of Vnb. With the increase of negative bias voltage up to 40 V, sp3 bonding is promoted and diamond-like character of the film is increased with a wider Tauc gap. With further increasing the negative bias voltage upto 75 V, Tauc gap of the film decreased with increased cluster size which is the evidence of the deterioration of diamond-like phases in amorphous network.
The films were deposited with Tauc gaps varying in the range of 0.80-2.22 eV and a refractive index value at 550 nm in the range of 1.56-2.40 by controlling the deposition parameters.
It is possible to modify the optical and structural properties of amorphous carbon films by varying the deposition parameters. It seems that DLC films would be a good candidate for a variety of optical applications.