1,3-bis-(p-iminobenzoik

asit)indan Langmuir-Blodgett

filmlerinin karakterizasyonu ve

organik buhar duyarlılığı

MURAT EVYAPAN*, RİFAT ÇAPAN*,

HİLMİ NAMLI**, ONUR TURHAN**,GEORGE STANCİU***

*Balıkesir Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü, 10100 Balıkesir, Türkiye,

**Balıkesir Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Kimya Bölümü, 10100 Balıkesir, Türkiye,

***University “Politehnica” of Bucharest, Department of Physics, Bükreş/Romanya

O Langmuir-Blodgett ince film üretimi

o Langmuir özellikleri

o Film transfer işlemi

O Filmlerin karakterizasyonu

o Deposition grafiği

o UV-görünür spektrumu

o Atomik kuvvet mikroskobu (AFM)

o Kuartz kristal mikrobalans (QCM)

O Organik buhar işlemi

o Kuartz kristal mikrobalans (QCM)

O LB film tekniğinde üretilen ince film tabaka sayısı kesin olarak kontrol

edilebilir.

O LB film tekniği kullanılarak üretilen ince filmlerin, üretimi basit ve

maliyetleri düşüktür.

O LB film tekniğinde kalınlığı nanometre mertebesinde simetrik veya simetrik

olmayan ince filmler üretilebilir.

Langmuir-Blodgett (LB) İnce Film Tekniği

O Langmuir-Blodgett (LB) ince film tekniğinde, su-hava ara yüzeyinde yüzen

organik moleküller katı bir yüzeye transfer edilerek ince film oluşturulur. Elde

edilen ince filmler LB filmleri olarak adlandırılır.

O LB ince film üretiminde kullanılan moleküller amfifilik moleküller olup iki kısımdan oluşur. Moleküllerin kafa kısmı olarak adlandırılan hidrofilik (suyu-seven) grup ve molekülün kuyruk kısmı olarak adlandırılan hidrofobik (suyu-sevmeyen) gruplara sahip moleküller monolayer maddesi olarak kullanılır.

LB Film Maddeleri

Langmuir-Blodgett İnce Film Teknesi

NIMA LB Trough 622 type

Moleküllerin su yüzeyine serpilmesi

Moleküllerin su yüzeyindeki davranışı

O Moleküllerin su yüzeyi üzerindeki davranışlarının aydınlatılması onlardan

düzenli yapıya sahip yüksek kalitede LB ince film üretimi için gerekli ilk koşuldur.

O Bariyerler kapatıldıkça su yüzeyindeki

moleküller birbirine yaklaşır ve yüzey

basıncının artmasına sebep olur.

Moleküllerin birbirine yaklaştığı ve basıncın

arttığı bu durum sıvı faz durumudur.

O Moleküllerin su yüzeyi üzerinde

birbirlerinden uzak dağıldığı ve

etkileşmelerinin küçük olduğu duruma gaz

fazı denir.

O Katı faz durumundan sonra

bariyerlerin daha fazla kapatılması

düzenli yapının bozulmasına neden

olur. Bu durum dağılma (collapse)

durumu olarak bilinir.Bu durumda LB

filmi üretimi mümkün değildir.

O Su yüzeyindeki moleküller

sıkıştırılmaya devam ederse moleküller

arası etkileşmeler hızlı bir şekilde artar.

Yüzey basıncının hızlı bir şekilde

artmasına karşın, yüzey alanının sabit

kalması su yüzeyi üzerinde düzenli ince

tabaka oluştuğunun göstergesidir ve

katı faz olarak adlandırılır. LB film

genellikle bu fazda üretilir.

Moleküllerin su yüzeyindeki davranışı

İzoterm Grafiği

O Su yüzeyi üzerindeki moleküllere ait yüzey basınç-alan grafiğine izoterm grafiği adı

verilir. İzoterm grafiği yardımıyla moleküllerin su yüzeyi üzerindeki davranışlarının

incelenmesine de moleküllerin Langmuir özellikleri denir.

Langmuir-Blodgett (LB) İnce Film Transferi

O Langmuir-Blodgett (LB) ince filmleri, su yüzeyinde yüzen ince

film tabakalarının katı bir yüzey (cam, kuartz kristal, plastik vb.)

üzerine transfer edilmesi ile elde edilir.

Tek tabaka transferi

Hidrofilik (suyu seven) yüzey Hidrofobik (suyu sevmeyen) yüzey

Langmuir-Blodgett (LB) İnce Film Transferi

Tek tabaka transferi

Langmuir-Blodgett (LB) İnce Film Transferi

Çok katlı film üretimi

O Çok katlı Langmuir-Blodgett ince filmi, tek katlı tabakanın

transfer işleminin tekrarlanması yolu ile üretilir.

Langmuir-Blodgett (LB) İnce Film Transferi

Çok katlı film üretimi

X-Tipi LB filmi

Y-Tipi LB filmi

Langmuir-Blodgett (LB) İnce Film Transferi

Çok katlı film üretimi

Z-Tipi LB filmi

AL-Tipi LB filmi

Bu çalışmada gaz sensör uygulamalarında kullanılabileceği

tasarlanan, 1,3-bis-(p-iminobenzoik asit)indan maddesi

kullanılmıştır.

DENEYSEL KISIM

1,3-bis-(p-iminobenzoik asit)indan maddesinin

Langmuir özellikleri incelenmiştir.

o Kuartz kristal

Uygun basınç altında transfer işlemi gerçekleştirilmiştir.

> LB filmlerinin transfer edildiği katı yüzeyler:

o Cam slayt

Üretilen LB filmlerinin karakterizasyonu

> Deposition grafiği

> UV-görünür spektroskopisi

> Atomik kuvvet mikroskobu (AFM)

Cam slayt

Kuartz kristal

> Deposition grafiği

> Kuartz kristal mikrobalans sistemi (QCM)

Organik Buhar İşlemi

> Kuartz kristal mikrobalans sistemi (QCM)

421623 ONHC

Maddenin adı

Verilen kod

Molekül ağırlığı

(g/mol)

Kimyasal formülü

1,3-bis-(p-iminobenzoik asit)indan

HN29

384

Kullanılan Madde

Kullanılan

madde

Kullanılan

çözücü

Madde

miktarı

(mg)

Çözelti

miktarı

(ml)

Konsantrasyon

Oranı

(mg/ml)

Yüzeye

serpilen

miktar

(l)

HN29

Kloroform+metanol

~5

~10

~0,5

~500

0

5

10

15

20

25

30

35

0 100 200 300 400 500

Alan, A (cm 2)

Yü

zey G

eri

lim

i. P

(m

N m

-1)

)( 1mmN

)( 2cm

HN29 Gaz fazı Sıvı faz Katı faz Collapse

(Dağılma)

Yüzey gerilimi ~0-1 ~1-18 ~18-30 >30

Yüzey alanı ~500-250 ~250-150 ~150-115 <115

• Tipik bir LB film maddesi

gibi dört faz geçişi de

gözlenmektedir. Bunlar

sırasıyla gaz, sıvı, katı ve

dağılma (collapse) fazlarıdır.

İzoterm Grafiği

• Bu çalışmada LB film

üretimi katı faz aralığında

gerçekleştirilmiştir.

• Bu değer 1,3-bis-(p-

iminobenzoik asit)indan

maddesi için 22,5 mN/m

olarak tespit edilmiştir.

80 100 120 140 160 180 200 220 240

Alandaki azalma, (cm2)

Su

bst

rate

pozi

syon

u

ab

ab

a

b

a

b

a: kaplamanın başlangıcı

b: kaplamanın bitişi

Transfer grafiğinde dikkat edilmesi gereken şekiller arasındaki benzerliktir. Bu

grafikte alandaki her azalma bir tabaka sayısına karşılık gelir. Bu azalmaların birbirine

olan benzerlikleri tabakaların düzenli olduğu anlamına gelmektedir. Şekilde HN29

maddesine ait birbirinin çok benzeri olan dört tane tabaka transferi görülmektedir.

Film Transfer (Deposition) İşlemi

Cam Yüzey

Film Transfer (Deposition) İşlemi

Kuartz Yüzey

234 235 236 237 238 239 240 241 242 243

Alandaki azalma, (cm2)

Kuart

zın p

ozi

syonu

a

b

c

Şekilde kuartz yüzey üzerine iki tabaka LB ince filmine ait transfer grafiği

gösterilmektedir.

UV-görünür Spektroskopisi Sonuçları

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Dalga boyu, l , (nm)

Abso

rbsi

yon ş

iddeti

314 nm

382 nm

590 nm

0

0,04

0,08

0,12

250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Dalga boyu, (nm)

Abso

rbsi

yon

Şid

deti

5 tabaka

10 tabaka

15 tabaka

Kuartz kristal mikrobalans sisteminde

metal elektrotlar uygun bir elektronik

devreye bağlandığında kuartzın

piezoelektrik özelliğinden dolayı belli bir

frekans ile rezonans yapar. Rezonans

frekansı denilen bu frekans, elektrotların

alanına ve kuartz kristalin kalınlığına

bağlıdır ve çok küçük kütle değişimlerine

bile duyarlıdır.

Kuartz Kristal Mikrobalans (QCM) Sonuçları

Bu tekniğin, çok küçük kütle değişimlerine hassas olması onun, çok katlı LB

filminin üretilebilirliği ve yapılarının tabaka kontrolü için de kullanılmasına olanak

sağlar.

LB filmlerinde rezonans frekansı değişimi (Df), kuartz kristal üzerine transfer

edilen tabaka sayısına (N) bağlıdır.

Δf N

QCM Sonuçları

Bu grafikteki lineer ilişki, kuartz kristal üzerine her bir tabakada eşit kütle kaplandığını

göstermektedir.

Atomik Kuvvet Mikroskobu

(AFM) Sonuçları

HN29 maddesi ile cam yüzey üzerine üretilen LB filmlerinin yüzey morfolojisi

atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak incelenmiştir. Farklı tabakalarda üretilen LB

filmlerinin AFM görüntüleri alınarak filmlerin düzeni ve tabaka sayısı ile değişen

kalınlık miktarı incelenmiştir.

AFM ölçümleri incelendiğinde üretilen LB filmlerinin düzgün, boşluksuz ve

uniform olduğu görülmektedir.

AFM ölçümlerinden elde edilen sonuçlarda film kalınlığının tabaka sayısı arttıkça

lineer olarak arttığı görülmüştür.

15 Tabaka LB filmi

Organik buhar işlemi

HN 29 maddesi ile QCM kristali üzerine üretin LB filminin çeşitli organik

buharlara karşı tepkisi ölçülmüştür.

Kullanılan organik buharlar: Benzen (C6H6), Toluen (C7H9), Etil alkol

(C2H5OH) ve İzopropil alkol (C3H8O)

Grafikte zamana bağlı frekans değişimi gösterilmektedir. 2 dakikalık

periyotlarla arka arkaya ortama organik buhar ve daha sonra hava verilmiştir.

HN29 maddesi ile üretilen LB filminin benzen buharına karşı diğer organik

buharlardan daha hassas olduğu görülmüştür. Benzen buharına verilen tepki, bu

buharın frekansta meydana getirdiği değişim diğer organik buharlara oranla daha

fazladır.

HN29 maddesi ile üretin LB filmi tüm organik buharlara karşı çok hızlı tepki

vermektedir. Aynı zamanda ortama hava verildiğinde sistem eski halini

almaktadır. Buda sistemin geri dönüşümlülüğünü göstermektedir.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 120 240 360 480 600 720

Zaman, t, (s)

No

rm

ali

ze f

rek

asn

tepk

isi

Benzen

Toluen

İzopropil alkol

Etil alkol

Bu çalışma

Characterization of a Novel 1,3-Bis(p-iminobenzoic acid)indane Langmuir-

Blodgett Film for Organic Vapor Sensing

R. Çapan, M. Evyapan, H. Namlı, O. Turhan, G. A. Stanciu

ismiyle

“Journal of Nanoscience and Nanotechnology” dergisince 2005 yılında basılmak

üzere kabul edilmiş ve şu an basımdadır.