Selenyum bileşikli bazı yarıiletkenlerin çizgisel olmayan optik özellikleri
Nonlinear optical properties of some semiconductors with selenium compounds
Yazar: MUSTAFA YÜKSEK
Danışman: PROF. DR. AYHAN ELMALI
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında tabakalı III-VI yarıiletken ailesinden dar yasak enerji aralıklı indiyum selenid (InSe = 1.3 eV) ve geniş yasak enerji aralıklı galyum selenid (GaSe = 2.1 eV) kristallerinin çizgisel olmayan soğurma özellikleri açık yarık Z-tarama deney yöntemi kullanılarak incelendi ve karşılaştırıldı. Daha sonra GaSe kristalleri % 0.01 oranında germanyum (Ge) ve % 0.5 oranında kalay (Sn) katkılandırıldı ve katkılandırmanın çizgisel olmayan soğurma tepkisi üzerindeki etkisi araştırıldı. Bu tez çalışmasında 20 ile 104 nm aralığında farklı kalınlıklarda InSe, GaSe, GaSe:Ge ve GaSe:Sn yarıiletkenlerinin ince filmleri ısısal buharlaştırma yöntemiyle büyütülerek çizgisel olmayan soğurma özellikleri araştırıldı. Ayrıca, çizgisel olmayan soğurma davranışının bağlı olduğu, elektronların uyarılmış durumda kalma süreleri ultra hızlı spektroskopi (pump-probe) yöntemiyle belirlendi.Yukarıda bahsedilen yarıiletkenlerin çizgisel olmayan soğurma özellikleri farklı atma sürelerine (4 ns, 65 ps ve 44 fs) sahip üç lazer kaynağı kullanılarak Z-tarama deney yöntemiyle incelendi. Külçe (bulk) yapıdaki InSe ve GaSe kristalleri çizgisel olmayan soğurma göstermektedirler. Bununla beraber % 0.01 Ge ve % 0.5 Sn katkılı GaSe kristalleri düşük şiddetlerde doyurulabilir soğurma gösterirken daha yüksek şiddetlerde çizgisel olmayan soğurma baskın olmaktadır. Literatürde bu durum ilk kez gözlendi. Amorf halinde büyütülen filmlerden ince olanlar (20 ? 55nm), yasak enerji aralığındaki kusur ve katkı seviyeleri az olduğundan dolayı doyurulabilir soğurma, daha kalın (65 ? 104) olanlar ise kalınlığa bağlı olarak kusur seviyelerinin artmasıyla çizgisel olmayan soğurma göstermektedirler. Bununla beraber filmlerin kalınlığının azaltılmasıyla doyum eşik şiddetlerinin düşürülebildiği gözlendi. Bu sonuçlar, amorf ince filmlerde kalınlık ve katkı oranının değiştirilmesiyle ince filmlerin doyum eşik şiddetlerinin kontrol edilebileceğini göstermektedir. Örneğin en düşük doyum eşik şiddeti nanosaniye lazer kaynağıyla incelenen 20 nm kalınlığındaki InSe ince filmi için 3x10-3 GW/cm2 olarak bulundu. Bu değer literatürde daha önce bulunmuş en düşük doyum eşik şiddetinden yaklaşık olarak 75 kat daha düşüktür. Elektronların uyarılmış durumda kalma sürelerini belirlemek için yapılan ultra hızlı spektroskopi deneylerinden, en yavaş bileşen yaklaşık 10 ns'dir ve bu elektronların tuzağa yakalanıp daha sonra deşiklerle birleşme işlemlerine dayanır.Anahtar Kelimeler: Çizgisel olmayan soğurma, doyurulabilir soğurma, InSe, GaSe kristalleri, amorf ince film, Z-tarama, ultra hızlı spektroskopi

Abstract:
In the study of this thesis, nonlinear absorption properties of indium selenide (InSe = 1.3 eV) and gallium selenide (GaSe = 2.1 eV) crystals which have narrow and wide band gaps respectively have been investigated and compared by using open aperture Z-scan experimental technique. Afterward, GaSe crystals have been doped with % 0.01 germanium (Ge) and % 0.5 tin (Sn) and the effect of doping concentration on the nonlinear absorption have been investigated. In the study of this thesis, InSe, GaSe, GaSe:Ge and GaSe:Sn semiconductor thin films with thicknesses between 20 and 104 nm have been deposited by using thermal evaporation method and the nonlinear absorption properties of these films have been investigated. Besides, the lifetime of excited electrons which effect nonlinear absorption behavior was determined by using ultrafast spectroscopy (pump-probe) technique.Nonlinear absorption properties of studied semiconductors were investigated with Z-scan experiment technique by using three laser sources with different pulse durations (4 ns, 65 ps and 44fs). Bulk InSe and GaSe crystals show nonlinear absorption. However, % 0.01 Ge and % 0.5 Sn doped GaSe crystals were showed saturable absorption at low input intensities. On the other hand, the nonlinear absorption become dominant at higher input intensities. This behavior was observed for the first time in the literature. Amorphous thin films at various thicknesses were deposited on glass substrates. The thin films (20 ? 55 nm) showed saturable absorption due to low number of defects and doping states in the band gap, on the other hand thicker films (65 ? 104 nm) showed nonlinear absorption because of increased defect and doping states in the band gap. It was observed that saturation threshold can be lowered by decreasing the thicknesses of the films. These results showed that saturation threshold of amorphous thin films can be controlled by altering defect and doping concentrations. For instance, the lowest saturation threshold was found about 3x10-3 GW/cm2 for 20 nm film thickness with nanosecond pulse duration. This value is about 75 time lower than the lowest value studied in the literature. Ultrafast spectroscopy experiments was performed to determine the life times of excited electrons. It was observed that the slowest component is about 10 ns and this is attributed to slow trapping and recombination processes.Key Words: Nonlinear absorption, saturable absorption, InSe, GaSe crystals, amorphous thin films, Z-scan experiment, ultrafast spectroscopy (pump-probe) experiment