ZnO ince filmlerinin yapısal, optik ve dielektrik özelliklerine geçiş metali katkılarının etkisi / Effect of transition metals doping on the structural, optical and dielectric properties of ZnO thin films

Abstract

Bu çalışmada farklı ortalama katkı miktarında (x=%1-9) katkılanan Zn1-xTMxO (TM=Mn, Co, Fe) ince filmleri başarılı bir şekilde radyo frekans magnetron saçtırma yöntemiyle üretilmiştir. Sonuçlar katkılanmış ve katkılanmamış tüm ince filmlerin öncelikli hegzagonal wurtzite kristal yapılı c-ekseni yönelimine sahip olduğunu göstermiştir. Geçiş metali katkı seviyelerinin artırılmasıyla, özellikle %3 ile %5 geçiş metali Fe katkılı ZnO(ZFO) filmleri haricinde, geçiş metali katkılı tüm filmlerde, kristalleşme kalitesinde bariz bir düşüş gözlenmiştir. Katkısız ZnO ile karşılaştırıldığında, örgü parametresi c, Co katkılı ZnO(ZCO)' da önemli derecede değişmezken, artan geçiş metali katkı oranıyla Mn katkılı ZnO(ZMO) ve ZFO filmlerinde azalmıştır. Homojen ve kalınlıkları yaklaşık olarak 73 ile 115 nm arasında değişen yoğun film yüzeyleri elde edilmiştir. Filmlerde Zn, Mn, Co ve O elementleri ile Zn+2, Co+2, Mn+2 ve Fe+2 iyonları saptanmıştır. Arttırılan geçiş metali katkı oranıyla optik bant aralığı, katkısız ZnO filmlerine nazaran ZFO ve ZCO filmerinde azalırken, ZMO filmleri için artmıştır. Tüm filmlerin arasında, sırasıyla %1-9 ortalama geçiş metali katkı seviyeleri için, en yüksek sönüm katsayısı ZCO filmlerinde, en yüksek kırılma indisi ve dielektrik sabiti ZMO ve ZFO filmerinde elde edilmiştir. Bu durum olası muhtemel filmlerin değiştirilen geçiş metali katkı seviyesi ve geçiş metali türünden dolayı artan soğurma katsayısına, yoğunluğuna ve kutuplaşmasına bağlanmıştır. Bu gözlemler bize optik ve optoelektronik cihazlar için istenilen daha yüksek optik ve dielektrik sabitlerine sahip geçiş metali katkılı ZnO filmleri seçmek için uygun katkı maddesi türü için fırsat sunmaktadır. Zn1-xTMxO (TM= Mn, Co, Fe) thin films doped with different average doping level (x=1-9 %) were successfully deposited on glass substrates by radio frequency magnetron sputtering. The results showed that all the undoped and doped films possessed a strong preferential c-axis orientation with a hexagonal polycrystalline structure. With increased TM doping level, a clear decrease in crystalline quality was found for all the TM doped ZnO films except for Fe doped ZnO (ZFO) films especially with average TM doping level of 3 and 5 %. Compared to the undoped ZnO, the lattice parameter, c, was not significantly changed in Co doped ZnO (ZCO), whereas it decreased for Mn doped ZnO (ZMO) and ZFO films with increasing TM doping ratio. Homogeneous and dense film surfaces with the thickness approximately changed from 73 to 115 nm were obtained. The presence of the Zn, Mn, Co and O elements and Zn2+, Co2+, Mn2+ and Fe2+ ions were detected in the films. By increased TM doping level, the optical band gap was increased for the ZMO films, while decreased for the ZFO and ZCO films compared with the undoped ZnO films. Among all the films, the highest extinction coefficient in ZCO films, the highest refractive index and dielectric constant in ZMO and ZCO films were obtained for the average TM doping level of the 1-9, 1, 3 and 5, 9 %, respectively. These were likely attributed to the increased absorption coefficient, density and polarization of the films by changed the TM doping level and TM type. These observations give us the opportunity for the suitable dopant type and content to choose the desired TM doped ZnO films with higher optical and dielectric constants for the optical and optoelectronic devices.