cu.edu.tr - ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ...ZnO oda sıcaklığında 3.3 eV’luk...

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

YÜKSEK LİSANS TEZİ

Deniz Kadir TAKCI

PFCVAD (ATMALI FİLTRELİ KATODİK VAKUM ARK DEPOLAMA) SİSTEMİYLE ZnO:Al BİLEŞİKLERİNİN ÜRETİLMESİ VE KAREKTERİZASYONU

FİZİK ANABİLİM DALI

ADANA, 2011


PFCVAD (ATMALI FİLTRELİ KATODİK VAKUM ARK DEPOLAMA)

SİSTEMİYLE ZnO:Al BİLEŞİKLERİNİN ÜRETİLMESİ VE KAREKTERİZASYONU

Deniz Kadir TAKCI


FİZİK ANABİLİMDALI Bu Tez / /2011 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu ile Kabul Edilmiştir. ……………….................... ………………………….. ……................................ Yrd. Doç. Dr. Şadi YILMAZ Prof. Dr. Ramazan ESEN Prof. Dr. Birgül YAZICI DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu Tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No:

Prof. Dr. İlhami YEĞİNGİL Enstitü Müdürü

Bu Çalışma Ç.Ü. Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir. Proje No: FEF-2010YL34 Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge ve fotoğrafların

kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

I

ÖZ


PFCVAD (ATMALI FİLTRELİ KATODİK VAKUM ARK DEPOLAMA) SİSTEMİYLE ZnO:Al BİLEŞİKLERİNİN ÜRETİLMESİ VE

KAREKTERİZASYONU

Deniz Kadir TAKCI


FİZİK ANABİLİM DALI

Danışman : Yrd. Doç. Dr. Şadi YILMAZ Yıl: 2011, Sayfa: 107 Jüri : Prof. Dr. Ramazan ESEN : Prof. Dr. Birgül YAZICI : Yrd. Doç. Dr. Şadi YILMAZ

Bu çalışmada Atmalı Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama (PFCVAD) yöntemi ile alüminyum katkılı çinko oksit ince filmler (ZnO:Al) oda sıcaklığında cam alttaban üzerine üretildi. Elde edilen filmlerin optiksel ve elektriksel özelliklerinin sıcaklık ve basınç değişiminden nasıl etkilendiği araştırıldı. Anahtar kelimeler: Filtreli Katodik Vakum Ark, ZnO:Al, AZO ince film

II

ABSTRACT

MSc

DEPOSİTİON AND CHARACTERİZATİON OF ZnO:Al COMPOUNDS BY PULSED FİLTERED CATHODİC VACUUM ARC DEPOSİTİON

TECHNİQUE

Deniz Kadir TAKCI

ÇUKUROVA UNIVERSITY INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES

DEPARTMENT OF PHYSIC

Supervisor : Yrd. Doç. Dr. Şadi YILMAZ Year: 2011, Pages: 107 Jury : Prof. Dr. Ramazan ESEN : Prof. Dr. Birgül YAZICI : Asst. Prof. Dr. Şadi YILMAZ

In this study, aluminum doped zinc oxide thinfilms (ZnO:Al) were produced at room temperature on glass substrates by a pulsed filtered cathodic vacuum arc deposition system. Furthermore, the influences of temperature and pressure on the optical and electrical properties were investigated for the produced Al-ZnO thin films.

Key words: Filtered cathodic vacuum arc, ZnO:Al, AZO thin film

III

TEŞEKKÜR

Bu tezin yönetiminde ve oluşumunda aynı zamanda çalışmalarım sırasında

karşılaştığım sorunların çözümünde her türlü desteğini esirgemeyen, çalışmalarımda

beni yönlendiren, çalışma yapmak için bütün olanakları sağlayan hocam Prof. Dr.

Ramazan ESEN’ e sonsuz teşekkürlerimi sunarım.

Çalışmalarım sırasında bana yol gösteren danışmanım Yrd. Doç. Dr. Şadi

YILMAZ’ a ve yardımlarından dolayı hocam Prof. Dr. Hamide KAVAK’ a

teşekkürlerimi sunarım.

Deneylerim ve ölçümlerim sırasında benden yardımlarını esirgemeyen,

deneyleri beraber yaptığımız grup arkadaşlarım Dr. Necdet Hakan ERDOĞAN ve

İlker ÖZŞAHİN’ e yardım ve sabırlarından dolayı teşekkürlerimi sunarım.

Grup arkadaşlarım Kamuran KARA, Havva YANIŞ, Zeynep BAZ, Saadet

YILDIRIMCAN ve Birsen KESİK’ e teşekkür ederim.

Her zaman yanımda olan ve manevi desteklerini esirgemeyen nişanlım

Öğretim Görevlisi Hatice Aysun MERCİMEK’ e, ve dostlarım Dr. Mahmut

KARADAĞ ve Dr. Yaşar ÇOLAK’ a teşekkürü bir borç bilirim.

Böyle yoğun bir çalışma sürecinde beni sonuna kadar maddi manevi olarak

destekleyen ve her türlü fedakârlığı gösteren aileme sonsuz teşekkürlerimi sunarım.

IV

İÇİNDEKİLER SAYFA

ÖZ.................................................................................................................... I

ABSTRACT..................................................................................................... II

TEŞEKKÜR..................................................................................................... III

İÇİNDEKİLER........ ..................................................................................... IV

ŞEKİLLER DİZİNİ.. ..................................................................................... VIII

TABLOLAR DİZİN. ....................................................................................... XII

1.GİRİŞ............................................................................................................ 1

2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR .......................................................................... 5

3.MATERYAL ve METOD............................................................................ 13

3.1. ZnO’ nun Temel Özellikleri................................................................ 13

3.1.1. Giriş............................................................................................. 13

3.1.2. Kimyasal Özellikler..................................................................... 14

3.1.3. Fiziksel Özellikler..…….............................................................. 15

3.1.3.1. Kristal Yapısı …………................................................... 15

3.1.3.2. Mekanik Özellikler………………………………….….. 17

3.1.3.3. Elektriksel Özellikler………………………………….... 17

3.2. ZnO İnce Filmlerin Depolamasında Kullanılan Bazı Üretim

Yöntemleri………………………………………………………….....

18

3.2.1. Giriş……………………………………………….…………… 18

3.2.2. Radyo Frekans Magnetron Söktürme Yöntemi……….……….. 19

3.2.3. Moleküler Demet Epitaksiyel Yöntemi (Molecular-Beam

Epitaxy-MBE)…………………………………………………...……

20

3.2.4. Atmalı-Lazer Depolama……………………………………….. 20

3.2.5. Kimyasal Buhar Depolama………………………………….…. 22

3.2.6. Filtreli Katodik Vakum Arklar……………………………….... 22

3.2.6.1 Giriş……………………………………………………... 22

3.2.6.2. Ark İnce Film Depolama……………………….............. 23

3.2.6.3. Ark İyon Kaynağı…………………………………….… 24

3.2.6.4. Katodik Ark Bileşenleri………………………………... 24

V

3.2.6.5. Ark Deşarjı……………………………………………... 25

3.2.6.6. Atmalı ve Sürekli CVA………………………………. 26

3.2.6.7. Katot Spotları……………………………………….….. 27

3.2.6.8. Spot Başına Akım…………………………………….... 27

3.2.6.9. Akım Yoğunluğu……………………………………….. 27

3.2.6.10. İyon Hızları………………………………………….... 28

3.2.6.11. İyon Yük Durumları…………………………………... 29

3.2.6.12. Spot Türleri………………………………………….... 29

3.2.6.13. Tersinir Hareket……………………………………….. 30

3.2.6.14. Plazma ve Makroparçacık Taşınması…………………. 31

3.2.6.15. MP Filtresi Dizayn Kriteri ……………………………. 32

3.2.6.16. Manyetik Filtre Çeşitleri…………………………….... 34

3.2.6.17. Bir Depolama Tekniği Olarak Filtreli Katodik Vakum

Ark……………………………………………………………….

39

3.2.6.18. Filtreli Katodik Vakum Ark daki Son Gelişmeler.…… 41

3.2.6.19. Motivasyonlar…………………………………….…… 42

3.3. Yarıiletkenlerde Temel Soğurma………………………………….….. 43

3.3.1. Bantlararası ve Safsızlık soğurması………………………….… 43

3.3.2. Soğurma ve Kazancın Temel Teorisi………………………….. 45

3.3.3. Direkt Bantarası Soğurma….………………….………………. 48

3.3.4. Mutlak Sıfırda Soğurma……………………………….………. 49

3.4. Film Katakterizasyonu……………………………………….……….. 55

3.4.1. Optiksel Karakterizasyon…………………………………….... 55

3.4.1.1. Film Kalınlığı Hesabı…………………………………... 55

3.4.1.2. Soğurma Katsayısının Hesaplanması…………………... 56

3.4.1.3. Yasak Enerji Aralığının Hesaplanması……………….... 61

3.4.2. XRD Analizi………………………………………………….... 62

3.4.3. Hall Analizi…………………………………………………….. 64

3.4.3.1. Mobilite………………………………..…………..….... 64

3.4.3.2. Direnç…………………………………………..…...... 66

3.4.3.3. Hall Etkisi Olayı………………………………………... 70

VI

4. TARTIŞMA VE BULGULAR……………………………………………… 91

4.1. Atmalı Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama Yöntemi İle Elde Edilen

ZnO:Al İnce Filmlerin Optik Özelliklerinin Belirlenmesi……………… 91

4.2.Elektriksel Özellikler…………………………………………………… 98

5. SONUÇLAR ve ÖNERİLER…………………………..…………………… 101

KAYNAKLAR………………………………………………………………… 103

ÖZGEÇMİŞ……………………………………………………………………. 107

3.4.3.4. Hall Etkisi ve Lorentz Kuvveti…………..…………….. 70

3.4.3.5. Van Der Pauw Tekniği…………………..…………...… 72

3.4.3.6. Direnç ve Hall Ölçümleri……………...……………….. 75

3.4.3.7. Örnek Geometrisi……..…………................................... 75

3.4.3.8. Direnç Ölçümleri İçin Tanımlar…..……………………. 76

3.4.3.9. Direnç Ölçümleri……………….....……………………. 76

3.4.3.10 Direnç Hesaplamaları……………….............................. 77

3.4.3.11. Hall Ölçümü İçin Tanımlar............................................ 78

3.4.3.12 Hall Etkisi Ölçüm Sistemi ve Ölçme Tekniği................. 78

3.4.3.13. Hall Hesaplamaları…...............................................….. 79

3.5. Deneysel Düzenek ve Süreçler……………………………………….. 81

3.5.1. Atmalı Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama Sistemi…….…. 81

3.5.2. PFCVAD Sisteminin Yapısı………………………………….... 81

3.5.2.1. Reaksiyon Odası………………………………………... 82

3.5.2.2. Birincil ve Turbomoleküler Pompa Sistemi…………..... 83

3.5.2.3. Atmalı Plazma Ark Kaynağı………………………….... 84

3.5.2.4. Gaz Akış-Basınç Kontrol Sistemi…………………….... 86

3.5.3. Katot………………………………………………………….... 88

3.5.4. Alt Tabanlar……………………………………………………. 88

3.5.5. PFCVAD Sistemi İle Plazma Üretimi ve Taşınması…………. 89

3.6. Sistem Karakterizasyonunda Kullanılan Cihazlar……………………. 89

3.6.1. Optiksel Geçirgenlik………………………………………….... 89

3.6.2. Elektriksel Özellikler……………………...………………...…. 90

VIII

ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA

Şekil 3.1. ZnO’nun kristal yapılarının gösterimleri (a) Kaya tuzu, (b)

Zinc Blende, (c)Wurtzite…………………………....................

16

Şekil 3.2. Atmalı lazer depolama sisteminin şematik diyagramı………... 21

Şekil 3.3. Katodik vakum arkın başlıca bileşenlerinin şematik

gösterimi………………………………………………..……...

25

Şekil 3.4. Ark spotlarının aksi yönüne doğru ayrılan plazma jetlerinin

görüntüsü……………………………………………………....

31

Şekil 3.5. 90o eğimli filtrenin şematik gösterimi……………………..….. 35

Şekil 3.6. S-şekilli manyetik filtre……………………………………….. 36

Şekil 3.7. Diyagram (a) ve fotoğraf (b) bir duble eğimli düzlem sapmalı

(off-plane) filtreye aittirler ve (c) bir duble eğimli düzlem

sapmalı filtreyle donanmış FCVA sisteminin şematik

gösterimi. Duble eğimli düzlem sapmalı filtreye bir kenardan

bakıldığında iki boyutlu şekilde 90°eğimli bir filtre gibi

göründüğü not edilmelidir……….………………………….....

38

Şekil 3.8. Yukarı kısmı 90° ve dip kısmı S şekilli serbest manyetik

filtre…………………………….……………………………...

39

Şekil 3.9. Yarıiletkenlerdeki farklı soğurma süreçleri (a) gerçek uzay ve

(b) karşıt uzay: (1) bantdan banda (2) iletkenlik bant arası (3)

valans bant arası (4) vericiden iletkenlik bandına (5) alıcıdan

valans bandına (6) valans bandından vericiye (7) alıcıdan

iletkenlik bandına ve (8) vericiden alıcıya geçişler………....…

44

Şekil 3.10. Yarıiletkenlerdeki Bloch fonksiyonlarının şematik temsili: (a)

periyodik potansiyel (b) dolu dalga fonksiyonu (c) hücre

periyodik kısmı ve (d) düzlem dalga kısmı……………......

51

Şekil 3.11. E-k diyagramında direk optiksel geçiş için k’ nın korunumunu

açıklayan düşey geçiş……………………………………….....

53

Şekil 3.12. İnce bir tabakadaki soğurma………………………………….. 58

Şekil 3.13. İnce bir filmde çok yansımalı ışık geçirimi…………………… 59

IX

Şekil 3.14. Amorf bir yarıiletkenin soğurma katsayısının enerji ile

değişimi………………………….…………………………….

62

Şekil 3.15. Bir yarıiletken içindeki bir elektronun şematik yörüngesi. (a)

Rastgele ısısal hareket. (b) Gelişigüzel ısısal harekete ve

uygulanan bir elektrik alana bağlı birleştirilmiş hareket………

65

Şekil 3.16. n-tipi bir yarıiletkende iletkenlik süreci (a) ısısal denge

durumunda ve (b) bir öngerilim şartı altında………………….

67

Şekil 3.17. L uzunluğu ve A kesitsel alanıyla birlikte düzgün şekilde

katkılanmış bir yarıiletken çubukta akım iletimi…………...….

69

Şekil 3.18. Manyetik alan ve Lorentz kuvveti………………………....…. 72

Şekil 3.19. Van Der Pauw Tekniği………………………………………... 73

Şekil 3.20. Hall voltajı ölçme düzeneği………………………………........ 74

Şekil 3.21. Hall ölçümünde kullanılan örnek geometrileri………………... 75

Şekil 3.22. Hall Ölçüm Sistemi………………………………………,...… 79

Şekil 3.23. PFCVAD sisteminin şematik gösterimi………………………. 82

Şekil 3.24. Reaksiyon odasının dıştan görünüşü…………………….......... 83

Şekil 3.25. Birincil ve turbo moleküler pompa görüntüsü……………….. 84

Şekil 3.26. Plazma ark kaynağı………………………….………………... 85

Şekil 3.27. Mini tabanca şematik gösterimi………………………….…… 85

Şekil 3.28. Mini tabanca görüntüsü…………………………..…………… 86

Şekil 3.29. Gaz akış basınç kontrol sisteminin görüntüsü………………… 87

Şekil 3.30. Azot jenaratörü ve oksijen tüpünün görüntüsü……………… 88

Şekil 3.31

Şekil 4. 1..

Perkin-Elmer UV/VIS Lamda 2S Spektrometresi……………

6.0 ×10-4 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar

üzerine depolanan ZnO:Al filmi ve bu filmlerinin farklı

tavlama sıcaklıkları için optik geçirgenlik eğrileri…………….

90

91

Şekil 4.2. 6.0 ×10-4 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar

üzerine depolanan ZnO:Al filmlerinin farklı tavlama

sıcaklıkları için soğurma katsayısının enerjiye göre değişimi...

93

Şekil 4.3. 6.0 ×10-4 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar

üzerine depolanan ZnN filmlerinin farklı tavlama sıcaklıkları

X

için, ( ℎ ) ’ in ℎ ’e göre grafiği…………………….………. 94 Şekil 4.4. 1.0× 10-3 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar

üzerine depolanan ZnO:Al filmlerin farklı tavlama sıcaklıkları

için optik geçirgenlik eğrileri…………………........................

95

Şekil 4.5. 1.0× 10-3 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar


sıcaklıkları için soğurma katsayısının enerjiye göre değişimi...

96

Şekil 4.6. 1.0× 10-3 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar


sıcaklıkları için ( ℎ ) ’ nin ℎ ’e göre grafiği…….............…

97

XII

TABLOLAR DİZİNİ SAYFA

Tablo 3.1. ZnO’ nun sahip olduğu çeşitli nitelikler………………………..... 14

Tablo 4.1. 6.0 ×10-4 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla oda sıcaklığında

tutulan cam alt tabanlar üzerine depolanan ZnO:Al filmlerinin

farklı tavlama sıcaklıklarındaki Hall etkisi ölçümleri…………….

98

Tablo 4.2. 1.0× 10-3 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla oda sıcaklığında

tutulan cam alt tabanlar üzerine depolanan ZnO:Al filmlerinin

farklı tavlama sıcaklıklarındaki Hall etkisi

ölçümleri………………………………………………………….

99

1. GİRİŞ Deniz Kadir TAKCI

1

1. GİRİŞ

Periyodik tablodaki IIB – VIA grubu elementlerinden oluşan bileşiklerinin

sayabileceğimiz temel özellikleri; iletim ve değerlik bantları arasında oldukça geniş

bant aralığı sağlayan yüksek iyoniklikleri ve geniş bant aralıklarının da direk bant

aralığı olması, soğurma ve lüminesans için yüksek optik geçirgenlik olanağına sahip

olmalarıdır. Fotoelektrik ve optoelektronik uygulamalarda kullanılan aygıtlara

baktığımız zaman II-V grubu bileşiklerinin ve bu grup içinde yer alan çinko oksit

(ZnO) ince filmlerinin önemi görülmektedir.

ZnO oda sıcaklığında 3.3 eV’luk geniş enerji bant aralığı ve yüksek eksitonik

bağlanma enerjisi (60 meV) ile yaygın kullanılan bir malzemedir. Çinko oksit (ZnO)

günümüzde birçok teknolojik uygulamaları olan ve potansiyel olarak birçok yeni

uygulama alanı olan bir yarıiletkendir. Bu uygulamaları:

- Morötesi (UV) ışık yayıcılar (LED’ler ve ışıklı paneller),

- Spin fonksiyonel aygıtlar (polarize ışık yayıcılar, Spin alan etkili transistörler s-

FET, kuantum bazlı sayısal aygıtlar),

- Biyo-algılayıcılar,

- Gaz algılayıcılar,

- ZnO nanorod aygıtlar,

- Yüzey akustik dalga (SAW) aygıtları,

- Işık geçirgen elektronik uygulamalar (gösterge panelleri),

gibi ana hatlarıyla listelemek mümkündür.

III grubu metal katkılayıcılar örneğin Al, In, Ga uygun bir şekilde

katkılandığında ZnO ince filmlerinin elektriksel iletkenliği artar, dirençleri azalır ve

aynı derecede ısısal dengeleri gelişir. Alüminum katkılı ZnO (ZnO:Al veya AZO)

optik geçirgen, iletken filmler, elektriksel ve optiksel uygulama alanlarında

fonksiyonel materyal olarak karşımıza çıkmaktadır.

Görünür dalga boyundaki, yüksek elektriksel iletkenlikleri ile geçirgenlikleri

bilimsel araştırmalarda ve geçirgen elektrot, LEDs, LDs (Lazer Diyot), güneş enerjisi

hücreleri, OLEDs’ ler için anot elektrodu, dokunmatik ekranlar gibi teknolojik


2

uygulamalarda dikkat çekicidir. Uygulama için yüksek kalitede ince AZO film

hazırlamada filmin yapısal, elektriksel ve optiksel özelliklerini analiz etmek çok

önemlidir.

ZnO yarıiletken ince filmler magnetron söktürme, metal organik kimyasal

buhar depolama, termal buharlaştırma gibi çeşitli yöntemlerle üretilebilir. Bu tezde

ZnO:Al yarıiletken ince filmler atmalı filtreli katodik vakum ark depolama

yöntemiyle üretildi.

Katodik plazma ark depolama tekniği fiziksel buhar depolama sistemleri

içindeki önemli yöntemlerdendir. Yarıiletken ince filmlerin depolama sistemleri

içinde plazma yardımlı atmalı filtreli katodik vakum ark depolama sistemi yeni

gelişmekte olup, düşük alt taban sıcaklıklarında iyi tutunmuş yüzey morfolojisi

kontrol edilebilen, yüksek yoğunluklu bileşik filmlerin sentezi için uygun bir

sistemdir. Katodik ark, katot yüzeyindeki ark deşarj yayınlama sisteminin katodu

erozyona uğratarak buharlaştırmasıyla oluşur ve sistemde reaktif gaza ihtiyaç

duyulmaz. Katot, metal, metal alaşım veya yarı iletken olabilir.

Ark kaynağından yayınlanan plazma; elektronlar, iyonlar ve makro

parçacıklar ve nötral metal buharı içerir. Nötral metal buharı, kütle transferinin küçük

bir kısmını oluşturur. Bu nedenle ark kaynağından kaplama materyal akısı, tümüyle

iyonlar ve makro parçacıklardan oluşur ve üretilen iyonların ortalama kinetik

enerjileri 10 ile 100 eV arasındadır. Ortalama iyon enerjisi katot ile anot arsındaki

potansiyel farktan daha büyüktür. Bu fiziksel karakteristikler, kaplanan filmler için

film morfolojisinin kontrolü, düşük örnek sıcaklığı, yüksek film yoğunluğu, yüksek

film tutunması, bileşik filmlerin verimli sentezi ve düzgünlük gibi avantajlar

sunmaktadır.

Bölümümüzde mevcut olan PFCVAD sistemi; silindirik vakum odası

paslanmaz çelikten yapılmıştır (486 mm çap ve 385 mm uzunluk) ve turbomoleküler

pompa kullanılarak (500 lt s−1) taban basıncı 1.3×10−8 Torr’a kadar

düşürülebilmektedir. Plazma kaynağı katot, anot ve odaklama bobininden oluşan

vakum mini tabancadır (RHK Arc-20). Yalıtkan bir seramik ark kaynağının pozitif

kutbunun filtre bobini yoluyla bağlandığı katot ve anodu birbirinden ayırır. Ark 24


3

kV ve 60 μs de oluşturularak ve filtre olarak 90 derece eğimli selenoid bir filtre

kullanılmaktadır.

ZnO:Al yarıiletken ince filmleri PFCVAD yöntemi ile üretildi. Bu işlem için

hedef olarak metalik %10luk aliminyum-çinko (Zn/Al 90/10) (1 mm çaplı ve saflığı

99.99%) ve oksijen (saflığı 99.999%) tel kullanıldı. Filmler ultrasonik temizleyici ile

temizlenen cam alt tabanlar üzerine üretildi. Oksijen gaz girişi gaz akış basınç

kontrol sistemi ile kontrol edilerek ve oksijen basıncı 10-3 - 10−4 Torr civarında

tutuldu. Daha sonra üretilen ZnO:Al bileşiği farklı sıcaklıklarda tavlanarak ince

filmler analiz edildi.

ZnO:Al yarıiletken ince filmler büyütüldükten sonra bunların geçirgenlik ve

soğurma özellikleri 190-1100 nm dalga boyu aralığına sahip Perkin-Elmer UV/VIS

Lamda 2S spektrometresi ile incelendi. Soğurma ve geçirgenlik verilerinden yasak

enerji aralıkları, soğurma katsayısı hesaplandı.

Özdirenç, iletkenlik değerleri, taşıyıcı konsantrasyonu ve mobilite dört prob

Van der Pauw tekniği kullanılarak Hall Etkisi Ölçüm Sistemi HMS-3000 ile

belirlendi.

Son olarak, elde edilen ZnO:Al ‘e Atmalı Katodik Vakum Ark Depolama

yöntemiyle üretildi ve elde edilen filmlerin optiksel ve elektriksel analizleri yapılarak

bilimsel ve teknolojik önemi tartışıldı.


4

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Deniz Kadir TAKCI

5

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR

Bu çalışmada, R.F. magnetron püskürtme tekniği kullanılarak depolanmış Al

katkılı ZnO filmlerin optik ve elektriksel özellikleri düşük elektriksel dirençliliğe

sahip geçirgen filmlerin geliştirilmesi esnasında başlangıç koşullarının fonksiyonu

olarak incelenmiştir. Bu filmlerin elektriksel dirençliliği püskürtmeli filmlerin Hall

mobilitesi gibi R.F. güç yoğunluğuna ve yaklaşık 300 nm’ den daha az olduğunda

filmlerin inceliğine bağımlıdır. Serbest taşıyıcı yoğunluğu film inceliğinden ve R.F.

güçden hemen hemen bağımsızdır. Filmlerin görünür bölgedeki optik geçirgenliği %

90 civarındadır ve bu optik geçirgenlik kalınlıkla beraber R.F. gücüne bağlı değildir.

Kızılötesi kıyısında serbest taşıyıcılardan dolayı soğurmanın olduğu yerde

geçirgenlik film inceliğine ve hazırlama durumlarına bağlıdır (Malinovska ve ark,

1998).

Bu çalışmada, iyi derecede iletkenlik ve geçirgenlik özelliğine sahip

alüminyum katkılı ZnO ince filmler filtreli katodik vakum ark tekniği kullanılarak

düşük sıcaklıklarda üretilmiştir. ZnO:Al filmlerin özellikleri farklı alt taban

sıcaklıkları altında incelenmiştir. Filmlerin optik, elektriksel ve yapısal özelliklerinin

depolama sırasında alt taban sıcaklıklarına doğrudan bağlı olduğu ortaya

çıkarılmıştır. ZnO:Al filmlerin c-yönünde kristal gelişimi gözlenmiştir. ZnO:Al

filmlerin çeşitli Al içerikleriyle Zn-Al alaşım hedefleri kullanılarak hazırlanmıştır.

150 0C’ de substrat sıcaklığında en düşük dirençlilik 8x10-4 Ω cm, % 5’ lik Al

depolanmasında kazanılmıştır. Optik soğurma kenarı alt taban sıcaklığındaki

azalmayla en kısa dalga boyunda bulunmuştur. Ve Al depolamayla birlikte optik bant

aralığının genişlemesini etkilediği belirlenmiştir. Bu iki durum da Burstein-Moss

etkisine bağlanmıştır (Lee ve ark, 2004).

Bu çalışmada, Alüminyum ve Flor katkılı 200 nm kalınlığındaki çinko-oksit

filmler sırasıyla ağırlıkça % 2 Al2O3, % 1.3 ZnF ve saf çinko-oksitten oluşan çinko-

oksit karışımların birlikte çinko-oksit hedeflerden püskürtülmesi ile cam alt taban

üzerinde hazırlanmıştır. 300 0C’ de 2 saat süreyle 10-6 Torr vakum basıncında

tavlandıktan sonra, çinko-oksit filmlerin dirençliliklerinde 4.75×10−4 Ω cm’ nin

aşağısına kadar düşüş gözlenmiştir. 42.2 cm2/Vs değerindeki en yüksek mobilite


6

değerini hacimce % 25 alüminyum ve % 75 flor katkılı çinko-oksit filmlerin

gösterdiği belirlenmiştir. XRD ölçümlerinden elde edilen veriler doğrultusunda flor

katkısının ZnO filmlerin kristalleşmesini arttırdığı sonucuna varılmıştır. Oksijenin 1s

bağlanma enerjisinin XPS spektrumu ve Hall ölçüm sonuçları vakumlu tavlama

işlemi sırasında dış kristalde soğurulmuş oksijenin ayrıştırıldığını ve dış kristal

yayılımın azaldığını teyit etmektedir. Ayrıca merit değerleri (FOM) tavlama sonrası

optik soğurma katsayısının 2.67 Ω-1’ nin yukarısına yükselten elektriksel iletkenlik

oranı olarak belirlenmiştir (Choi ve ark, 2005).

Bu çalışmada, metalik ve seramik ince filmlerin düşük sıcaklıklarda (50–400

°C) katodik ark depolanması manyetik olarak direkt vakumla ark üretimi, yüksek

iyonize olması ve alt tabanlar üzerindeki enerjitik plazma ışınları yüksek depolama

oranında yüksek kalite de kaplama eldesi ile ortaya çıkarılmıştır. Plazma ışınları ark

tarafından üretilen makropartiküllerinden arındırılmak için manyetik olarak filtre

edilmiştir. Bu depolanmış filmler alt tabana iyi nüfus etmesi ve optik kaliteleri

bakımından da karakterize edilmişlerdir. ZnO, SnO2, In2O3:Sn (ITO), ZnO:Al

(AZO), ZnO:Ga, ZnO:Sb, ZnO:Mg ve solar hücrelerde, optoelektronik aygıt ve gaz

sensörü olarak kullanılan farklı tipte çinko-stanat oksidaz (ZnSnO3, Zn2SnO4) ince

filmlerin saydamlığı ve elektriksel iletkenliği saf veya karışık çinko katotlar

kullanılarak depolanmıştır. Depolama sonrası düzeltmeler TCO filmlerin

özelliklerini netleştirmek için uygulanmıştır. FVAD ZnO ve ZnO:M ince filmlerin

depolama oranı 0.2-15 nm/s.’ dir. Filmlerin genel olarak nonsitokiyometrik,

polikristalize n-tip yarıiletken olduğu belirlenmiştir. ZnO filmler vürtzit yapıya

sahiptir. P-tipi Zn:O’ nun FVAD’ ı Sb depolama ile başarılmıştır. Elektrik iletkenliği

0.2-6×10-5 Ω m, elektron yoğunluğu 1023–2×1026 m-3 ve elektron hareketlilik oranı

10–40 cm2/V s olan N-tip ZnO ince filmlerin elektriksel iletkenliği ark yüzeyi,

oksijen basıncı, alt taban ön gerilimi ve alt taban sıcaklığı gibi depolama

parametrelerine bağlıdır.FVAD ile üretilen ZnO filmlerin enerji bant aralığı ~ 3.3 eV

ve kızılötesi kıyısı ile görünür bölgedeki sönüm katsayısı (k) 0.02 den küçük, optik

geçirgenliği 500 nm ince ZnO film için ~ 0.90 dır (Goldsmith, 2006).

Bu çalışmada, geçirgen iletken ZnO: 380-800 nm kalınlığındaki Al ve ZnO

filmler atomik olarak % 5-6 katkılı silindir Zn katotları kullanılarak filtreli vakum


7

ark depolama (FVAD) tekniği ile cam alt taban üzerine depo edilmiştir. Al katkılı

veya saf Zn katotları P=0.4-0.93 Pa. basınçta oksijen gazı ortamında tutulmuştur.

Filmlerin kristal yapısı, kompozisyonu ve elektriksel ve optik özellikleri P’ nin

fonksiyonu olarak çalışılmıştır. Filmler oda sıcaklığındaki koşullarda saklanmıştır.

Saklama zamanının fonksiyonu olarak filmlerin direnç değişimi birkaç aylık

periyotlarla gözlenmiştir. Filmdeki Al konsantrasyonu 0.006-0.008 % atomik oran

olarak belirlenmiştir. Büyüklük katot materyalinde olduğundan daha düşüktür. Diğer

taraftan bu düşük Al içeriğinin filmin dirençliliğini, ρ ve stabilitesini etkilediği

bildirilmiştir. ZnO katkılı Al filmlerin dirençliliği, ρ= (6–8)×10−3 Ω cm, P’ den

bağımsız olup aynı FVAD sistem tarafında n depolanmış ZnO filmleri ile

karşılaştırınca 2 faktör daha düşüktür. Depolanmadan 60 gün sonra ZnO filmlerin ρ

değerinin ilk filmlere kıyasla faktör 7 tarafından arttırıldığı belirtilmiştir. P=0.47-0.6

Pa ile depolanmış ZnO:Al filmler daha çok stabildir. Depolama süresince filmlerin

ilk ρ değeri yavaşça artmış ve depolama sonrası (30-45 gün) stabilize edilmiştir

(Zhitomirsky ve ark, 2006).

Bu çalışmada, Xray ışınımı, elektriksel ölçümler ve ultra-viyole

fotolüminesans spektrometri tarafından karakterize edilen alüminyum katkılı çinko-

oksit ince filmler sol-jel metodu ile cam alt tabanlar üzerinde geliştirilmiştir. Zi-

qiang ve ark. yapmış olduğu bu çalışmada tüm ince filmlerin öncelikli c-ekseni

yönelimine sahip oldukları bulunmuştur. Alüminyum katkısının artmasıyla birlikte

düzlemin (0 0 2) pik pozisyonun 2Ө seviyelerine kadar düştüğü kaydedilmiştir. %

1.5 mol alüminyum katkılı film için minimum dirençlilik 6.2x10-4 Ω cm olarak

belirlenmiştir. Bant aralığının katkı maddesi konsantrasyonu arttıkça genişlediği

bulunmuştur. PL ölçümlerinden elde edilen yakın bant kenarı (NBE) ve derin seviye

(DL) emisyonları saf çinko-oksit ince filmlerinde gözlemlenmiştir. Bununla birlikte,

ince filmlerde alüminyum depo edildiğinde filmin DL emisyonu baskılanmaktadır.

Alüminyumun konsantrasyonu arttıkça yüksek foton enerji alanına ait bir blueshifte

sahip olan NBE emisyonun piki geçirgenlik verilerden elde edilen doğrusal fit ile

hesaplanmış diğer değerlerle kesişmektedir (Zi-qiang ve ark, 2006).

Bu çalışmada, (0 0 2) düzleme doğru yönelen alüminyum katkılı çinko-oksit

ince filmler sol-jel prosesleri ile hazırlanmıştır ve depolama sonrası ısıtma sıcaklığı


8

ile filmlerin elektriksel ve optik özellikleri incelenmiştir. (0 0 2) düzleme doğru

istenen c-eksen yönelimi depolama sonrası ısıtma sıcaklığının artmasıyla birlikte

arttığı ve filmlerin yüzeyinin düzgün ve nano ölçekli bir mikro yapı gösterdiği

belirlenmiştir. Filmlerin elektriksel dirençliliği depolama sonrası ısıtma sıcaklığı 500 oC’ den 650 oC’ ye arttıkça 73’ den 22 Ω cm’ ye düştüğü gözlenmiştir. Bununla

birlikte film 700 oC’ de ısıtıldığında 580 Ω cm’ e artmıştır. Filmlerin optik

geçirgenenliği 650 oC’ nin altındaki ısıtıldıklarında yaklaşık % 86 olarak

belirlenmiştir. Ancak bu değerin 700 oC’ de azaldığı ortaya konmuştur. Bu

çalışmanın sonuçları alüminyum katkılı filmlerin elektriksel ve optik özelliklerinin

ısıtma sıcaklıkları ile tartışılması gerektiğini ortaya koymaktadır (Kim ve ark, 2007).

Bu çalışmada, Alüminyum katkılı çinko oksit ince filmler spin kaplama

metodu kullanılarak silikon alt tabanlar üzerine başarılı bir şekilde depolanmıştır.

Filmlerin elektriksel ve optiksel özellikleri üzerindeki tavlama sıcaklığının etkisi

atomik oranda % 1.5 alüminyum için incelenmiştir. 350 oC’ de tavlanmış filmlerin

kırılma indisi profili elipsometri kullanılarak belirlenmiş olup minumun kırılma

indisi 1.95, maksimum kırılma indisi 2.1 olarak gösterilmektedir. Minumum kalınlık

değeri 30.1 nm ve maksimum kalınlık değeri 34.5 nm olan filmlerin çok iyi benzerlik

gösterdiği ortaya çıkarılmıştır. 350 oC’ de tavlanmış filmlerin maksimum

geçirgenliği 4.63Ω-1 cm-1 olarak belirlenmiştir. Hall ölçümleri yapılarak ortaya

konulan maksimum taşıma yoğunluğu 2.2x1017cm-3’ tür. Ve bu çalışmada Fourier

dönüşümlü kızılötesi spektroskopi analizlerinde tavlama sıcaklıklarındaki artışın pik

pozisyonunda hiçbir değişikliğe neden olmadığı ortaya konmuştur (Shelke ve ark,

2009).

Bu çalışmada, c ekseni yönilmi gösteren Al katkılı ZnO ince filmler radyo

frekans reaktif magnetron püskürtme tekniği kullanılarak cam alt tabanlar yüzeyine

depolanmıştır. Bu filmlerin Al konsantrasyonları mikro yapıları ve lüminesans

özellikleri üzerine etkisi atomik kuvvet mikroskobu (AFM), X-ray kırınımı (XRD)

ve floresans spektrofotometre uygulamaları ile belirlenmeye çalışılmıştır. Bu

analizlerin sonuçları filmlerin kristalizitesinin Al konsantrasyonuna bağlı olduğunu

göstermektedir. Örneklerin PL ölçümleri oda sıcaklığında yapılmıştır. Dört örneğin

PL sonuçları doğrultusunda güçlü mavi piklerin 437nm’ de (2.84 eV), iki zayıf yeşil


9

piklerin 492 nm (2.53eV) ve 524 nm (2.37 eV)’de lokalize olduğu belirlenmiştir. Bu

emisyonların orjinleri incelenmiştir. Bunlara ek olarak örneklerin absorbsiyonu ve

geçirgenlik özellikleri UV spektrofotometre kullanılarak araştırılmıştır. Al katkılı bu

filmlerin Al konsantrasyonu arttıkça daha uzun dalga boylarında soğurmanın

sağlandığı gözlemlenmiştir. Optik bant aralığı kuantum kısıtlama modeli kullanılarak

hesaplanmıştır (Ding ve ark, 2009).

Bu çalışmada, iletken ve geçirgen alüminyum katkılı çinko-oksit filmler aynı

anda RF ve DC magnetron püskürtme yöntemi tarafından hazırlanmıştır. Bu

çalışmada alüminyum katkılı çinko-oksit filmlerin özelliklerini araştırmak için Lu ve

ark., optik emisyon spektroskopisinin yanı sıra X-ray ışınımı, X-ray soğurma

spektroskopisi, elektriksel dirence dayalı sıcaklık ve Hall ölçümlerini

kullanmışlardır. Çalışmanın sonuçları tüm örneklerin c-eksenine yönelen çok kristalli

olduğu ortaya konmuştur. Minumum direnç 7.13x10-3 Ω cm olarak kazanılmıştır ve

film için metalik tip iletkenlik davranışı 50 W’da gözlenmiştir. Bu veriler alüminyum

katkılı çinko-oksit filmlerin elektriksel iletkenlik özelliklerinin kristallenme ile

ilişkili olduğunu göstermektedir. Az kristallenmeden dolayı oluşan çok sayıda

kusurlar ve indirgenmiş gerilim alanı serbest taşıma yoğunluğunu azaltır böylece

iletkenlik azalır (Lu ve ark, 2009).

Bu çalışmada, Alüminyum katkılı çinko-oksit filmler çinko-alüminyum

alaşım hedefleri kullanılan oyuk katot gaz akışlı püskürtme ile cam üzerine depo

edilmiştir. Tüm depolamalar için püskürtme gücü 1500 W’ da sabitleştirilmiştir.

Takeda ve arkadaşlarının yapmış olduğu bu çalışmada statik depolama oranı hemen

hemen 270-300 nm/min’ de sabitlenirken, 38’ den 50’ ye kadar değişen standart

kübik cm/ min (SCCM) O2 akışıyla oda sıcaklığında depolanmış AZO filmlerin

dirençliliği 0.81-1.1x10-3 Ω cm olarak belirlenmiştir. Diğer yandan statik depolama

oranları ortalama 200-220 nm/min. Sabitlenirken, 25-50 arasındaki SCCM O2 akışıyla 200 oC ‘ de depolanmış AZO filmler için 5.2-6.4x10-4 Ω cm değerinde düşük

dirençlilik elde edilmiştir. Görünür ışık bölgesinde ortalama geçirgenlikler filmlerin

her ikisi içinde % 80’ nin üzerinde olduğu kayıt edilmiştir (Takeda ve ark, 2009).

Bu çalışmada, İndiyum kalay oksit ile güçlendirilmiş ve son zamanlarda

uyguma sayılarındaki yüksek potansiyeli ile Al katkılı çinko oksit ZnO:Al veya AZO


10

en iyi bilinen n-tipi geçirgen iletken oksit olduğu Anders ve ark., tarafından

belirlenmiştir. Bu çalışmada atmalı filtreli katodik vakum ark depolama tekniği ile

cam ve silikon üzerine depolanmış AZO ince filmlerin optik ve elektriksel özellikleri

sistematik bir şekilde incelenmiştir. Magnetron püskürtme tekniğe karşın, bu tekniğin

enerjitik negatif iyon oluşturmadığı belirlenmiş ve böylece iyon hasarının minimalize

edildiği gözlemlenmiştir. Marjinal gelişmeler yalnızca depolama sonrası tavlama ile

kazanılırken AZO filmlerin kalitesi büyüme sıcaklığına bağlı olduğu gösterilmiştir.

Ortalama 200 °C’ de sıcaklıklar da geliştirilmiş en iyi filmlerin spektrumun görünen

kısmına kıyasla % 85’ den daha iyi geçirgenlik ile ortalama 10-4 Ω cm aralık da

dirençliliğe sahip oldukları bildirilmiştir. Bu metotla, kayda değer ve oldukça iyi ince

kalınlıkta (60 nm) filmler üretilebilir (Anders ve ark, 2010).

Bu çalışmada, farklı Al miktarı içeren Al katkılı Zn:O ince filmler radyo

frekans reaktif magnetron püskürtme tekniği kullanılarak Si alt taban yüzeyine

depolanmıştır. X-ray kırınımı ölçümleri filmlerin kristalitesinin ağırlıkça % 0.75 Al

içeriği ile sağlandığını göstermiştir. Ağırlıkça % 0.75 Al içerikli ZnO:Al filmler

farklı sıcaklıklarda vakum altında tavlanmıştır. XRD sonuçları kalan sıkıştırıcı

stresin en yüksek tavlama sıcaklıklarında azaldığını ortaya çıkarmıştır. ZnO:Al

filmlerin yüzey pürüzlülüğü 300 0C’ e tavlama sıcaklığında düzken, 600 ve 750 0C

sıcaklılarda pürüzlenme olduğu belirlenmiştir. Oda sıcaklığında yapılan PL ölçümleri

sonucunda bir viyole, iki mavi, bir yeşil ışıma yaptığına işaret etmektedir. Bu

ışımaların orjini tartışılmış ve ZnO:Al ince filmlerin viyole ve mavi ışımanın

mekanizması ortaya kondu (Ding ve ark, 2010).

Bu çalışmada, iletken ve geçirgen Al katkılı ZnO filmler sodyumkarbonat

kireç cam alt taban üzerinde oda sıcaklığında magnetron püskürtme tekniği

kullanılarak 0.3-1.1 mm arasında farklı kalınılıklarda üretilmişlerdir. Depolama

sonrası örnekler hava veya vakumda 150’ den 450 0C’ e kadar olan sıcaklıklarda

tavlanmışlardır. AZO kaplamalarının optik, elektriksel ve yapısal karakteristiklikleri

film kalınlıklarının fonksiyonu ve tavlama parametreleri olarak spektrofotometre,

Hall ölçümleri ve X-ray kırınımı ile analiz edilmiştir. Yüzeylerin polikristalize

olduğu, tek hücrelerin c-eksenine doğru yönelmesi ile birlikte görünen geçirgenliğin

~ 85-90 % ve dirençliliğin ~ 1.6-2.0 mΩ cm olduğu belirlenmiştir. Her iki


11

parametrenin de film kalınlığı arttıkça azaldığı gözlenmiştir. Hava veya vakum

altında ısıtmanın kristalin örgü uzaması ile birlikte ısıtma sıcaklığına ve atmosfere

bağlı elektriksel dirençlilikte bir azalışa, görünen geçirgenlikte artışa yol açtığı

belirtilmiştir. En iyi karakteristik özellik vakum altında 350 0C yapılan

uygulamalardan sonra elde edilmiştir. Görünen geçirgenlik ~ 90-95 % ve dirençlilik

~ 0.8-0.9 mΩ cm olarak hesaplanmıştır. Analiz edilen özellikler arasunda bazı

benzerlikler sınır gap enerjisi, taşıma konsantarsyonundaki hareketliliğin örgü

deformasyonuna bağlı olduğunu gösterdi (Guillén ve ark, 2010).


12

3.MATERYAL VE METOD Deniz Kadir TAKCI

13

3. MATERYAL VE METOD

3.1. ZnO’ nun Temel Özellikleri

3.1.1. Giriş

Çinko oksit (ZnO) inorganik bir bileşiktir. Toz hali, çok sayıda materyal ve

plastik, seramik, cam, çimento, lastik (örneğin araba tekeri), yağ, merhem,

yapışkanlar, deri sızdırmazlık malzemeleri, boya maddesi, yiyecekler (Zn besin

maddesi kaynağı), piller, ferritler, alevlenmeyi geciktiriciler, vb ürünlere bir katkı

maddesi olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. ZnO yerkabuğunda mineral

çinko taşı olarak bulunmaktadır. Buna rağmen, ticari olarak kullanılan ZnO’ nun

çoğu sentetik bir biçimde üretilmektedir.

Çinko ve oksijen, sırasıyla, periyodik tablonun II. ve VI. grubuna ait

olduklarından, ZnO, malzeme biliminde genellikle II-VI grubu yarıiletken olarak

adlandırılır. Bu yarıiletkenin bazı avantajlı özellikleri vardır. Bunlardan en

önemlilerini, iyi geçirgenlik, yüksek elektron mobilitesi, geniş bant aralığı, etkili oda

sıcaklığı lüminesansı olarak sıralayabiliriz. Bu özellikler, halihazırda, sıvı kristal

görüntülemedeki geçirgen elektrotlar için enerji depolama veya ısı-koruma

pencereleri gibi yeni uygulamalarda kullanılmakta olup, yakın gelecekte de ince film

transistör ve ışık yayan diyotlar olarak ZnO’ nun elektronik uygulamalarında

kullanılabilecektir (Erdoğan, 2010). Tablo 3.1 de ZnO’ nun çeşitli özellikleri

gösterilmektedir.


14

Tablo 3.1. ZnO’ nun sahip olduğu çeşitli özellikler

Özellikler

Moleküler formülü ZnO

Yoğunluk 5.606 g/cm3

Erime noktası 1975 °C

Kaynama noktası 2360 °C

Bant aralığı 3.3 eV( direk)

Kırılma indisi 2.0041

Kristal Yapısı Vurtzite

300 K’ de ki örgü parametreleri

ao co

ao / co

0.32495 nm

0.52069 nm

1.602

Statik dielektrik sabiti 8.656

3.1.2. Kimyasal Özellikler

Çinko oksit, çinko beyazı veya mineral zincit olarak bilinen beyaz toz olarak

görülür. Bu mineral genellikle belirli bir miktar manganez ve diğer elementleri içerir

ve sarıdan kırmızıya kadar olan renklerde görülebilir. Çinko oksit termokromiktir,

yani ısıtıldığında beyazdan sarıya döner ve havada soğumaya bırakıldığında ise

beyaza döner. Bu renk değişimi, yüksek sıcaklıklarda stokiyometrik olmayan yapının

( , 800 °C’ de x=0.00007) oluşmasına neden olan çok az sayıdaki oksijen eksikliğinden kaynaklanmaktadır.

Çinko oksit, amfoter bir oksittir, suda ve alkolde neredeyse çözünmez fakat

hidroklorik asit gibi çoğu asitlerde çözünmektedir.


15

+ 2 → + (3.1.)

Çinko oksit, aynı zamanda bazlarda çözünerek, çözünebilir zinkat oluşumuna

neden olur.

+ 2 + → ( ( ) ) (3.2.)

ZnO, yağlarda yağ asitleriyle, örneğin, karboksilaza denk oleat veya stearat

üretmek için, yavaş bir şekilde reaksiyona girer.

ZnO, aynı zamanda fosforik asitle işleme tabi tutulduğunda çimento benzeri

ürünler elde edilmektedir. Bununla ilişkili malzemeler de dişçilikte kullanılmaktadır.

Bu reaksiyon sonucu üretilen çinko fosfat çimentosunun ana bileşeni hopeittir.

( ( ) ∙ 4 ) (3.3.)

ZnO sadece 1975 °C’ de çinko buharı ve oksijene çözünür, bu ise onun ne

kadar kararlı bir yapıya sahip olduğunu gösterir. ZnO, karbon ile reaksiyona

girdiğinde Zn metali ve CO elde edilir.

+ → + (3.4.)

ZnO, sülfür elde etmek için hidrojen sülfür ile reaksiyona girer.

+ → + (3.5.)

3.1.3. Fiziksel Özellikler

3.1.3.1 Kristal Yapısı

Çinko oksit üç farklı kristal formunda ortaya çıkmaktadır. Bunlar, hekzagonal

(vürtzit), kübik çinko sülfür (cubic zinc blende) ve nadiren kübik kaya tuzu olarak


16

gözlenmektedir. Vürtzit yapısı ortam koşullarında en kararlısıdır ve dolayısıyla en

yaygın olanıdır. Zinc blende formu, ZnO’ nun kübik örgü yapısına sahip alt taban

üzerine büyütülmesiyle kararlı hale getirilebilir. Her iki durumda çinko ve oksit

merkezleri tetrahedraldir. Kaya tuzu yapısı (NaCl tipi) sadece 10 GPa civarındaki

yüksek basınçta gözlenir. Şekil 3.1 de ZnO’ nun kristal yapıları gösterilmektedir.

Şekil 3.1. ZnO’ nun kristal yapılarının gösterimleri (a) Kaya tuzu, (b) Zincblende, (c)

Hekzagonal vürtzit (Özgür ve ark, 2005)

Hekzagonal ve zinc blende çok kristalleri inversiyon simetrisine sahip

değillerdir. Bu ve diğer örgü simetri özellikleri hekzagonal ve zinc blende ZnO’ nun

piezoelektrik özellik göstermelerine ve hekzagonal ZnO’ nunda piroelektrik özellik

göstermesine neden olur.

Hekzagonal yapı 6 mm Å nokta grubuna veya ’ ye sahiptir ve uzay grubu 6 ’ tür. Örgü sabitleri, a=3.25 Å ve c=5.2 Å’ dur. Bunların oranı olan c/a~1.60 değeri, hekzagonal hücrenin ideal değerine (c/a=1.633) yakındır. Çoğu II-

VI grup materyallerinde olduğu gibi, çinko oksitteki bağlanma da çoğunlukla

iyoniktir ve bu da çinko oksitin neden iyi piezzoelektrik özelliği gösterdiğini

açıklamaya yetmektedir. Polar Zn-O bağlarına bağlı olarak, çinko ve oksijen

düzlemleri elektrik yükleri (sırasıyla, pozitif ve negatif) taşırlar. Dolayısıyla,

elektriksel nötralliğin sürdürülmesi için, bu düzlemler birçok ilgili materyallerde

atomik düzeyde yeniden düzenlenir. Fakat çinko oksitte bu durum


17

gerçekleşmemektedir. Onun yüzeyleri atomik olarak düzgün, kararlı ve yeniden

düzenlenme sergilemezler. ZnO’ da ki bu anormallik henüz tam olarak

açıklanamamıştır (Erdoğan, 2010).

3.1.3.2. Mekanik Özellikler

ZnO göreceli olarak mohs skalasında yaklaşık 4.5 sertlikle birlikte yumuşak

bir materyaldir. ZnO’ nun elastik sabitleri, GaN gibi III-V grubu yarıiletkenlerle

kıyaslandığında daha küçüktür. Yüksek ısı kapasitesi ve iletkenliği, düşük ısısal

genleşmesi ve yüksek erime sıcaklığı ZnO’ yu seramikler için faydalı kılmaktadır.

ZnO’ nun, tedrahedral olarak bağlanmış yarıiletkenler arasında en yüksek

piezzoelektrik tensöre sahip olduğu belirlenmiştir ve GaN ve AlN ile

kıyaslanabilmektedir. Bu özellik onu, büyük bir elektromekaniksel kuplaj gerektiren

birçok piezzoelektrik uygulamaları için teknolojik olarak önemli bir materyal

yapmaktadır (Erdoğan, 2010).

3.1.3.3 Elektriksel Özellikler

ZnO oda sıcaklığında geniş bant aralığına (3.3 eV) sahip bir materyaldir ve

bundan dolayı, saf ZnO renksiz ve geçirgendir. Yüksek bant aralığıyla ilgili

avantajlar, daha yüksek kırılma voltajı, büyük elektrik alanlara dayanma kabiliyeti,

daha düşük elektronik gürültü, yüksek sıcaklık ve yüksek güç etkinliklerini içerir.

ZnO’ nun bant aralığı, magnezyum oksit ve kadmiyum oksit ile alaşım yapılarak bir

başka değere (~3-4 eV) ayarlanabilir.

ZnO, bilinçli bir şekilde katkılanmadan bile genellikle n-tipi karaktere

sahiptir. n-tipi karakterin orijini olarak stokiyometrik olmayan durum gösterilmesine

rağmen, konu tartışmalı olarak durmaktadır. Bu konuda yapılan teorik hesaplamalar

sonucunda, istenmeyen hidrojen safsızlıklarının sorumlu olduğu bir öneri olarak ileri

sürülmüştür. Kontrol edilebilir katkılama, Zn ile Al, Ga, In gibi III. grup

elementlerinin yer değiştirmesi veya oksijen ile VII. grup elementleri klor veya

iyodun yer değiştirmesi kolayca başarılabilmektedir.


18

ZnO’ nun güvenilir bir Şekilde p-tipi katkılama işlemi zor olarak sürmektedir.

Bu problem, p-tipi katkılayıcıların düşük çözünürlüğünden ve çok miktardaki n-tipi

safsızlıklarla kompanse edilmesinden kaynaklanmaktadır. Benzer sorunlar GaN ve

ZnSe’ de görülmektedir. n-tipi bir materyalin p-tipi olarak ölçülmesindeki

karmaşıklık, örneğin homojen olmamasından kaynaklanmaktadır.

p-tipi katkılamadaki güncel sınırlamalar, ZnO’ nun elektronik ve

optoelektronik uygulamalarını sınırlamamaktadır. Bilinen p-tipi katkılayıcılar, I. grup

elementleri, Li, Na, K; V. grup elementleri, N, P ve As’ nin yanısıra, bakır ve

gümüşü içermektedir. Buna rağmen, bunların çoğu derin alıcılar oluştururlar ve oda

sıcaklığında kayda değer p-tipi iletkenlik sağlamazlar.

ZnO’ nun elektron mobilitesi sıcaklıkla hızla değişmektedir ve 80 K’ de

maksimum değere (2000 cm2/Vs) sahip olmaktadır. Deşik mobilitesi 5-30 cm2/Vs

aralığındaki değerlerle sınırlıdır (Erdoğan, 2010).

3.2. ZnO İnce Filmlerin Depolamasında Kullanılan Bazı Üretim Yöntemleri

3.2.1. Giriş

ZnO ince filmlerin büyütülmesi, onların mükemmel piezzoelektrik özellikleri

ve farklı türlerdeki alt tabanlar üzerinde (cam, safir, elmas) güçlü 0001 tercihli

yönelimle birlikte büyüme eğilimlerinden dolayı akustik ve optik aygıtlar için

çalışılmıştır. İlk çalışmalar, magnetron söktürme, kimyasal buhar depolama gibi

yöntemlerin kullanıldığı büyütme tekniklerinden bahsetmektedir. Elde edilen

filmlerin genellikle polikristal yapıda oldukları belirlenmiştir. Magnetron söktürme

tekniği ve depolama işlemleri üzerinde çok iyi kontrole izin veren moleküler demet

epitaksi, atmalı lazer depolama, metal organik kimyasal buhar depolama ve hidrit

(hydride) veya halojenür (Halide) buhar faz epitaksi gibi büyütme yöntemleri

kullanılarak yapılan son denemeler yüksek kalitede ZnO tek kristal filmler elde

edilmesine olanak sağlamıştır. ZnO filmlerinin özelliklerinin geliştirilmesi, oda

sıcaklığında optiksel pompalanmış lazerin gözlenmesine olanak sağlamıştır. ZnO’

nun UV ışık yayıcılar olarak potansiyel uygulamalara sahip olması, ZnO büyütme


19

üzerindeki araştırmalara ilginin yönelmesine neden olmuştur. Homo epitaksiyi

mümkün kılmak için yüksek kaliteli ZnO alt tabanlar elde edilebilir. Buna rağmen,

uzun bir süre boyunca büyütme işlemlerinin çoğu, ZnO ile kötü ısısal uyuşma ve

kötü yapıya rağmen, düşük maliyet, geniş alan tabakaları olarak elde edilebilmesi ve

geniş enerji bant aralığından dolayı safir (Al2O3) üzerine yapılmıştır. Yüksek kaliteli

ZnO alt tabanlarının elde edilebilirliği, yüksek kaliteli epitaksiyel tabakaların

kaplanması yolunu açmamaktadır. Bulka uyumlu epitaksiyel tabaka gerçekleştirmek

için birçok çalışma yapılmaya devam etmektedir. Büyük alanlı ve yüksek kaliteli

filmlerin büyütülmesi sadece malzeme bilimi için değil bir çok aygıt uygulamaları

için de önemlidir. Geleneksel olarak ZnO büyütmede alt taban olarak safir

kullanılmış olmasına rağmen, safir alt taban ve ZnO arasındaki büyük örgü

uyuşmazlığının neden olduğu yüksek dislokasyon yoğunluğu, aygıt performansını

olumsuz yönde etkilemiştir. Şimdi ZnO ince filmlerin büyütülmesinde kullanılan

bazı üretim yöntemlerinden bahsedilecektir (Özgür ve ark, 2005).

3.2.2. Radyo Frekans Magnetron Söktürme Yöntemi (RF Magnetron

Sputtering)

İlk ZnO araştırmalarında kullanılan en popüler büyütme yöntemlerinden birisi

söktürme yöntemidir (DC Söktürme, RF Magnetron Söktürme ve Reaktif Söktürme).

Magnetron söktürme, sol-gel ve kimyasal buhar depolama yöntemleriyle

kıyaslandığında, düşük maliyeti, basitliği ve düşük işlem sıcaklığı nedeniyle tercih

edilen bir yöntemdir. ZnO filmler, rf magnetron sökürtme yöntemi kullanılarak

yüksek saflıktaki bir ZnO hedefinden söktürmeyle belirli alt tabakalar üzerinde

büyürler. Büyütme işlemi, genellikle büyütme ortamındaki O2/Ar+O2 oranının 0’ dan

1’ e değiştiği 10-3-10-2 Torr basıncında gerçekleştirilir. O2 reaktif gaz olarak ve Ar da

söktürme gazı olarak kullanılır. ZnO filmler aynı zamanda Ar+O2 karışımında bir Zn

hedefinden dc söktürmeyle de büyütülebilirler. Plazmaya uygulanan rf gücü, ZnO

hedefinden elde edilen söktürme ürün oranını düzenlemek için ayarlanır. Bu

deneylerde hedef, gerçek depolama başlamadan önce hedef yüzeyinin üzerindeki

kirliliği çıkarmak, sistemi kararlı yapmak ve en iyi şartlara ulaşmak için 5-10 dakika


20

civarında ön söktürme işlemine tabi tutulur. İlk sökürtme malzemelerinin çoğunun

polikristal hatta amorf olmasına rağmen bazı önemli başarılar raporlanmıştır (Özgür

ve ark, 2005).

3.2.3. Moleküler Demet Epitaksiyel Yöntemi (Molecular-Beam Epitaxy-MBE)

Moleküler demet epitaksi’ nin en büyük avantajı, depolama parametreleri

üzerinde mükemmel kontrole izin vermesi ve doğasında var olan tanı kapasiteleridir.

MBE ile ZnO ince film büyütmek için kaynak malzeme olarak genellikle Zn metali

ve O2 kullanılır. Yüksek saflıktaki Zn metali bir dökme ünitesinde buharlaştırılır. Bu

dökme ünitesinin sıcaklığı, Zn akısının, büyütme oranı ve malzeme özellikleri

üzerindeki etkisini araştırmak için değiştirilebilir. Bir ECR veya rf plazma kaynağı

ile üretilebilen oksijen demeti, yüksek oksidasyon verimi sağlamak için örneğin

üzerine yönlendirilir. Oksijen plazma kullanıldığı zaman, depolama boyunca oda

basıncı 10-5 Torr civarındadır. Aynı zamanda MBE ile safir alt taban üzerine ZnO

üretmek için nitrojen dioksit (NO2) kullanılmıştır. Nitrojen dioksit kullanımının,

duyarlı flamanları ve ısıtıcıları korumak için oda basıncını düşük değerde muhafaza

etmek amaçlı olduğu belirtilmiştir. Fakat, sonuçta elde edilen kristal yapı ve yüzey

morfolojisi yeteri kadar tatmin edici değildir. Aynı zamanda aktif oksijen kaynağı

olarak hidrojen peroksit (H2O2) kullanılmasıyla başarılı ZnO filmler elde edildiği

belirtilmiştir (Özgür ve ark, 2005).

3.2.4. Atmalı-Lazer Depolama Yöntemi (Pulsed Laser Deposition-PLD)

Atmalı-lazer depolama yönteminde, yüksek güçlü lazer atmaları ile bir hedef

yüzeyinden materyal buharlaştırılır ve etkileşme sonucunda materyalin

sitokiyometrisi korunur. Sonuç olarak, süpersonik jet parçacıkları (plume) hedef

yüzeyine normal olarak yönlendirilir. Plume ileri yönlendirilmiş bir hız dağılımıyla

birlikte hedeften yayılır. Ablasyon edilmiş türler hedefin karışışına yerleştirilmiş olan

alt tabaka üzerine yoğunlaşır. Tipik atmalı lazer depolama sisteminin şematik bir

gösterimi Şekil 3.2 de verilmiştir. PLD’ nin en önemli avantajları, yüksek enerjili


21

kaynak parçacıkları yaratma kabiliyeti, düşük alt taban sıcaklığında (200-800 °C)

yüksek özellikli film büyütülmesine izin vermesi, basit deneysel kurulumu, 10-5-10-1

Torr oranındaki yüksek gaz basıncında işlem yapılması olarak belirtilebilir. PLD

tekniğiyle ZnO büyütmede genellikle, UV excimer lazerleri (KrF : λ=248 nm ve ArF

: λ=193 nm) ve Nd : yttrium aliminyum garned (YAG) atmalı lazerleri (λ=355 nm)

kullanılır. Bazı durumlarda, benzer amaçlar için λ=510-578 nm Cu-buhar lazer

yayınımı kullanılmıştır. Hedef olarak, genellikle ZnO tozlarından preslenerek

yapılmış silindirik ZnO tabletleri kullanılmaktadır. Ayrıca yüksek özellikli ZnO ince

filmler büyütmek için tek kristal ZnO kullanılmıştır. Saf Zn metali çok nadir

durumlarda kullanılmaktadır. Büyütülen ZnO filmlerinin özellikleri, başlıca, alt taban

sıcaklığı, oksijen basıncı ve lazer yoğunluğuna bağlıdır (Özgür ve ark, 2005).

Şekil 3.2. Atmalı lazer depolama sisteminin şematik diyagramı (Özgür ve ark, 2005)


22

3.2.5. Kimyasal Buhar Depolama Yöntemi (Chemical Vapor Deposition-CVD)

Diğer büyütme yöntemleri arasında, kimyasal buhar depolama teknolojisi

sadece yüksek kaliteli filmler elde edilmesi için değil aynı zamanda büyük ölçekli

üretim için de uygun olduğundan dolayı özellikle ilgi çekicidir. Bu teknik, ileriye

dönük çeşitli GaN temelli optoelektronik aygıtların tasarımında işe yarayacak

epitaksiyel filimlerin üretimi için yaygın bir şekilde kullanılmıştır. Benzer eğilim,

ZnO’ nun gelecekteki uygulamaları için de beklenebilir. Kullanılan prekürsöre göre

bu tekniğin birkaç değişik türleri vardır. Metal organik prekürsör kullanıldığında, bu

teknik, metal organik kimyasal buhar depolama (Metal Organic Chemical Vapor

Deposition-MOCVD), metal organik buhar faz epitaksi (Metal Organic Vapor-Phase

Epitaxy-MOVPE), organametalik buhar faz epitaksi (Organametallic Vapor-Phase

Epitaxy-OMVPE) olarak adlandırılır. Hidrit veya halojen prekürsörü kullanıldığı

durumda ise, bu teknik, hidrit veya halojen CVD veya VPE olarak adlandırılır.

Kimyasal buhar depolama yöntemi ile ZnO depolama, büyütme odasına

taşıyıcı gaz ile iletilen buhar fazındaki prekürsörün alt taban üzerindeki kimyasal

reaksiyonun bir sonucu olarak ortaya çıkar (Özgür ve ark, 2005).

3.2.6. Filtreli Katodik Vakum Arklar

3.2.6.1 Giriş

Vakum ark, bir vakum ortamında iki elektrot arasındaki yüksek bir akım

düşük gerilim elektrik deşarjıdır. Vakum, düşük voltajda kendiliğinden yüksek bir

akım deşarjı sürdüremez, Plazmanın elektrotlarla yoğun bir şekilde etkileşimi sonucu

oluşan arkın oluşturduğu buharlaştırılmış elektrot materyalinin iyonlaşmış plazma

formundaki iletken bir ortama gerek vardır.

Çoğu vakum arklar birkaç kA’ den az akımlara sahiptirler ve plazma üretimi

katot spotları olarak bilinen katot üzerindeki bir veya birkaç küçük yerlerde

sınırlandırılmıştır. Son derece parlak katot spotu oldukça göz alıcı bir şekilde

görünür ve vakum ark açısından bir hayli çalışılmıştır. Katot spotları iletken bir


23

ortam sağlamanın yanı sıra, aynı zamanda genellikle soğuk elektrottan elektronların

salınması için de gerekli mekanizmayı temin eder. Ark akımının tamamının küçük

alanlarda yoğunlaşmasıyla, yerel olarak aşırı derecede yüksek sıcaklık ve elektrik

alan oluşur. Eğer akım düzgün olarak dağılmış olsaydı, ne yeteri kadar elektron ne de

plazma üretimi oluşabilirdi. Katodun gerçek mekanizması hala bir araştırma konusu

iken, ondan üretilen plazmanın özellikleri iyi anlaşılmış olup, sıradışıdır. Katot

spotundan üretilen metal buharı hemen hemen tamamıyla iyonize olur ve özellikle

ısıya daha dayanıklı katot metaller için çoklu iyonize türler yaygındır. Bu iyonlar, 20

V dolaylarındaki deşarj voltajlarında bile tipik olarak 50-150 eV’ lik kinetik

enerjilerle oldukça enerjitiktir. Bu da katot spotlarından 10 km/s mertebesinde

uzaklaşan bir plazma akış hızını açıklamaya yetmektedir. Sonuç olarak, bol miktarda

plazma üretilir. Plazma jetindeki, konveksiyon yoluyla yayılan iyon akımı yaklaşık

olarak ark akımının % 10’ u kadardır.

Katot plazma jeti her doğrultuda yayılır ve plazmanın bir kısmı anot ile temas

eder. Elektrik akımı, aynı yük yoğunluğuna ve genelde aynı yönelimde akıya sahip

iyonların hızından belirgin bir şekilde daha hızlı olan elektron akışıyla katottan anoda

doğru sağlanır. Elektrik akım akısının olduğu kadar plazma akısı da, ister ark akımı

tarafından kendiliğinden oluşsun ister dış etkilerden oluşsun manyetik alan tarafından

etkilenebilir. Anottaki iyon ve elektrik akısı anodu ısıtabilir ve uygun şartlar altında

anot bir kaynak ve hatta plazmanın ana kaynağı olabilir. (Boxman ve ark.)

3.2.6.2. Ark İnce Film Depolama

İdeal ince film depolama yöntemi pratik büyütme şartlarında yoğun filmler

depolamak için yeterli enerjinin olmasını gerektirir. Reaktif depolama boyunca

bileşik filmlerin oluşumunu desteklemek için yüksek dereceli bir iyonizasyon

gerekir. İnce film depolamak için vakum arkların kullanılmasındaki önemli bir

zorluk, katot materyalinin erimiş damlacıklarıyla plazmanın kirletilmesidir. Bu

damlacıklar ortalama birkaç mikrometre olmasına rağmen makro parçacıklar olarak

adlandırılırlar. Makro parçacık filtresinin gelişimi, endüstride ve araştırmalarda ince


24

film depolama plazma kaynakları olarak vakum arkların benimsenmesinde etkili

olmuştur (Erdoğan, 2010).

3.2.6.3. Ark İyon Kaynağı

Geleneksel plazma kaynaklarına kıyasla, katodik ark tarafından üretilen

plazma çok büyük bir oranda iyonize olmaktadır. Bu da, plazmanın elektromanyetik

olarak hareket ettirilmesine olanak sağlamaktadır. Bundan dolayı, manyetik selenoid

bir makro parçacık filtresi olarak kullanılabilir. Bu özelliğin avantaja dönüştürüldüğü

başka bir yol da, metal bir iyon kaynağı yaratmak için yüklü ekstrasyon gridinin

kullanılmasıyla plazmadan iyonlar çekilmesidir (Erdoğan, 2010).

3.2.6.4. Katodik Ark Bileşenleri

Modern pratik vakum arklar Şekil 3.3’ de gösterildiği üzere birkaç zorunlu

bileşenlerden meydana gelmektedir; plazmanın elde edildiği iletken bir katot, deşarjı

başlatmak için bir tetikleyici, bir güç kaynağı ve bir vakum odası. Ek bileşenler,

manyetik kapatma bobinleri ve bir makro parçacık filtresi olabilir. Katot materyalinin

seçimi onun sadece bir akımı iletme yeteneğiyle sınırlanır. İletken alaşımlar, grafit

karbon ve katkılı yarıiletkenlerin olduğu kadar bütün saf metalik türler potansiyel

katotlardır. Katot materyali plazmanın bileşenlerini belirler. Katot tasarımları, bir ucu

güç kaynağına bağlı ve diğeri ark bölgesi ve plazma üretiminin olduğu dairesel

yüzeyle birlikte hemen hemen değişmeyen bir katı disktir. İnce tellerden çapları 10

cm’ lere kadar değişen oranlarda katotlar bulunmaktadır.


25

Şekil 3.3 Katodik vakum arkın başlıca bileşenlerinin şematik gösterimi

Anot, katot yüzeyinden çıkan plazma jetinin (plume) içinde bulunmalıdır.

Anodun yerleşimi öyle olmalıdır ki, plazmanın çoğunluğunun akışını engellememeli,

yani deşarjın devam ettirilmesi için yeteri kadar elektronların toplanabileceği plazma

üretim bölgesine yeterince yakın olmalıdır. Geleneksel anot tasarımları, içerisinden

plazmanın önemli bir kısmının geçebileceği katot etrafındaki bir silindirden veya

içerisinden plazmanın çoğunluğunun geçmesine izin veren, merkezi delik düz bir

toplayıcı plakadan meydana gelir (Erdoğan, 2010).

3.2.6.5. Ark Deşarjı

Her iki elektrot bir vakum odasına yerleştirilir ve odacığın içi boşaltılır. Ark

başlatılmadan önce elektrotlar arasında bir potansiyel kurulur. Bu ön deşarj

potansiyeli 10 voltlar mertebesindedir. Ark, elektrotlar arasında akım sürekliliğini

sağlamak için bir miktar plazmanın yaratılmasıyla başlar. Bu, birçok farklı yöntemle

gerçekleştirilebilir. Anot potansiyelinde tutulan mekanik bir tetikleyici elektrot ile

katodun fiziksel temas etmesi yaygın yöntemlerden birisidir. Aynı zamanda, bir

tetikleyici elektrotundan yüksek gerilim kıvılcımı (high-voltage flashover) veya katot

materyalinin lazer ablasyonu gibi temassız yöntemler de kullanılmaktadır. İlk olarak,


26

arkın kendi kendine sürdürüldüğü birincil elektrotlar arasında elektriksel bir kontak

yapılır. Aksi taktirde daha konveksiyonsal deşarj için iletken ortam olarak iyonlaşmış

gaza gereksinim duyulur. Bu iletken ortam katot materyalinden meydana gelir ve

elektrotlar arasında anahtar rolü oynar. Güç kaynağı elektrotlar arasındaki potansiyel

farkını sürdürebildiği sürece, anot etkin bir şekilde katottan elektron toplayabilir.

Ark, katot materyali ablasyon edilene kadar devam eder. Yanma (burning) gerilimi,

elektrotlar arasına uygulanan ön potansiyelden de tahmin edildiği gibi deşarj

boyunca katot ve anot arasında sürdürülen potansiyel farktır. Güç sağlayıcı genellikle

düşük empedanslı olduğundan dolayı, plazmanın elektriksel direnci yanma

geriliminin ön belirleyicisidir (Erdoğan, 2010).

3.2.6.6. Atmalı ve Sürekli Katodik Vakum Ark

Katodik vakum ark kaynakları, sürekli (veya dc) ve atmalı olmak üzere iki

sınıfta gruplandırılabilirler. Özellikle bütün katodik ark deşarjları dc deşarjlardır. DC

ve atmalı deşarjlar arasındaki fark, atmalı arkın kısa yanmasına bağlı olarak meydana

gelmekte ve arkın herhangi salınımlı doğasına bağlı değildir. DC arklar genelde

onların atmalı benzerlerinden çok daha düşük akımlarda çalışırlar ve netice olarak

fark edilebilir şekilde farklı akım-gerilim ve plazma karakteristikleri sergilerler.

Genelde, dc arklar 10 ve 100 V arasındaki yanma gerilimleriyle birlikte 20’ den 200

A civarlarına kadar akımlar çekerler. Çok düşük akımlarda çalışıldığında (


27

katottaki güç dağılımına bağlanır. Katodik arkların plazma üretim kapasitesi,

elektriksel bileşenleri soğutma yeteneğiyle kısmen belirlenir (Erdoğan, 2010).

3.2.6.7. Katot Spotları

Bilinen glow deşarjların aksine, bir vakum arkta katottaki akım sürekliliği

plazma sütunlarından ortaya çıkan yüklü parçacıklar tarafından sağlanamaz. Ark

akımı, katot yüzeyindeki katot spotları olarak bilinen mikrometre çapındaki parlak

spotların aracılığıyla yönlendirilir. Bu spotlar iyonizasyonun artmasına ve elektroda

enerji transferine neden olan oldukça yüksek bir akım yoğunluğuna sahiptir. Enerjitik

iyonlar ve elektronlar bu spottan yayınlanırlar ve vakum ortamında deşarjın

sürdürülmesi için gerekli metal buharını temin ederler. Plazma türlerinin üretimine

ek olarak, lokal ısınma ve spot bölgesinden eriyik damlacıkların patlayıcı yayınımı

ile makro parçacıklar üretilir (Erdoğan, 2010).

3.2.6.8. Spot Başına Akım

Spot başına akım vakumda, verilen bir katot materyali için açıkça sabittir.

Eğer ark akımı değişirse, spotların bu parametreleri muhafaza etmek için bölündüğü

veya söndüğü gözlenmiştir. Farklı malzemeler için spot başına ortalama akım

değerlerinde, katı civa için 0.5 A civarlarından, karbon veya tungsten için birkaç yüz

amperlere kadar uzanan oranlarda büyük bir farklılık vardır. Aynı zamanda yanma

gerilimleri de farklı malzemeler için çeşitlilik gösterir. Fakat, bu değişim 16-25 V’

dan çok daha küçük oranlarla sınırlandırılır. Yüzey kirlilikleri yanma gerilimini 3-5

V civarında düşürür (Erdoğan, 2010).

3.2.6.9. Akım Yoğunluğu

Bir ark spotunda akım yoğunluğu oldukça yüksektir. Spot başına akımın

ölçülmesi kesin doğrulukla belirlenebilirken, bu spotun aktif alanının tahmin

edilmesi zordur. Bu spotlar yüksek hızlı kameralarla optik olarak gözlenmeye


28

çalışılmıştır. Aktif alanın, kısmen iletken ısınmaya bağlanan ışıltılı bölgeden farklı

olarak tam olarak belirlenmeye çalışılması hatalı sonuçların ortaya çıkmasına neden

olmaktadır. Ek olarak, genişleyen plazma yoğun bir optik sinyal yaymakta ve bu da

spot çapının tahmin edilmesini zora sokmaktadır. Aynı zamanda ark sonrası, elektron

mikroskobuyla ark kraterlerinin gözlenerek spot boyutlarının tahmin edilmesi

hatalara meyillidir. Katot yüzeyindeki hasarlı bölgenin ölçülmesi oldukça basit iken,

tam anlamıyla hasarlı bölgenin ne kadarının akım için iletim hattı olduğunun

belirlenmesi, eriyik malzemenin ark boyunca spotlardan patlayarak (explosive)

atılmasından dolayı zordur. Bu belirsizliklerden dolayı, ark akım yoğunluğuyla ilgili

deneysel tahminler, 109’ dan 1012 Am-2’ ye kadar olan oranlarda değerlerin

olabileceğini göstermiştir. Teorik modeller bu yoğunluğun bir derece kadar daha

büyük olabileceğini desteklemektedir. Beilis ve arkadaşları deneysel gözlemlere

dayanarak bakır katotlar için uygun bir model geliştirmişlerdir. Bu modele göre akım

yoğunluğu, 15 V’ luk bir yanma gerilimi ve 40 A’ lik bir ark akımı için, spot

yanmasından 20 μs sonra, 1×1010 Am-2 olarak belirlenmiştir. Aynı noktada spottaki

plazma yoğunluğu da 1.5×1026 m-3’ tür (Erdoğan, 2010).

3.2.6.10. İyon Hızları

Yüksek akım ve plazma yoğunluklarının bir sonucu olarak vakum arkların

ayırt edici bir özelliği plazma iyonlarına verilen oldukça yüksek kinetik enerjidir.

Çok yüksek plazma yoğunluğu güçlü basınç gradyentleri yaratır, bu da yüksek yerel

elektrik alanla birleştirildiğinde, iyonların süpersonik hızlara ivmelenmesine neden

olur. İyon hızları hemen hemen iyon kütlesinden ve yük durumundan bağımsız

olarak 0.5-2×104 ms-2 arasında değerler alır. Bu da, ince filmlerin depolanması için,

eşsiz bir koşul sağlar. Dolayısıyla, iyon çarpışmaları aracılığıyla büyüyen filme

enerji verilmesi, film stresini ve sertliğini etkileyen bir faktör haline gelir. Katodik

ark plazmada yüksek derecede iyonizasyondan faydalanmak için alt tabana bir

öngerilim uygulanmasıyla iyonlara ek enerji verilebilir (Erdoğan, 2010).


29

3.2.6.11. İyon Yük Durumları

Deşarj süresince plazma atomlarının çoğunluğu iyonize olmaktadır ve katoda

göre birkaç milimetreden daha büyük uzaklıklarda, iyonların elektronlara oranı

genellikle 0.1 civarında sınırlandırılmıştır. Aşırı derecede yüksek akım

yoğunluklarına bağlı olarak, spot bölgesinden fırlatılan materyal, altıya kadar yük

durumuna sahip enerjik iyonlar içerir. Çoğu metal türleri düşük ark akımlarında

ortalama 1 ile 3 arasında iyon yük durumlarına sahiptirler.

Dış manyetik alanın, yük durumlarının dağılımını etkilediği gözlemlenmiştir.

Yüksek ark akımlarının, (> 1 kA) aynı zamanda ortalama yük durumlarını da

arttırdığı gözlenmiştir. Bu iki olay, artan bir ark akımının çoklu ark spotlarının

üretimine neden olduğu düşünülerek açıklanabilir. Büyük bir akım için bir iletim

hattı olan her bir ark spotu büyük bir manyetik alanın kaynağıdır ve bu alan

uygulanan bir dış manyetik alana benzer şekilde spotların çevresinde etkili

olmaktadır, dolayısıyla, yük durumlarının oranını da etkilemektedir. Buna ek olarak,

deşarj süresince ki ortalama iyon durumları, yaklaşık 100 μs sonra, maksimum bir başlangıç değerinden kararlı bir duruma gelene kadar düşer. Bu ,yüzey kirliliğine ve

adsorbe gazların katot yüzeyinin elektronik özelliklerini etkilemesine bağlı olarak

mümkündür (Erdoğan, 2010).

3.2.6.12. Spot Türleri

Yüzey kirlilikleri ve adsorbe gazlardan dolayı katodun iş fonksiyonundaki

değişimler, aynı katot materyali üzerindeki katot spotlarının çarpıcı şekilde farklı

özelliklerle gözlenmesini açıklamak için bir yöntem olarak ileri sürülmüştür.

Genelde spotlar tip 1 ve tip 2 spotları adı altında iki grupta sınıflandırılabilirler. Tip 1

spotları spot başına oldukça küçük bir akımla (


30

3.2.6.13. Tersinir Hareket

Katot spot hareket teorisinde çözümlenmemiş bir problem de, özellikle bir

manyetik alanda katot spotlarının gözlenen hareketini kapsamlı bir biçimde açıklama

yetersizliğidir. Basit katot spotları dış manyetik alanın yokluğunda katot yüzeyi

boyunca gelişigüzel bir hareket sergiler. Uygulanan bir dış manyetik alanın

varlığında spot davranışı biraz daha karmaşıktır. Elektromanyetik teori, bir manyetik

akı yoğunluğunun varlığında, B, bir elektrik akım yoğunluğunun, J, J×B gibi bir

kuvvete tabi olduğunu öngörür. Aksine, katot yüzeyine paralel bir dış manyetik

alanın varlığında (enine manyetik alan), katot spotlarının teoride beklenenin tersi bir

yönde hareket ettiği gözlenmektedir. Bu olgu tersine (retrograde) hareket olarak

belirlenmiş ve onu açıklamak için yapılan çok sayıdaki girişimler göstermiştir ki elde

edilen sonuçlar ya yetersizdir ya da çelişkilerle doludur. Tersinir hareketin vakum

odasındaki gaz basıncından etkilendiği gösterilmiştir. Arka plan basınç arttıkça,

tersinir hareket yavaşlamakta ve sonra kritik bir basınç değerinde tersine

dönmektedir.

Juttner ve Kleberg, enine manyetik alanlarda katot spotlarının hareketini ve

yapısını araştırmak için yüksek hızlı mikroskop kullanmışlardır. Onlar, Şekil 3.4 de

gösterildiği gibi, katot spotlarından tersinir yönde yayınlanan plazma jetlerine ait

kanıt bulmuşlardır. Katot spot hareketinin bu jetlerin yönünü takip ettiği

gözlenmiştir. Drouet tarafından, spot bölgesindeki plazmanın manyetik alan

tarafından karşıt kenarda hapsedildiğini ifade eden bir hipotez ileri sürülmüştür.

Plazmanın katot spotlarından kaynaklanan kuvvetler altında genişlemek için yetersiz

kalması, kararsız durum oluşması için hapsolmasına neden olur ve plazma jetleri

ortalama 5 km.s-1 hızla tersinir kenara doğru yayınlanır. Yüksek akım arkları katot

yüzeyinde eşzamanlı çoklu ark spotları sergilerler. Her bir spot katot yüzeyine

normal yönde bir akım taşır ve sonuç olarak enine bir manyetik alan üretir. Diğer

katot spotları akabinde tersinir hareket sergiler ve bütün spotlardan kaynaklanan

toplam alan spotlar arasında bir itici kuvvete neden olur. Yüksek akım ark spotları,

doğasına bağlı olarak arktaki toplam akıma ve yanma noktasından olan uzaklığa

orantılı bir hızla yanma noktasından dışarı doğru hareket eder (Erdoğan, 2010).


31

Şekil 3.4. Ark spotlarının aksi yönüne doğru ayrılan plazma jetlerinin görüntüsü

3.2.6.14. Plazma ve Makroparçacık Taşınması

Vakum ark depolama teknolojisinin, ileri teknoloji sıkı kaplamalarda

depolanan parçacıkların yüksek depolama oranı ve yüksek iyonizasyonuna bağlı

olarak diğer teknolojiler üzerinde üstünlüğü vardır. Vakum ark işlemlerinin önemli

avantajlarından birisi, katot materyalinden anlamlı bir miktarda enerjitik iyonların

oluşmasıdır. Vakum ark ile üretilen iyonlar çoklu yüklenmişlerdir ve kompleks

yüzeyli alt tabanlar üzerinde yoğun ve yapışık kaplama olması için optimum kinetik

enerjiye yakın (birkaç 10 eV) değerdedirler. Buna rağmen, bir vakum ark deşarjında

plazma üretimi daima makro parçacıkların bir akısını beraberinde getirir.


32

Aynı zamanda katot spotunda da üretilen bu sıvı döküntüler ve katı kırıntılar

makro parçacıklar olarak bilinir.

Katottan yayınlanan makro parçacıkların çoğu 10-800 m/s oranlarında hızlara

sahip olup, başlangıçta hemen hemen katot yüzeyine paraleldirler. Makro parçacık

kütle akısının en büyük parçası birkaç mikron çapına sahip damlacıklar ile taşınır.

Makro parçacıklar plazma içinden geçtikçe plazma ile etkileşime girerler. En yavaş

ve en küçük makro parçacıklar, katot yayınımlı iyonların onların üzerine çarpmasıyla

oluşan basınç sonucu kendi radyal yörüngelerinden anoda doğru saptırılırlar. Ayrıca,

iyon akısı makro parçacıkları ısıtır ve en küçük ve en yavaş makro parçacıklar 2000-

2600 K dolaylarındaki kararlı durum sıcaklığına ulaşabilirler. Bu sıcaklıktaki iyon

bombardımanı sonucu oluşan ısı akısı makro parçacıkların buharlaşmalı

soğutulmasıyla dengelenir. Makro parçacık buharlaştırma MCS arkın plazma

bölgesindeki gözlenen nötrallerin ilk kaynağı olduğu düşünülür. Buna rağmen,

makro parçacıklardan yayınlanan nötraller çok uzağa gitmeden önce iyonize

olacaklardır. Oluşturulan iyonlar bu nedenle başlangıçta makro parçacıkların yüzey

sıcaklığının karakteristik termal hızlarına sahip olacaklardır (800 m/s). Bu hız

katottan yayınlanan hızlarla kıyaslandığında yavaş sayılır. İyonlardan kaynaklı

makro parçacık üretim oranı, akım yoğunluğu ve makro parçacıkların yoğunluğunun

çarpımına bağlı olacaktır. Diğer taraftan, makro parçacıkların yoğunluğu katot

materyali ve geometrisine, deşarj akımına ve katot ısısal sistemine bağlıdır.

Plazma akısındaki makro parçacıklar depolanan tabakada kusurlar oluşturur.

Bu, özelliklede ince film kaplama durumunda tabakanın niteliğini düşürür. Eğer

yüksek kalitede opto elektronik film üretimi için plazma kaynakları kullanılacaksa bu

parçacıklar mutlaka çıkarılmalıdır. Bundan dolayı makro parçacıkların plazmadan

çıkarılması için basit ve etkili sistemlerin yaratılması önemlidir (Çetinörgü, 2007).

3.2.6.15. MP Filtresi Dizayn Kriteri

Katodik ark deşarjı tarafından üretilen iyon akısından makro parçacıkların

ayrılması veya eliminasyonu birçok araştırma çalışmalarının amacı olmuştur. Bir

makro parçacık filtrenin kullanımı dezavantajsız değildir. Filtreler genellikle dizayna


33

bağlı olarak etkili kaplama oranını belirli düzeylere kadar düşürürler. Bütün filtre

dizaynları ark kontrolünün temel sorunlarına hitap etmek zorundadır, örneğin; metal

iyonlarının filtrenin içinden taşınması ve kaynağı kaplanacak parçaların görüş

açısından korunması gibi. Bütün filtreler ayrıntılı kısıtlamalarla dizayn edilmesine

rağmen, onlar geometride önemli ölçüde birbirinden ayrılırlar. Bütün bunlara

rağmen, katottan kaplanacak alt tabana kadar iyonlara yön veren, filtrenin içinden

geçen manyetik olarak kısıtlanan elektron akısı ile üretilen elektrostatik alana

güvenmeliyiz. Bu, akı tüpü (flux tube) veya plazma optiksel model olarak

adlandırılır.

Yukarıda bahsedildiği gibi makro parçacık filtrenin içinden elektronların

akışı, iyonlara yön vermek için gerekli elektrostatik alanı üretir. Kullanılan manyetik

alan iyon yörüngelerini çok uzun süre etkilemek için yeteri kadar güçlü değildir,

fakat 5-20 mili teslalık alan elektronları kuvvetli bir şekilde etkiler. Elektronların

limitli çapraz alanlı hareketi sistem içinde elektrostatik bir potansiyelin oluşumuna

izin verir bu da iyonlara yön verir. Herhangi çapraz alanlı iletken yüzeyler, üretilen

potansiyelleri düşürecektir ve f

Date post:	10-Feb-2021
Category:	Documents
Upload:	others
View:	1 times
Download:	0 times

cu.edu.tr - ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ...ZnO oda sıcaklığında 3.3 eV’luk...

Documents