Tabakalı yarıiletken kristallerden TIGaSe2, TIInS2 ve GaSe kristallerinin optiksel özelliklerinin incelenmesi

Abstract

V TABAKALI YARIİLETKEN KRİSTALLERDEN TlGaSe^ TII11S2 ve GaSe KRİSTALLERİNİN OPTİKSEL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ (Yüksek Lisans Tezi) Sultan ÇEVİK MUĞLA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ 2004 ÖZET Anorganik malzemelerin teknolojide, bilimde ve sanayide büyük uygulama potansiyelleri vardır. Uygulamalarda filtreler, modülatörler, kutuplayıcılar, analizörler, fotodetektörler, ışık salan diyotlar gibi kullanılırlar. Optik ve röntgen spektrumlardan; anorganik özelliğe sahip, incelediğimiz TlGaSe2, TlInS2 ve GaSe tabakalı kristallerin fononlan, yapısı, orijinleri, faiz oranları, faz geçişleri, kuvvet sabitleri ve sonsuz frekanstaki dielektrik sabitleri incelenecektir. Teorik ve deneysel fononlarin karşılaştınlması ve fononlarm simetri tayini yapılacaktır. Fiziksel özelliklerinin incelemesinden yeni uygulama alanları saptanacaktır. Bu çalışmada tabakalı TU11S2,TlGaSe2 ve GaSe kristallerinin kristal yapısı, optiksel özellikleri, görünür ve kızılötesi spektrum aralığında incelendi. X-ışını flouresans yöntemiyle elementlerin yüzdesi, X-ışını difraksiyon deneyleriyle kristal yapısı, görünür bölge spektroskopisiyle malzemelerin yasak bant genişlikleri belirlendi, kızılötesi bölgesi spektroskopisi kullanılarak, bantlar içerisindeki fonon geçişleri belirlendi. Bu kristallerin sentezi, havası boşaltılmış ampullerde, yatay yöntemle yapılmış, bundan sonra kristal Bridgman metodu ile büyütülmüştür. Büyütülmüş kristalin içeriği X-ray ışınlan flouresans spektrometresi kullanılarak belirlendi. TlInS2, TlGaSe2 ve GaSe'un optiksel özellikleri polarizasyon mikroskobu kullanılarak araştırılmıştır. GaSe' da, büyütülmüş kristalin tümünde optiksel eksenin (001) düzlemine dik olduğunu gösteriyor. Ama TlInS2 ve TlGaSe2'nin gözlenilen konoskopik ölçümünde, c'ye göre çok az bir kayma olmuştur. Kristallerdeki farklıVI bileşenlerin oranlan: GaSe için Ga %47.174; Se %52.826, TlGaSe2 için Ga % 16.331; Se %36.026 ve Tl %47.643, TlInS2 için S %7.302; in %24.771 ve Tl %67.928 olarak bulunmuştur. X-ışını difraksiyon deneyleriyle kristal yapının örgü parametreleri belirlendi. GaSe için birim hücrenin parametreleri a:3.749Â, c:16.05Â, c/a:4.25 olarak bulunmuştur. Bu sonuç kristal yapının hegzagonal yapı olduğunu göstermektedir. TlGaSe2 kristalleri için difraksiyon deneyleri sonucu a: 15.632 Â, b: 10.773 Â, c: 10.774 Â, p=l 00.04° ve Z=16 bulundu. Bu kristaller monoklinik yapıya sahip, a ve b eksenleri tabakanın yüzey içinde, optiksel c ekseni tabakalara diktir. Optiksel geçirgenlik (transmisyon) deneyleri EJ_c geometrisinde yapıldı. Görünür ve kızılötesi spektrumlan oda sıcaklığında yapıldı. Kullanılan örneklerin kalınlığı 10mkm-12mm aralığındadır. Görünür bölgede 400-800nm aralığında yapılan analizler, bu kristallerin doğrudan bant genişliğini vermektedir. TlGaSe2 için 602nm (2.06eV), TlInS2 için 536nm (2.3 leV) ve GaSe için 619nm (2.0eV) olarak belirlendi. Bu kristallerin 7800-350 cm`1 aralığında kızılötesi spektrumlan incelendi. Spektrumlann analizinden sonra kızılötesi bölgede simetri seçim kurallarına göre aktif olan fononlar belirlendi, Raman saçılmasın da aktif olan fononlarla karşılaştınldı. Anahtar Kelimeler: Yarıiletken, Tabaka, Geçirme, Soğurma, Fonon, X-ışmımı, Görünür ve Kızılötesi Spektroskopisi, Uzay Simetri Grubu Sayfa Adedi : 80 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Aydın GULUBAYOV

VII INVESTIGATION OF OPTICAL PROPERTIES OF TIGaSe2, TUnS2 AND GaSe CRYSTALS WHICH ARE LAYERED SEMICONDUCTORS (M. Sc. Thesis) Sultan ÇEVİK MUGLA UNIVERSITY INSTITUTE of SCIENCE PHYSICS 2004 ABSTRACT In the present work the crystal structure and optical properties of the layered csytals GaSe, TlGaSe2 and TlInS2 were investigated in the visible (VIS) and infrared (IR) range of spectra. Partial content of the elements were performed and the space group were determined by help of X - ray experiments. The results are discussed on the basis of band structure calculation and correlation analysis. The materials were synthesized by the horizontal method in an evacuated quartz ampoules, after homogenization (shaking) process the crystals were grown by the Bridgman method. The content of grown crystals were determined by using the X - ray fluorescence spectrometer. The content of grown crystals were determined by using the X - ray fluorescence spectrometer. The optical properties of GaSe, TlGaSe2 and TlInS2 crystals were investigated by using the polarization microscope in conoscopic picture. It was shown that the optical axis in all as grown crystals was always perpendicular to a cleavage plane (crystallographic plane (001)). In case of TlGaSe2 and TlInS2 a conoscopic picture was slightly disordered confirming the deviatition of the optical axis from the perpendicular to a cleavage plane. The percentage content of the different components were following: for GaSe (47.174% of Ga; 52.826% of Se ), for TlGaSe2 (16.331% of Ga; 36.026% of Se and 47.643% of Tl), for TlInS2 (7.302% of S; 24.771% of In; 67.928% of Tl). The lattice structure of crystals were determined by using the X - ray diffraction experiments. The parameters of the unit cell for 8-GaSe are a=3.749Â; c=16.05A; c/a=4.25, this result show that it has hexagonal closed-packed structure. Results ofVIII diffraction experiments, for TlGaSe2 and TlInS2 a:15.632 Â, b:10.773 Â, c:10.774 Â, p=l 00.04° and Z=16. They have a monoclinic structure with the ` a` and `b` axis in the plane of the layer and with the optical c - axis perpendicular to layers. Cleavage property favours to study the optical transmission (reflection) in E ± c geometry. The visible and infrared (IR) transmission spectra were measured at room temperature. The thicknesses of the samples varied in the range from 10 mkm to 2mm. The analysis allowed to determine the direct band gaps for these crystals in visible range for 400-800 nm. They were determined for TlGaSe2- 602 nm (2.06 eV), for TlInS2 - 536 nm (2.31 eV), for GaSe - 619 nm (2.0 eV). IR spectra were investigated for 7800-350 cm`1 of spectra. According to the symmetry selection rules after the spectrum analysis the symmetry selection rules for GaSe A2` Type phonons are IR active in E J_c, whereas Ai' phonos are active in Raman scattering, E active in IR transmission for E _L c. Key Words: Semiconductor, Layer, Transmission, Absorption, Phonon, X-ray, Visible and IR Spectroscopy, Space Symetry Group Page number: 80 Adviser : Prof. Dr. Aydın GULUBAYOV