Optical properties of lanthanide doped semiconductor thin films

06.03.2018 tarihli ve 30352 sayılı Resmi Gazetede yayımlanan “Yükseköğretim Kanunu İle Bazı Kanun Ve Kanun Hükmünde Kararnamelerde Değişiklik Yapılması Hakkında Kanun” ile 18.06.2018 tarihli “Lisansüstü Tezlerin Elektronik Ortamda Toplanması, Düzenlenmesi ve Erişime Açılmasına İlişkin Yönerge” gereğince tam metin erişime açılmıştır. Bu çalışmada spin kaplama yöntemi ile kuartz cam üzerinde büyütülen farklı molarite (0,2M, 0,5M, 1M) ve yüzdeliklerdeki (%2, 5, 10, 20, 50, 80, 100) lantanit (La, Dy) katkılı, katkısız ZnO ince filmlerin yapısal ve optik özellikleri incelenmiştir. Giriş bölümünden sonraki ikinci bölümde temel kavramlar verilerek, teorik ve deneysel alt yapı hazırlanmıştır. Üçüncü bölümde 0,5M katkısız ZnO, 500 ve 1000 oC'de 30dk. ve 6 saat tavlanmış numunelere ait sonuçlar verilmiştir. Lantanit katkılamalar için literatürle uyumlu olabilmesi doğrultusunda sonraki deneylerin 1000 oC'de 6 saat tavlama yapılarak elde edilmesine karar verilmiştir. Dördüncü bölümde ağır nadir toprak elementlerin grubundan seçilen Disprosyum elementi ile beşinci bölümde ise hafif nadir toprak elementleri grubundan seçilen Lantan elementi ile hazırlanan katkılı ve katkısız ince filmler üretilmiştir. Elde edilen filmlerin üretim aşamaları ile yapısal ve optik özelliklerini ifade eden (XRD, SEM, EDS, UV-VIS ölçümlerine ait) sonuçlar ilgili bölümlerde verilmiştir. Altıncı bölümde ise 0,5M'daki lantan asetat ve çinko asetat sollerinin %50 oranda karıştırılıp kurutulması ile elde edilen katkılı ve katkısız tozlar 1000 oC'de 6 saat tavlanmış ve elde edilen tozların bir kısmı tablet haline getirilerek oluşan ürünlerin aynı şekilde yapısal optik incelemeleri yapılmıştır. Son bölümde ise sonuçlar özetlenerek ileri çalışmalar için öneride bulunulmuştur. Yapılan bu çalışmada elde edilen katkılı ve katkısız tüm çinko oksit filmlerin 1000 oC'de 6 saat tavlanması durumunda willemit fazının açığa çıktığı gözlenmiştir. UV-VIS spektrumunda tavlama sıcaklığı arttıkça 370 nm'de bulunan temel soğurma pikinin 195 nm civarına doğru kaydığı ve bunun da willemit fazının oluşmasıyla doğrudan ilişkili olduğu sonucuna varılmıştır. Disprosyum katkılı ZnO ince filmlerde optik özellikler incelenmiş, soğurma bandının 195 nm civarında, saf disprosyumun Eg yasak enerji bant aralığının 1,5 eV ve katkılı numunelerin ortalama 5,9 eV civarında yasak enerji bant aralıklarına sahip oldukları gözlenmiştir. Lantan katkılı ZnO ince filmlerde 0,5M katkılama seviyesi seçilmiştir. XRD ve SEM sonuçlarından hareketle ZnO ile birlikte birçok fazın (La(OH)3, La2O3, LaOOH, La2Si2O7) meydana gelmiştir. Katkılama arttıkça 195 nm'deki soğurma bandının 225 nm'ye doğru kaydığı ve filmlerin yasak enerji bant aralığının 0,3 eV kadar azaldığı gözlenmiştir. Toz lantan katkılı numunelerde sadece La(OH)3 ve ZnO kristal yapılar kendini göstermiştir. Floresans spektrumlarında toz ve tabletler için salma piklerinin yerinin değişmediği ZnO, La:ZnO ve La(OH)3 için sırasıyla 505, 468 ve 380nm olduğu tespit edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Sol-jel, spin kaplama, lantanit, ZnO, ince film In this thesis it is aimed to investigate the structural and optical properties of pure ZnO and La, Dy doped (2, 5, 10, 20, 50, 80, 100%) ZnO thin films on quartz substrates at different molarities (0,2M, 0,5M, 1M) by using spin coating technique. After the introduction chapter the fundamental principles related to the work is given in Chapter 2. In Chapter 3 the experimental results for the pure ZnO samples annealed at 500 ve 1000 oC for 30min and 6 hours at 0,5 M level are given. From the experimental results the 1000 oC annealing is chosen for the following experiment as it gives the best literature agreement. In Chapter 4 dysprosium is chosen as heavy lanthanide element to be the dopant whereas lanthanum is chosen as the lighter one (Chapter 5). For both elements various dopant levels are used and the thin films are produced. XRD, SEM, EDS and UV-vis spectra are given in related chapters. In Chapter 6 experimental results for the powder form of the lanthanum doped ZnO samples are given. In Chapter 7 the experimental results are summarized and a future work is proposed. From the experimental results it has been found that the all pure and doped ZnO thin films display the willemite phase if they were annealed at 1000 oC for 6 hours. As the annealing temperature is increased then the main absorption peak at 370 nm seems to shift to 195 nm which is a sign that the willemite phase is present (which is apparent in XRD and EDS result). In the ZnO samples doped with dysprosium, it has been found that the absorption band for pure dysprosium is situated at 195 nm and the energy gap is about 1,5 eV whereas the energy bands for the ZnO doped ones stay about 5,9 eV. For the lanthanum doping 0,5M level is chosen. From the XRD and SEM results, various crystal phases are produced (La(OH)3, La2O3, LaOOH, La2Si2O7). It has been found that the increase in doping level shifts the absorption band towards 225 nm. The increase in doping level lowers the engergy band about 0,3 eV. In powder lanthanum doped zinc oxide samples only La(OH)3 and ZnO crystal structures are observed. In the fluoresence spectra the emission peaks at 505, 468 and 380 nm for ZnO, La:ZnO and La(OH)3 are observed, respectively. Keywords: Sol-gel, spin coating, lanthanides, ZnO, thin film