ZnO tabanlı seyreltik manyetik yarıiletkenlerin üretimi ve bazı yapısal, optik ve manyetik özelliklerinin incelenmesi
The production and investigation of some structural, optical and magnetic properties of ZnO-based diluted magnetic semiconductors
Yazar: SALİH YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. EMİN BACAKSIZ
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Fotolüminesans = Photoluminescence ; X ışını fotoelektron spektroskopisi = X ray photoelectron spectroscopy ; Yarı iletkenler = Semiconductors

Özet:
Bu çalışmada, Cu, Mn ve Cr katkılı ZnO nano ve mikroçubukların bazı yapısal, optik ve manyetik özellikleri incelendi. ZnO nanoçubuklar buhar fazında taşınım yöntemiyle silisyum altlıklar üzerinde büyütüldü. Cu ve Mn metali bu yapılara, farklı sıcaklık ve sürelerde difüze edildi. Cr katkılı ZnO mikroçubuklar ise kimyasal püskürtme yöntemiyle cam altlıklar üzerinde üretildi. Katkılı ve katkısız ZnO nano-mikroçubukların c eksenli olarak hekzagonal yapıda büyüdükleri tespit edildi. SEM fotoğraflarından, ZnO:Cu ve ZnO:Mn nanoçubukların ~100 nm çap değerine ve 4 µm uzunluklarına sahip oldukları görüldü. Ayrıca artan Cr katkısıyla, ZnO mikroçubukların SEM fotoğraflarında bazı değişiklikler gözlendi. XPS analizleri, Cu, Mn ve Cr katkılarının ZnO örgüsüne sırasıyla +2, +2 ve +3 değerlikli olarak yerleştiğini gösterdi. Fotolüminesans sonuçları, Cu ve Cr katkısının ZnO nano-mikroçubukların görünür bant emisyon şiddetinde artış meydana getirdiğini, Mn katkısının ise nanoçubukların bant emisyon şiddetinde öncelikle artan ve sonra azalan bir davranış sergilediğini ortaya koydu. ZnO mikroçubuklarda, geçirgenlik eğrilerinden elde edilen yasak enerji aralık değerlerinde artan Cr katkısıyla gözüken değişim, 10 K ölçüm sıcaklığında yapılan fotolüminesans ölçümlerinde gözükmedi. Bu durumun nedeni ilk defa ayrıntılı olarak tartışıldı. Oda sıcaklığında alınan manyetik ölçümlerden, katkısız, Cu ve Mn katkılı ZnO nanoçubukların ferromanyetizm sergiledikleri gözlendi. Katkısız ZnO mikroçubuklar diyamanyetik davranış sergilemelerine karşın, Cr katkılı ZnO mikroçubuklarda ferromanyetik davranış görüldü.

Abstract:
In this study, the structural, optical and magnetic properties of Cu, Mn and Cr-doped ZnO nano-microrods were investigated. ZnO nanorods were grown on Si substrates by vapor phase transport method. Cu and Mn metals were diffused into these nanorods at different temperatures and for different times. Cr-doped ZnO microrods were produced on glass substrates by spray pyrolysis technique. Doped and undoped ZnO nano-microrods were seen to grow in the c axis of the wurtzite structure. From SEM images, ZnO:Cu and ZnO:Mn nanorods were observed to have diameters of ~100 nm and lengths of 4 µm. In the SEM images of ZnO microrods, some changes were observed with the increase of Cr doping. XPS analysis showed that Cu, Mn and Cr dopants were substituted into the ZnO matrix in the valence states of +2, +2 and +3, respectively. Photoluminescence results indicated that the incorporation of Cu and Cr led to an increase of green band deep level intensity of the nano-microrods, whereas Mn doping firstly increased and then decreased the green band intensity of nanorods. In the ZnO microrods, band gap values obtained from transmittance curves exhibited a change with the Cr doping. However, this change did not appeared in PL results obtained at 10 K. The reason of this change is discussed for the first time. From magnetic measurements performed at room temperature, the undoped, Cu- and Mn-doped ZnO nanorods were seen to exhibit ferromagnetism. Although undoped ZnO microrods showed diamagnetic behaviour; ferromagnetic character was observed for Cr-doped ZnO ones.