Seyreltik manyetik yarı iletken malzemelerin sentezlenmesi ve karakterizasyonu
The characterizating and synthesizing of dilute magnetic semiconductor materials
Yazar: BAYRAM YEŞİLBAŞ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. CİHAT BOYRAZ
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Günümüzdeki teknolojik gelişmelere bakıldığında yirminci yüzyılın ikinci yarısı mikro elektronik çağı olarak adlandırılabilir. Bu dönemde elektronik ve bilgi teknolojileri alanlarındaki ileri düzey gelişmelere bağlı olarak, dünya, yaşam kalitesi
ve gereksinimler bakımından köklü bir değişikliğe tanıklık etmiştir. İlk ticari transistörden, masaüstü bilgisayarların mikroişlemcilerine kadar çoğu elektronik aygıtta bilgi ve etki iletiminde elektrik yüklerinin iletkenlik özelliği kullanılmıştır.  Ancak son döneme kadar, mikro-elektronik aygıtların işlevselliklerinin oldukça arttırılmasına rağmen (örneğin aynı çip üzerinde bilgiyi hem işleyip hem depolayabilmek gibi), elektronların spin olarak bilinen karakteristik özelliğine dikkat
edilmemişti. Daha sonraki yıllarda iletkenlik elektronlarının spini de dikkate alınarak yeni elektronik devre elemanlarının tasarımlanması hedeflenmiş ve bu amaçla yapılacak olan yeni tasarımların elektronik devrelerdeki avantajları üzerine araştırmalara başlanmıştır. Yarı iletkenlerde iki düzeyli spin durumlarının enerjileri nerdeyse çakışıktır. Bundan dolayı manyetik-kaydedici olarak kullanılan spin serbestlik derecesi yarı iletken teknolojisinde çok uzun zamandan beri göz ardı edilmiştir. Bununla birlikte, son zamanlardaki yarı iletken teknolojisindeki gelişmelerden dolayı, yarı iletkenlerdeki serbest elektronların spin derecesinin kontrolü ve etkisinin de elektronik devre elemanlarında kullanımı mümkün görülmektedir. Bu durum, yarı iletken teknolojisinde, istenen yoğunluk ve hızdaki bütünleşmiş devrelerin hazırlanmasında karşılaşılan zorlukları giderek azaltmıştır. Bu çalışmalar, nano ölçek boyutuna inildikçe daha önceki teknolojilerde göz ardı edilen taşıyıcı yükleri arasındaki değiş-tokuş (exchange) etkileşmelerini dikkate almamızı gerektirmektedir. Spintronik konusunda yapılan teknolojik ve bilimsel araştırmalar gösteriyor ki, eninde sonunda, yarı iletkenlerdeki spin bağımlı etkileşimleri dikkate alan devre elemanlarıyla çalışmak zorunda kalacağımız kaçınılmazdır.
Yarı iletken-elektronik devre elemanlarının başarısı, yarı iletkendeki elektronların serbestlik derecesinin yükü ile ilintilidir. Günümüz entegre devrelerinde, transistörlerde ve lazerlerde kullanılan Si, Ge ve GaAs gibi yarı iletkenler, spin yönünden tamamen bağımsız olarak enerji taşıyan, manyetik olmayan yarı iletkenlerdir. Tüm bunların aksine, manyetik yarı iletkenler, hem manyetik materyallerin ve hem de yarı iletkenlerin özelliklerine sahiptirler. Son yıllarda en çok gelecek vaat eden DMS adaylarından olan geçiş metali katkılı ZnO olarak bilinmektedir. Hem teorik ve hem de deneysel alanlarda pek çok ilham verici sonuçları olmasına rağmen, daha fazla çözülmesi gereken birçok fiziksel özelliği bulunmaktadır. Bu çalışmada, Zn0.95Fe0.05O çözeltileri sol-jel metoduyla hazırlandı. Zn0.95Fe0.05O nanoparçacıkları çeşitli sıcaklıklarda (400, 450, 500, 550 ve 600 C) tavlandı. Tavlama sıcaklıklarının yapısal ve manyetik özellikler üzerine etkileri tesis edildi. X-ışını kırınımı (XRD) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak parçacık büyüklüğü ve kristal yapısı karakterize edildi.  Nanoparçacıkların manyetik özellikleri Quantum dizayn PPMS ölçüm sistemi ile incelendi. Titreşimli örnek manyetometresi (VSM) ile nanoparçacıkların sıcaklık ve manyetik alan bağımlı mıknatıslanmaları ölçüldü. Sıcaklığın fonksiyonu olarak sıfır manyetik alanda soğutma (ZFC) ve alanda soğutma (FC) ölçümleri yapıldı. Yapı, parçacık büyüklüğü, parçacık morfolojisi ve nanoparçacıkların manyetik özellikleri farklı katkı oranlarında ve tavlama sıcaklık çalışmalarıyla sunulmuştur.

Abstract:
When observed the recently technological developments, the second half of the 20th century is called microelectronic era. In this period, depending on advance developments in the areas of electronic and information technologies, important positive variations on quality of life have been gained. In many electronic devices from computers to microprocessors the conducting property of electrons is used bu until recently, despite rather to increase their functionality,( such as processing and storing the information on the same chip) the characteristic spin properties of electrons have not been focused. Recently, taking into consideration the electron spin conductivity, the design of new electronic devices has been targeted and with this aim, the new researches have been done to reveal the advantages of new designs on circuits. In semiconductors the energy of two-level spin conditions are almost coincide therefore the spin degree of freedom has been ignored since a very long time in magnetic-recorders. However, recently due to the improvements in semiconductor technologies, the control of degrees of freedom of free electrons and its effects show possibility to use in electronic circuit elements. Thus in semiconductor technology, the difficulities on producing new generation circuits will be easier. Theses studies urge us taking into account exchange interactions among carying charges in nanoscale. The scientific and technological studies on spintronics show that, in the future,  we will need to work with semiconductor circuit elements working with spin depended interactions. The succes of semiconductor electronic circuit elements is correlated to electrons' the degrees of fredom. The semiconductors such as Si, Ge and GaAs which are used in today's integrated circuits, transistors and lasers are nonmagnetic and carries the energy as spin independed.  All by contrast, magnetic semiconductors posses the properties both, magnetic materials and semiconductors. Recently one of the most important DMSs candidate is known as doped ZnO. Although both theoretical and eXperimental results are inspiring on doped ZnO, more needs to be solved in physical properties.  In this study, Zn0.95Fe0.05O solutions were prepared by sol-gel method. Zn0.95Fe0.05O nanoparticles were annealed under varying temperature ((400, 450, 500, 550, and 600 C) conditions and times. The effects of the annealing temperature on structural and magnetic properties have been established. The particle size, crystal structure, and particle morphology were characterized by X-ray diffraction and Scanning Electron Microscope. Magnetic properties of nanoparticles were investigated by Quantum design PPMS measurement system.  The temperature and applied field dependences of magnetization of nanoperticles and thin films were recorded by using a Vibrating Sample Magnetometer (VSM). Zero-field cooling (ZFC) and field-cooling (FC) conditions for magnetization as a function of temperature were performed at magnetic field of 0.5 kOe. The structure, particle size, particle morphology, and magnetic properties of nanoparticles with different doping ratio, temperature and time of annealing process are presented.