İnce yaygı çinko oksitin ısıl buharlaştırma yöntemi ile büyütülmesi ve yapısal ve optik özelliklerinin araştırılması

Abstract

ZnO ince yaygılar (filmler) cam alttaşlar üzerine Zn tozu kullanılarak vakum altında ısıl buharlaştırma yöntemi ile büyütülmüş ve hava ortamında ısıl işleme tabi tutulmuştur. Isıl işlem süre ve sıcaklıkları 1-3 saat ve 450-600 ºC aralığında değişmiştir. Elde edilen ZnO ince yaygıların yapısal ve optik özellikleri x-ışını kırınımı (XRD), Raman saçılması, taramalı elektron mikroskobu (SEM), EDS ve optik soğurma spektrumu ile karakterize edilmiştir. Elde edilen sonuçlar Knudsen eşitliği, kuantum kuşatması, Williamson-Hall analizi, Urbach metodu kullanılarak değerlendirilmiştir. Isıl işlem uygulanmamış numune için XRD kırınım deseni az oranda ZnO wurtzite yapısı ile beraber çoğunlukla altıgen Zn karakteristiği göstermektedir. 450-600 ºC (1-3 saat) sıcaklığındaki ısıl işlem sonrası ZnO yapısına ait kırınım tepeleri ortaya çıkmaktadır. SEM mikrografikleri, ısıl işlem öncesi altıgen düğme yapısı görünümü, sonrasında ise nanometre boyutunda iğneli yapılar sergilemektedir. Raman spektrumlarındaki ısıl işlemsiz numune için bazı titreşim kiplerinin, ısıl işlem uygulanmış numunelere göre kırmızıya kayması ve 582 cm-1 deki Raman çizgisi, ZnO ince yaygıların, oksijen boşluklarını veya Zn arayer atom kusurlarını işaret etmektedir. Isıl işlemsiz Zn ince yaygısı için yüksek frekanslı oksijen titreşiminden ileri gelen en şiddetli Raman kipi, ısıl işlem uygulanmış ZnO numunelere göre 7 cm-1 kadar kırmızıya kaymıştır. 450-600 ºC'de (veya 1-3 saat aralığında) ısıl işlem sıcaklığının (veya süresinin) artışıyla, ince yaygıların yasak enerji kuşak aralıkları 2.23 eV ile 3.04 eV aralığında değişmiş, düzensizliğin bir ölçütü olan Urbach enerjileri ise 0.23-0.47 eV aralığında değişim göstermiştir.

ZnO thin films were grown on glass substrates under vacuum by thermal evaporation technique and were heat treated in air. The duration and temperature of heat treatment change in between 1-3 h and 450-600 oC. Structural and optical properties of thin films were characterized by X-ray diffraction (XRD), Raman scattering, scanning electron microscopy (SEM), EDS and optical absorption spectroscopy. The experimental results were interpreted by using Knudsen equation, quantum confinement, Williamson-Hall analysis, Urbach rule. Xrd pattern for as-deposited thin film sample consists of hexagonal Zn structure with slight wurtzite ZnO texture. SEM micrographs exhibit hexagonal button shaped grains before the heat treatment and then display nanometer sized needle structure. The red shift of some vibrational modes in Raman spectra for asdeposited thin film relative to the heat-treated films and the introduction of a line at around 582 cm−1 indicate that ZnO thin films have defects such as oxygen vacancies or zinc interstitials. The most intense Raman mode due to high frequency oxygen vibration for as-deposited zinc film is red-shifted by about 7 cm−1 relative to the Raman mode for the ZnO thin films heat-treated. By the increase of the heat treatment temperature (or duration) at 450-600 oC (or at 1-3 hours), band-gap values of the thin films change in between 2.23 eV and 3.04 eV and Urbach energy values vary in between 0.23-0.47 eV.