geçiş metalleri manyetik özel

Download geçiş metalleri manyetik özel

Post on 20-Jul-2015

261 views

Category:

Documents

1 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

UKUROVA NVERSTES FEN BLMLER ENSTTS

DOKTORA TEZ

Gkmen BULUN

3d-GE METAL Ni KATKILI Zn1-xNixO VE 4f-LNTANT Gd KATKILI Zn1-xGdxO BLEKLERNN YAPISAL VE MANYETK ZELLKLER

FZK ANABLM DALI

ADANA, 2010

UKUROVA NVERSTES FEN BLMLER ENSTTS 3d-GE METAL Ni KATKILI Zn1-xNixO VE 4f-LANTANT Gd KATKILI Zn1-xGdxO BLEKLERNN YAPISAL VE MANYETK ZELLKLER

Gkmen BULUN DOKTORA TEZ FZK ANABLM DALI

Bu Tez 26/02/2010 Tarihinde Aadaki Oybirlii/Oyokluu ile Kabul Edilmitir.

Jri

yeleri

Tarafndan

....................

..

................................ YE

Prof. Dr. Kerim KIYMA

Yrd.Do.Dr. Ahmet EKCBL Do. Dr. Mustafa TOPAKSU

DANIMAN

YE KNC DANIMAN

.................. YE

..... YE

Yrd.Do. Dr. M.Zeki KURT Yrd.Do. Dr. Faruk KARADA

Bu Tez Enstitmz Fizik Anabilim Dalnda hazrlanmtr. Kod No:

Prof. Dr. lhami YENGL Enstit Mdr

Bu alma . . Aratrma Projeleri Birimi Tarafndan Desteklenmitir. Proje No: FEF2005D16 Not: Bu tezde kullanlan zgn ve baka kaynaktan yaplan bildirilerin, izelge ve fotoraflarn kaynak gsterilmeden kullanm, 5846 sayl Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hkmlere tabidir.

Z DOKTORA TEZ 3d-GE METAL Ni KATKILI Zn1-xNixO VE 4f-LNTANT Gd KATKILI Zn1-xGdxO BLEKLERNN YAPISAL VE MANYETK ZELLKLER Gkmen BULUN

UKUROVA NVERSTES FEN BLMLER ENSTTS FZK ANABLM DALI Danman: Prof. Dr. Kerim KIYMA Yl: 2010, Sayfa:177 Jri: Prof. Dr. Kerim KIYMA Do. Dr. Mustafa TOPAKSU Yrd. Do. Dr. M. Zeki KURT Yrd. Do. Dr. Faruk KARADA Yrd. Do. Dr. Ahmet EKCBL (kinci Danman) Bu almada, kathal tepkime yntemi kullanlarak Zn1-xMxO biiminde bileikler oluturulmak amacyla M yerine Gd ve Ni elementleri kullanld. Bileikler oluturulduktan sonra yapsal ve manyetik zellikleri aratrld. ZnO ve katkl ZnO bileiklerinin mikro yaplar ve fiziksel zellikleri ile kat formdaki malzemelerin manyetik, yapsal zellikleri ve faz dnmleri gzden geirildi. Katklama ile meydana gelen yapsal deiiklikler Diferansiyel Termal Analiz (DTA), TGA, Xnlar krnm desenleri (XRD), Taramal Elektron Mikroskobu (SEM), EDX, ve oluan manyetik deiiklikler ise VSM ile M-T ve M-H lmleri yaplarak incelendi. Yapsal analizler Zn1-xNixOnun mkemmel bir biimde olutuunu manyetik lmlerin ise Ni konsantrasyonu arttka antiferromanyetik yapya kaydn ortaya koydu. Zn1-xGdxO yaps ise iyi olumamaktadr. Anahtar Kelimeler: ZnO, Zn1-xNixO, Zn1-xGdxO, XRD, EDX, SEM, DTA, TGA, M-T, M-H.

I

ABSTRACT PhD THESIS 3d TRANSITION METALS Ni AND LANTANIT Gd SUBSTITUTED Zn1-xOx COMPOUNDS OF STRUCTURAL AND MAGNETIC PROPERTIES Gkmen BULUN DEPARTMENT OF PHYSICS INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF UKUROVA Supervisor: Prof.Dr. Kerim KIYMA Year: 2010, Pages:177 Jury: Prof.Dr. Kerim KIYMA Assoc. Prof. Dr. Mustafa TOPAKSU Assist. Prof. Dr. M. Zeki KURT Assist. Prof. Dr. Faruk KARADA Assist. Prof. Dr. Ahmet EKCBL (Co-advisor) In this study, in order to create compounds in the form of Zn1-xMxO, Gd and Ni were used for M by using solid state reaction method. Once the compounds were prepared, their structural and magnetic properties were investigated in detail. For this reason, in the first part of this work; the microstructural and physical properties of ZnO and doped ZnO compounds have been summarized. Some theories of magnetism, structural properties of condensed materials and their phase transformations are reviewed. Structural changes due to the thermal process and doping were investigated via Differantial Thermal Analysis (DTA), X-ray difraction pattern (XRD), scanned electron microscope (SEM) and EDX, and on the other hand changes occuring in the magnetic properties are investigated by M-T and M-H measurements by using VSM magnetometer. Key Words: ZnO, Zn1-xNixO, Zn1-xGdxO, XRD, EDX, SEM,DTA,TGA, M-T, M-H.

II

TEEKKR

Doktora tez almalarm sresince danmalm yapan doktora tez almalarm kapsamnda beni ynlendiren, aratrmalarmn her aamasnda bilgi, neri ve yardmlarn esirgemeyerek bilimsel katklarnn yan sra engin fikirleriyle yetime ve gelimeme de katkda bulunan danman hocam sayn Prof. Dr. Kerim KIYMAa, en iten teekkr ve sayglarm sunarm. Yine almalarm sresince her zaman yanmda olan ve her trl destei ve yardm byk bir z veri ile bana sunan, gnn yirmi drt saati almalarm takip eden ve hocam sayn Yrd.Do.Dr. Ahmet EKCBLe teekkr ederim. Eer Yrd. Do. Dr. Ahmet EKCBLin teviki ve moral destei olamasayd tezin gereklemesi olduka zor olurdu. Ayrca, doktora tez almalarm srasnda her zaman bana destek ve yardmc olan grup arkadalarm; Selda KILI ETN, Sultan DEMRD, Gnl AKA, Ali Osman AYA ve Mustafa AKYOLa teekkr ederim. almalarm sresinde her zaman bana destek olan eim F.Kumru BULUNa, anne-babama, kardeim Gken ve ei Ylmaza, ailemin neesi oullarm Olgun ve Kutay BULUNa teekkr ederim. Ayrca moral desteinden dolay H. brahim AYKANa teekkr ederim.

III

NDEKLER

SAYFA

Z.I ABSTRACT.II TEEKKRIII NDEKLER...IV TABLOLAR DZN...VIII EKLLER DZNIX SMGELER VE KISALTMALAR.XIV 1. GR.1 1.1. Kristallere likin Temel Bilgiler.1 1.2. lkel rg Hcresi...2 1.3. Kristal Dzlemleri in ndis Sistemleri..3 1.4. Birim Hcre Bana Den Tanecik Says ve Doluluk Oran6 1.5. Basit Kristal Yaplar7 1.5.1 Sodyum klorr yaps.7 1.5.2 Sezyum Klorr Yaps8 1.5.3 Elmas Yaps..8 1.5.4 Kbik inko Slfit Yaps..9 1.5.5 Hekzagonal (Sk Paket) Yap..10 1.6 Kristallerin Elektriksel zellikleri.11 1.6.1 Serbest Elektron Gaz Kuram.11 1.6.2 Fermi Enerjisi ve Fermi Scakl13 1.7 Kristallerin Optik zellikleri.13 1.8 Kristallerin Termodinamik zellikleri..14 1.8.1 Debye Isnma Iss Denklemi..15 1.9 Gei Metalleri ve Genel zellikleri.17 1.9.1 3B Grubu Metaller..21 1.9.1.1 Lntanitler21 1.10 Yar letkenler.24 1.10.1 Katlarda Bant Oluumu...25

IV

1.10.2 Tayc Konsantrasyonu ve Has (Intrinsic) Yariletkenler...27 1.10.3 Katkl (Impurity) Yariletkenler...27 1.10.4 Bileik Yariletken ZnO30 1.10.5 inko Oksit Bileiinin zellikleri ..31 1.10.6 ZnO nun Kristal yaps.....33 1.10.6.1 Kaya Tuzu Yaps...35 1.10.6.2. Sfelarit yaps (Zn-Blend) .36 1.10.6.3 Wurtzit yaps.37 1.10.6.4 rg Parametreleri 39 1.10.7 ZnO nun Fiziksel ve Kimyasal zellikleri...39 1.10.7.1 Renk...39 1.10.7.2 Ergime scakl ve buhar basnc...39 1.10.7.3 Eriyebilirlik.40 1.10.7.4 Elektronik yaps ve elektriksel iletkenlik..40 1.11 Manyetizma.40 1.11.1 Diyamanyetizma40 1.11.2 Paramanyetizma.42 1.11.3 Ferromanyetizma...45 1.11.4 Antiferromanyetizma.47 1.11.5 Ferrimanyetizma49 1.11.6 Doyum mknatslanmas50 1.11.7 Manyetik blgeler..51 1.11.8 Manyetik Dng (Histerisis).51 1.11.9 Zorlayc alan (Coercivity).53 1.11.10 Paracklar aras dei-toku etkileimleri54 2.NCEK ALIMALAR..55 3.MATERYAL VE METOD..91 3.1 Kat Hal Tepkime Yntemi....91 3.2 rneklerin Hazrlanmas.92 3.2.1 Zn1-xGdxO Bileiinin Hazrlanmas92 3.2.2 Zn1-xNixO Bileiinin Hazrlanmas.93

V

3.2.3 Toz Karmnn Kalsinasyonu93 3.2.4 Tabletlerin Sinterlenmesi94 3.3 X-Isnlar Krnm.....94 3.3.1 X-Isn Krnm Yntemi (XRD).95 3.3.2 Kristalin Bileiklerin Tannmas..96 3.3.3 Krnm Desenlerinin Yorumu97 3.4 Termal Analiz...98 3.4.1 Termal Analiz Yntemleri.....98 3.4.2 Termogravimetri (TG)....99 3.4.3 Diferansiyel Termal Analiz (DTA)...102 3.5 Taramal Elektron Mikroskopisi..105 3.5.1 Taramal Elektron Mikroskop (SEM)105 3.6 Magnetizasyon lmleri.....1084. BULGULAR VE TARTIMA...109 4.1 TGA Analizleri..111 4.2 DTA Analizleri..118 4.3 SEM Analizler...122 4.3.1 Zn1-xNixO Bileiinde SEM analizleri..123

4.3.2 Zn1-xNixO Bileiinde EDX Analizleri133 4.3.3 Zn1-xGdxO Bileiinde SEM analizleri.135 4.3.4 Zn1-xGdxO Bileiinde EDX Analizleri ...145 4.4 XRD Analizi Sonular147 4.4.1 Zn1-xNixO Bileiinin XRD Analizi..147 4.4.2 Zn1-xGdxO Bileiinin XRD Analizi.157 4.5 Zn1-xNixO Bileiinin Manyetik Analiz Sonular..1615. SONULAR VE NERLER169 5.1. Sonular....169 5.2. neriler.172 KAYNAKLAR...173 ZGEM177

VI

TABLOLAR DZN

SAYFA

Tablo 1.1. Doada sodyum klorr yapsnda bulunan baz kristaller ...8 Tablo 1.2. Doada sezyum klorr yapsnda bulunan baz kristaller.........8 Tablo 1.3. Kbik inko slfit yapsnda bulunan baz kristaller ...9 Tablo 1.4. Gei metallerinin ykseltgenme basamaklar ......20 Tablo 1.5. Lntanitler ve elektron dalmlar ....23 Tablo 1.6. Lntanit iyonlarnn elektron dalmlar ......24 Tablo 1.7. Baz II-VI bileiklerine ait enerji bant aralklar ve iletkenlik trleri ...30 Tablo 2.1. x=0.125 iin iki farkl molekle katklanm gei elementi katklarnn gei metali ifti bana eV cinsinden (EAFM-EFM) fark. Dzgn dalmlar iin deerler parantez iinde verilmitir....55 Tablo 2.2. RBS ve SQUID kullanlarak elde edilen sonular.....63 Tablo 3.1. Zn1-xGdxO iin Balang kompozisyonunu oluturan bileikler ve kullanlan miktarlar......92 Tablo 3.2. Zn1-xNixO iin balang kompozisyonunu oluturan bileikler ve kullanlan miktarlar..93 Tablo 3.3. Termal analiz yntemleri...99 Tablo 4.1. Ni, Zn ve Oya ait element ve atomik yzdeler...135 Tablo 4.2. Debye-Scherrer eitlii kullanlarak hesaplanm parack boyutlar..155 Tablo 4.3. Zn1-xNixO bileiklerine ait rg parametrelerinin deerleri155

VII

EKLLER DZN

SAYFA

ekil 1.1. Kristalin birim vektrleri ve bu vektrlerin arasndaki a ..2 ekil 1.2. Kristal sistemleri iin rg tiplerinin birim hcreleri, Bravais hcreleri..3 ekil 1.3. Kbik kristalde baz dzlemlerin indisleri ..5 ekil 1.4. NaCl yaps...7 ekil 1.5. inko Slfit Yap..9 ekil 1.6. Hekzagonal sk paket yaps. Bu yapdaki atom pozisyonlar Bravais uzay rgs ile uyumaz. .....10 ekil 1.7. Hekzagonal sk paket yap.11 ekil 1.8. Kristallerin Einstein ve Debye denklemlerinden bulunan snma slarnn deneysel sonularla kyaslanmas. Debye denkleminden bulunan deerler deneysel verilerle akmaktadr. Burada Debye scakl denilen her kristal iin karakteristiktir ..15 ekil 1.9. Enerji bantlarnn oluumu (a) Serbest atomlara ait enerji dzeyleri (b) Kat haldeki atomlarn birbirine yaklamalar sonucu oluturduu bantlar (c) Kat haldeki atomlarn i ie girerek oluturduu bantlar26 ekil 1.10. Atomlar aras uzakln deimesine bal olarak enerji bantlarnn olumas