II-IV tabanlı seyreltilmiş magnetik yarı iletken ince filmlerin yapısal, optiksel ve manyetik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, Mn, Fe ve Co katkılı ZnO ve ZnS seyreltilmiş magnetik yarıiletken ince filmleri, sol-jel daldırma ve magnetron püskürtme teknikleri ile ilk kez cam alttaş üzerine üretildi. Mn, Fe ve Co katkı oranının ve tavlama koşullarının filmlerin yapısal, optiksel ve magnetik özellikleri üzerine etkisi x-ışını kırınımı analizi (XRD), enerji dağılımlı x-ışını spektrometresi (EDX) içeren alan etkili/taramalı elektron mikroskobu (FESEM/SEM), UV-görünür spektrometresi ve SQUID magnetometre (MPMS, Quantum Dizayn) ölçüm teknikleri ile incelendi. XRD sonuçları, filmlerin tek fazlı ve hazırlanma tekniğine göre (002) tercihli c ekseni yönünde çok yada az yönelimli hekzagonal yapıya sahip olduğunu gösterdi. (002) kırınım pikinin pozisyonu, geçiş metallerinin (GM' lerinin) değerliğine göre, GM katkı oranının artmasıyla birlikte daha düşük veya daha yüksek açılara kaydı. GM katkı oranının arttırılmasıyla tüm filmlerin kristal kalitesi ve kristal/tane boyutlarının azaldığı gözlendi. UV-görünür spektrometresi sonuçlarından, GM katkı miktarının arttırılmasıyla filmlerin optiksel yasak bant aralıkları azaldı veya arttı. Diğer taraftan sol-jel ile üretilen Zn1-xAxS (A=Mn, Fe) ince filmlerinin yasak bant aralığı (Eg) önce arttı. Daha sonra filmlerde MnS ve FeS ikincil fazlarının bulunabilme olasılığından tekrar azaldı. SQUID magnetometre sonuçları, sol-jel ile üretilen Zn1-xMnxO (pH=4.6), Zn1-xMnxS, Zn1-xFexS (x?0.05) ince filmlerinde oda sıcaklığı ferromagnetizması olduğunu belirledi. Yüksek Curie sıcaklığına sahip sol-jel ile üretilen Zn1-xFexS (x?0.05) ince filmlerinde oda sıcaklığı üstü ferromanyetik davranışta gözlendi. Sol-jel ile üretilen filmlerden Zn1-xFexO (x=0.2) ince filmi 5K ve 100K'de ferromagnetik davranış, Zn1-xMnxO (pH=7.5) ve Zn1-xCoxO ince filmleri oda sıcaklığında paramagnetik davranış sergilemişlerdir. Ayrıca magnetron püskürtme tekniğiyle üretilen Zn1-xMnxO ve Zn1-xCoxO filmleri de oda sıcaklığında diamagnetik davranış göstermişlerdir.ANAHTAR KELİMELER: Mn-katkılı ZnO ince filmleri, Sol-jel, Zn1-xFex S ince filmleri, Magnetron püskürtme, Oda sıcaklığı ferromanyetizması

In this study, thin films of Mn, Fe and Co doped ZnO and ZnS diluted magnetic semiconductors were produced on glass substrates by the sol-gel dip coating and magnetic sputtering techniques for the first time. The influence of Mn, Fe and Co doping ratio and annealing conditions on the structural, optical and magnetic properties of the films were investigated by x-ray diffiraction (XRD), field effective scanning electron microscope/scanning electron microscope (FESEM/SEM) with energy dispersive x-ray diffraction spectroscopy (EDX),UV-visible spectrometer and SQUID magnetometer (MPMS, Quantum Design). The XRD results exhibited that films are single phases and have hexagonal structure with the (002) highly or weakly preferential c-axis orientation depending on the film preparation techniques. The position of (002) diffraction peak was shifted to lower or higher degree side according to the valance state of transition metals (TMs) such as Mn, Fe and Co with increasing TM doping ratio. It was observed that the crystal quality and crystallite/grain size of the all films were decreased with the increment of TM doping concentration. From the UV-visible spectrometer results, the optical band-gap (Eg) of the films was gradually increased or decreased with the increasing of TM-doping amount. On the other hand, firstly the Eg of the sol-gel derived thin films of Zn1-xAxS (A=Mn and Fe) was increased and then it was decreased due to the possibility of the secondary MnS or FeS phase in the films. The SQUID magnetometer results indicated that the room temperature ferromagnetism in sol-gel derived Zn1-xMnxO ( pH of 4.6), Zn1-xMnxS, Zn1-xFexS (x?0.05) thin films. Above room temperature ferromagnetic behavior was observed with the sol-gel derived Zn1-xFexS (x?0.05) thin films which had the high Curie temperature. Among the sol-gel derived thin films, Zn1-xFexO (x=0.2) thin film was showed the ferromagnetic behavior at 5 and 100 K and Zn1-xMnxO (pH of 7.5) and Zn1-xCoxO thin films were showed the paramagnetic behavior at room temperature. The magnetron sputtered thin films of Zn1-xMnxO and Zn1-xCoxO were also showed diamagnetic behavior at room temperature.KEYWORDS: Mn-doped ZnO thin films, Sol-gel, Zn1-xFex S thin films, magnetron sputerring, room temperature ferromagnetism