Hazırlayan A.Kürşat BilgiliMaster:138302202

NANO YAPILAR

GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK BÖLÜMÜ

Öğretim ÜyesiDoç.Dr. Metin Özer

Bu bölümde biz iki veya üç boyutta kısıtlanmış olan ve böylece etkin olarak 1B veya sıfır boyutlu 0B olan nano yapıları inceleyeceğiz.1B lulara önemli örnekler: karbon nanotüpleri,kuantum telleri ve iletken polimerlerdir. 0B lu sistemlerin örnekleri arasında: Yarıiletken nano tüpleri,metal nano parçacıklar ve litografik olarak desenlenmiş olan kuantum noktalarını sayabiliriz.

Altındaki 2B elektron gazında,karmaşık şekilli bir kuantum noktası yaratmakta kullanılan,GaAs/AlGaAs heteroyapısı üzerindeki bir geçit elektrot deseninin şematik görüntüsü ile tarama elektron mikroskobu(sem) görüntüsü.

Nano yapıların oluşturulması için teknikler iki ana gruba ayrılabilir:

Yukarıdan aşağıya yaklaşım,makroskopik malzemeyi nano ölçekte yapılandırmak için litografik desenlemeyi kullanır.

Aşağıdan yukarı yaklaşım,atomik veya molekülsel öncü oluşumlardan nano yapıları inşa etmek için büyütme ve kendi kendine biraraya gelmeyi kullanır.

Şekilde eriyikte büyütülen bir CdSe nanokristali gösterilmiştir.

Nanobilim ve teknolojinin başlıca çözüm bekleyen sorunu bu iki yaklaşımı birleştirerek molekülselden makroskopiğe kadar bütün uzunlık ölçülerinde stratejiler geliştirmektir. Şekilde buna örnek verilmiştir.

NANOYAPILAR İÇİN GÖRÜNTÜLEME TEKNİKLERİ

Nanoyapının özelliklerini doğrudan saptayan gerçek-uzay sondaları çok değerlidir.Bu sondalar,bir görüntü elde etmek için bir parçacığın(tipik olarak bir elektron veya protonun) incelenen nesne ile etkileşimini kullanırlar. Teknik, odaksal ve taramalı sonda olarak adlandıracağımız başlıca iki sınıfa ayrılır.

Odaksal mikroskop tekniğinde, sonda parçacığı bir mercek dizisi ile inclenen numune üzerine odaklanır.

Odaksal mikroskobun krokisi.Bir kaynaktan yayınlanan bir demet bir mercek dizisi ile numune üzerine odaklanır.Numuneden yayınlanan dalgaları bir dedektör üzerine odaklamak için eşdeğer bir odaklama sistemi kullanılabilir.

Taramalı sonda mikroskop tekniğinde, minik bir sonda ucu numunenin yakınına getirilir ve onun yüzeyi üstünde gezdirilir. Mikroskobun çözünürlüğü, sonda parçacığının dalga boyu yerine, sonda ve incelenmekte olan yapı arasındaki etkileşimin etkin erimi ile belirlenir.

ELEKTRON MİKROSKOBİSİ

Elektron mikroskobu çok güçlü bir odaklama gerecidir. Koşutlanmış bir elektron demeti. Yüksek voltajlarla ivmelendirilir ve incelenen numune üzerine bir dizi elektrostatik ve manyetik mercekler ile odaklanır.

Geçirimli elektron mikroskobisinde veya TEM de(transmission elektron microscopy)elektron demeti numune içinden geçer ve detektör levhası üzerine, tıpkı optik mikroskopta görüntünün okülere odaklanmasındaki gibi, odaklanır.

TEM ‘ in en önemli kısıtlılığı, elektron demetinin numunenin içine işlemesi gerekliliğidir.Bu kısıtlılık katı alt katmanlarındaki yapının incelenmesini imkansız kılmaktadır. Bu sorun tarama elektron mikroskobu SEM (scanning electron microscope) ile aşılmaktadır.

Görüntülemeye ek olarak, SEM demeti bir elektrona duyarlı malzemeyi açığa çıkarmak için ve böylece elektron demeti litografisi olarak bilinen bir teknikle küçük ayrıntıları çizmek için kullanılabilir.

OPTİK MİKROSKOBİ

Optik mikroskop, odaksal aygıtlar için prototipiktir. Doğrudan görüntülemede optik mikroskop nano ölçek bölgesinin ancak sınırına ulaşır.

Şekilde bireysel optik uyarmalı yarıiletken kuantum noktalarından yapılan kendiliğinden yayınlamaya veya floresansa bir örnek görülmektedir. Yayınlama, iletim bandındaki en düşük enerjili durumdan, en yüksek enerjili duruma geçiş ile gerçekleşir.

TARAMA TÜNELLEME MİKROSKOBİSİ

En meşhur taramalı sonda aygıtı şekilde görülen tarama tünelleme mikroskobudur.STM(scanning tunneling microscope)

Bir STM de keskin bir metal uç tercihen tek bir atomla sonlanan bir uç, incelenecek olan iletken numunenin bir nanometre yakınına getirilir. Ucun pozisyonu, kontrol sisteminden gelen elektrik sinyallerine genleşme ve daralma şeklinde yanıt veren piezoelektrik malzemeler kullanılarak, pikometrelik duyarlıkta kontrol edilir.

48 tane Fe atomunu bir bakır yüzeyine götürerek ortalama yarıçapı 7.1 nm olan bir kuantum ağılı oluşturulmuş.

ATOMİK KUVVET MİKROSKOBU

AFM(atomic force microscope). Bu STM den çok daha esnek bir teknik olup hem iletken hemde yalıtkan numunelerde kullanılabilir. Ancak tipik olarak daha az bir ayrım gücüne sahiptir. En basit çalıştırma modu temas modudur. Bu modda uç yüzeyle temas halinde sürüklenirken çubuğun sapması ölçülür.İncelenecek numunenin toptoğrafisinin bir ölçümü bulunabilir. Ama numuneye zarar da verebilir.

Bir AFM nin krokisi…Çubuğun sapmaları, çubuğun üstünden yansıyan bir lazer ışının konumunu kaydeden bir fotodetektör tarafından ölçülür.

GRAFEN

Grafen, karbon atomunun bal peteği örgülü yapılarından bir tanesine verilen isimdir.

Periyodik tablodaki en ilginç elementlerden biri Karbon atomudur. Karbonun grafit (kurşun kalem, katı yağlayıcılar vb.) ve elmas gibi gündelik hayattan çok iyi bilinen allotroplarının yanında nanotüp ve fulleren gibi yeni sentezlenen formları da mevcuttur. Özelliklekarbon nanotüpler ve C60 (fulleren) molekülleri ilk sentezlendikleri yıllardan günümüze kadar katı hal fiziğini son derece aktif araştırma alanları arasına girmiştir. Bal peteği kristal yapısında, sp2 melezleşmesi yapan; grafitin, nanotübün ve C60'ın ana yapıtaşı olan grafen ise ancak 2004 yılında sentezlenebilmiştir. İngilizce'de "Graphite" ve "ene" kelimelerinden türetilen "graphene" terimi türkçede grafen olarak karşılık bulmuştur

ELEKTRONİK YAPI

Her ne kadar grafenin sentezlenebilmesi oldukça geç olsa da grafenin elektronik özelliklerinin araştırılmaya başlanması 1946 lara kadar uzanmaktadır. İlk grafen çalışmalarından birini P. R. Wallace yapmıştır wallace. Wallace grafen kelimesini kullanmayıp yerine "tek katmanlı yapı" dediği çalışmasında grafenin enerji-bant yapısını incelemiş ve bu çalışmasını 3-boyutlu grafitin elektronik özelliklerini anlamaya çalışmakta kullanmıştır. Grafendeki yük taşıyıcıları adeta kütleleri yokmuş gibi davranabilmektedirler

Grafenin kendine has bir özelliği de oda sıcaklığında elektronların herhangi bir çarpışma olmadan oldukça uzun mesafeleri (bkz ballistic transport ) kat edebildiği bir malzeme olmasıdır. Karbon atomlarının bağ yapmak için dört elektronları vardır. İki boyutlu olan grafende üç bağ yaptıklarından, dördüncü elektron kristalde serbestçe dolaşır ve grafene yüksek iletkenlik kazandırır. Sıradan metallerde, elektron saçılması enerji kaybına ve ısı ortaya çıkmasına sebep olur. Binanaleyh, grafen geleceğin elektronik aygıtları için umut vericidir.

GRAFEN TRANSİSTÖR

Grafenin akla gelen ilk uygulama alanı grafen kullanılarak elde edilmiş olan tranistörlerdir. Manchester University The School of Physics and Astronomy'de Prof.Andre Geim ve Dr.Kostya Novoselov bir atom kalınlığında ve en fazla elli atom genişliğinde grafen transistörü geliştirdiler. Grafen dik yöndeki elektrik alana verdiği tepkiden dolayı FET yapımına uygundur. Bu transistör oda sıcaklığında çalıştığından elektronik aygıtlar için oldukça önemlidir. Bu aygıtların başında quantum noktaları,devreler arası bağlaç aygıtlar ve mantık kapıları gelmektedir. Günümüzdeki silisyum tabanlı elektronik teknolojisi gün geçtikçe sınırlarına yaklaşmaktadır.

Çünkü silisyum çok küçük ölçeklerde kararlılığını kaybetmekte ve daha başka problemler ortaya çıkmaktadır. Yarı iletken endüstrisinin elektronik bileşenlerin küçültülmesi konusunda gelecek yirmi yıl içinde karşı karşıya kalması beklenen en büyük sorunlardan biri olan alt sınıra ulaşılması grafen sayesinde aşılabilecek gibi duruyor. Silikon tabanlı teknoloji alt sınıra ulaştığı zaman sadece tek bir atom kalınlığındaki grafen, bu soruna bir alternatif oluşturabilecek. Bu sebebten INTEL ve IBM gibi dev teknoloji şirketleri grafen ile alakalı araştırmaları etkin bir biçimde desteklemektedirler.

Grafen ve pil teknolojisi

Grafen, sağlam olduğu kadar iyi de elektrik tutmakta ve bu özelliğinin pil teknolojisinde devrim yaratması beklenmektedir. Elmas keskilerine dayanacak kadar güçlü bir karbon tabakası olan grafenin, yongaların bileşiminde silikonun yerini alabilecek olmanın yanı sıra şarj ömrünü de inanılmaz uzatabileceği düşünülmektedir.

Amerika Birleşik Devletleri'nde bulunan Teksas Üniversitesi'nin araştırmacıları, normal pillerden daha güçlü elektrik depoları olan ultrakapasitörleri grafen tabanlı olarak imal etmeyi başardılar. Sonuç, normalin iki katı kapasiteye sahip olan ultrakapasitörler oldu.

Grafen Sensörler

Grafenin sensör teknolojisinde kullanılması da bi diğer kaydedeğer gelişmelerdendir. Yine Andre Geim ve grup elamanları grafeni kullanarak azot di oksit moleküllerinin grafen yüzeyine yapışma ve ayrılmasını moleküler hassasiyette tespit etmeyi başardılar sensor. Grafen kullanarak NEMS sistemleri yapmak da mümkündür. Cornell Üniversitesinden araştırmacılar grafeni son derce hassas elektromekanik rezonatör yapımında kullanmışlardır resonator.

Grafen ve Hidrojen Depolama

Pil teknolojisinde olduğu gibi hidrojen depolamada da grafen malzemesi oldukça önemli roller üstlenebilir. Artan küresel ısınma ve fosil yakıtların gün geçtikçe azalması araştırmacıları yeni arayışlara itmektedir. Hidrojenin verimli bir şekilde depolanıp elektrik enerjisi gereken yerlerde kullanılması için oldukça yoğun araştırmalar yürütülmektedir. Bilkent Üniversitesinden Salim Çıracı ve grubunun yaptığı teorik modellemeler neticesinde Lityum atomlarının grafen üzerine yapışması sonucu oluşan yapının ağırlığının % 12 si kadar hidrojeni depolayabileceği öngörülmüştür.

Grafen ve Spintronik

Spintronik teknolojisi de günümüzde oldukça önem kazanmaya başlamıştır. Elektronların yüküne ek olarak sahip oldukları spinlerini de kullanmaya çalışan bu teknoloji günümüz bilgi depolama sistemlerinde hayati öneme sahip bulunmaktadır. Grafen nanoşeritlerin de sahip oldukları manyetik özellikler sayesinde spintronikte kullanım alanları doğmaktadır. Bilkent Üniversitesinden Salim Çıracı'nın spin durumlarının grafen şeritlerinde hapsolmasını öngören çalışmasına ek olarak Tuğrul Senger'in Hasan Şahin ile yaptığı çalışma Türk bilim adamlarının bu konudaki katkılarına örnek gösterilebilir. Ayrıca grafen nanoşeritleri Demir ve Titanyum atomları katkılanarak yarı-metal özellik kazanabilmektedir. Belirli spin yönününde akım geçirip diğer yönde yalıtkan olan yarı-metal malzemeler de spintronik teknolojisinde önemli yere sahiptir.

YAPILAN ÇALIŞMALAR

LİTOGRAFİ

Nano-litografi , nano boyutta aletler kullanarak molekül ve atom düzeyindeki malzemelerin bir yere biriktirilmesi veya oradan uzaklaştırılmasıdır.

Nano-Robotlar ve nano-litografi

Nano-litografi yöntemi ile üretilmiş robotlar nano boyutlarda atomları bir araya getirerek ürünler ya da yeni robotlar meydana getirir.Kendini kopyalayan robotlar sayesinde meydana gelen milyonlarca nano-robot şimdikinden çok daha hızlı ve pratik bir üretim sağlar.

Nano-litografi nasıl uygulanır?

Silikon tabakanın üzerinde photo-resist adı verilen özel bir maddeden oluşmuş ince bir tabaka bulunur. Bu madde ışığa karşı direnmek, tepki vermek için tasarlanmıştır. Maskenin üzerindeki desenin üzerinde parıldayan ışığa tepki gösterdiğinde ise, desen maskeden tabakaya (ya da çipe) transfer edilmiş olur. Tipik olarak direniş molekülleri, moleküler yapıdaki bağları kırarak ya da yeni bağlar oluşturarak tepki verir. Bu tepkinin ne kadar hızlı ve etkili olduğu ise yeni tepki tasarımlarının arkasındaki malzeme biliminin bir bölümüdür.

Hazırlık aşaması bittikten sonra ortaya çıkan şekil özel bir sıvıyla dolar ve ışık alan-almayan bölgeleri ortaya çıkarır.Mikro-işlemci gibi aygıtlarda 32 veya daha fazla katman bulunabilir, litografi aşaması 32 farklı maskeyle 32 defa tekrarlanır ve bu işlem her katmanda dayanıklı materyaller kullanılarak yapılır. Bu işlem basamakları sonuç olarak işlemcileri,çipleri,bilgisayar parçalarını ya da diğer hedeflenen materyalleri ortaya çıkarır.

Nano-litografi yöntemleri nelerdir?

X-ışını litografisi; aydınlatma için 1nm’lik kısa dalga boylarının kullanılarak sonuçların elde edilmesi olarak genişletilebilir.

Maskesiz nano-litografi ise bir başka yöntemdir ancak uygulaması zor bir tekniktir çünkü ışığa şekil vermek için bir maske yerine mikro aynacıklar kullanılır.

Şuan için bu teknolojinin uygulanması pahalı olsa da teknolojinin gelişmesi ve seri üretime geçildiğinde kazanç kesinlikle harcanan paradan yüksek olacaktır.

Direkt Elektron Işınları: (Electron-Beam Direct ) Kopyaları yaratmak için elektron ışınlarının kullanılması kavramıdır.

Yüklü Tanecik Litografisi: (Charged Particle Lithography )İyon ya da elektron gösterimi litografisi, kopyalamada çok yüksek kalitede sonuçlar elde edilmesini sağlarlar.

Aşırı derecede ultraviyole/morötesi (Extreme Ultraviolet Lithography ):Ultra kısa dalga boyları kullanılarak oluşturulan bir görsel litografi formudur.

Nano-damgalama Litografisi(Nanoimprint Lithography):Nano-desen yinelenme teknolojisini vaat eden bir yöntemdir.Yani aynı desenin kopyasını defalarca tekrarlayabileceğiniz bir seri üretim tekniğidir.

LİTOGRAFİ VİDEO:

SEM VIDEO:

AFM VIDEO:

QUANTUM TUNNELING MICROSCOPE VIDEO :