Investigation of paramagnetic atom doped layered and nanostructured TlMX2 (M=Ga, In; X=Se, S) magnetic semiconductors
Paramanyetik atom katkılandırılmış katmanlı nanoyapılı TlMX2 (M=Ga, In; X=Se, S) manyetik yarıiletkenlerin incelenmesi
Yazar: SERDAR GÖKÇE
Danışman: PROF. DR. FAİK MİKAİLZADE
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Antiferromanyetizma = Antiferromagnetism ; EPR = EPR ; Manyetik seyreltik sistemler = Magnetic dilute systems

Özet:
Geçiş metal iyonların manyetik olmayan yarıiletkenlere katkılanmasıyla oluşturulan seyreltik manyetik yarıiletkenlerde (SMY) manyetik ve yarıiletken özelliklerin her ikisi birden bulunmaktadır. Bu tür malzemelerde elektronun yük ve spini kullanıldığı için spintronik cihaz uygulamalarda yüksek potansiyele sahiptir. Bu alanda temel zorluklardan biri oda sıcaklığı veya üzerinde Curie sıcaklığı olan malzemelerin geliştirilmesidir. Bu tez çalışmasında seyreltik oranlarda Fe atomu katkılı katmanlı ve nanoyapılı TlMX2 (M=Ga, In; X=Se, S) manyetik yarıiletken kristallerin yapısal ve manyetik özellikleri incelenmiştir. İki farklı oranda Fe3+ geçiş metali katkılı TlGaSe2 ve TlInS2 kristalleri Bridgman-Stockbarger metodu ile hazırlanmıştır. Bu bileşiklerin kristal yapısını doğrulamak ve incelemek için enerji dağılımlı X-ışını (EDX) ve X-ışını kırınım analizleri gerçekleştirildi. Fe3+ merkezleri çevresindeki yerel simetri ve kristal alan parametreleri elektron paramanyetik rezonans (EPR) tekniği ve matlab tabanlı EasySpin yazılımı kullanarak hesaplandı. Numunelerin sıcaklığa bağlı manyetik duygunlukları χ(T) ve manyetik alana bağlı mıknatıslanma M(H) ölçümleri titreşimli numune manyetometresi (VSM) tekniğiyle gerçekleştirildi. Fe3+ katkılı TlGaSe2 numunelerin mıknatıslanma ölçümlerinde gözlemlenen pozitif Curie sıcaklığı, histerezis döngü ve antiferromanyetik karakteristikli duygunluk eğrileri; zayıf ferromanyetikle birleşmiş antiferromanyetik düzenin varlığına işaret etmektedir. Fe3+ katkılı TlInS2 numunelerin manyetik alana bağlı mıknatıslanma ölçümlerinde gözlemlenen küçük histerezis döngüleri ferromanyetik-benzeri davranışı göstermektedir. Sonuç olarak, bu tez kapsamında sentezlenen Fe3+ iyonları katkılı katman yapılı TlGaSe2 ve TlInS2 bileşikler içerisinde barındırdığı manyetik ve yarıiletken özellikler sayesinde spintronik uygulamalarda umut verici bir bileşik olarak önerilebilir.

Abstract:
Diluted magnetic semiconductor (DMS), where transition metals are doped into non-magnetic semiconductors, have both magnetic and semiconducting properties. These materials have huge potential application in spintronics due to exploiting spin and charge of electron. One of the main challenges in this field is the development of materials with Curie temperature at or above room temperature. In this study of thesis, the structural and magnetic properties of Fe diluted layered and nanostructured TlMX2 (M=Ga, In; X=Se, S) magnetic semiconductors have been investigated. TlGaSe2 ve TlInS2 doped with Fe3+ in two different ratios were prepared by Bridgman-Stockbarger method. To confirm and examine the crystal structure of these compounds X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive X-ray (EDX) analysis were performed. The local symmetry around Fe3+ centers and crystal field parameters were calculated using electron paramanyetic resonance (EPR) technique and matlab-based Easyspin software. The temperature dependence of magnetic susceptibility χ(T) and magnetic field dependence magnetization M(H) measurements were performed by vibrating sample magnetometry (VSM). The positive value of the Curie temperature, hysteresis loops and antiferromagnetic characteristic of susceptibility curves observed in magnetization measuremet of Fe3+ doped TlGaSe2 crystals indicates the existence of combined antiferromagnetic and weak ferromagnetic order. The small hysteresis loops observed in magnetic field dependent magnetization measurement of Fe3+ doped TlInS2 crystals show ferromagnetic-like behaviour. As a result, Fe3+ ions doped layered and nanostructured  TlGaSe2 ve TlInS2 compounds synthesized within the scope of this thesis can be proposed as a promising diluted magnetic semiconductor in spintronic applications.