Türkiye'de nanoteknoloji Türkiye'de nanoteknoloji

HHAAZZIIRRLLAAYYAANNLLAARR :: BBiillkkeenntt ÜÜnniivveerrssiitteessii -- MMaassssaacchhuusseettttss TTeekknnoolloojjii EEnnssttiittüüssüüPPrrooff.. DDrr.. SSaalliimm ÇÇ››rraacc›› -- PPrrooff.. DDrr.. EEkkmmeell ÖÖzzbbaayy -- DDooçç.. DDrr.. OO¤¤uuzz GGüüllsseerreenn -- YYrrdd.. DDooçç.. DDrr.. HHiillmmii VVoollkkaann DDeemmiirr

DDrr.. MMeehhmmeett BBaayy››nndd››rr -- AAhhmmeett OOrraall -- TTuu¤¤rruull SSeennggeerr -- AAttiillllaa AAyydd››nnll›› -- AAyykkuuttlluu DDaannaa

AA⁄⁄UUSSTTOOSS 22000055 SSAAYYIISSIINNIINN ÜÜCCRREETTSS‹‹ZZ EEKK‹‹DD‹‹RR

TTüürrkkiiyyee’’ddeennaannootteekknnoolloojjii

TTüürrkkiiyyee’’ddeennaannootteekknnoolloojjii

AGUSTOS EK 7/29/05 8:15 PM Page 1

nan

Ülkemiziça¤dafl uygarl›k düzeyine

ulaflt›racak s›çrama tahtas› birnanoteknoloji üssü olarak Bilkent

Üniversitesi’nde kuruluyor. Öteki üniversiteve araflt›rma kurumlar›nda yürütülen

çal›flmalarla Türkiye’nin bu ileriteknolojinin ürünlerini k›sa sürede

elde etmesi bekleniyor.

ekNanotekno 7/29/05 8:06 PM Page 2

notekNoloji


Günümüzde nanoteknoloji ülkeleriçin stratejik bir önem tafl›maya baflla-m›fl durumda. Geliflmifl ükeler öncelik-li alanlar›n› belirleyip çal›flma ve e¤i-tim programlar›n› gelifltirirken, ülke-mizde nanoteknoloji araflt›rmalar›n›nço¤u kuramsal ve bireysel düzeyde.Avrupa Birli¤inin 6. Çerçeve Program›sayesinde nanoteknoloji araflt›rmalar›-m›z yeniden yap›lanma ve ivme kazan-m›fl bulunuyor. Bu arada nanoteknolo-ji, TÜB‹TAK taraf›ndan haz›rlanan Viz-yon 2023 Program›’na öncelikli alan-lardan biri olarak al›nm›fl bulunuyor.Bu y›l ilki Bilkent’te düzenlenen Nano-teknoloji Konferans›’na ise genifl birkat›l›m oldu ve nitelikli bilimsel bildiri-ler sunuldu.

Bilkent Üniversitesi Fizik Bölü-mü’nde 1989 y›l›ndan beri nanotekno-lojiyle ilgili düflük boyutlu kuantumyap›lar›nda elektron tafl›n›m›, taray›c›tünelleme mikroskopu (TTM) ve ato-mik kuvvet mikroskopu (AKM) uç-yü-zey aras› etkileflmeler ve nanotriboloji,

nanotüp ve atom zincirleri konular›n-da yo¤un kuramsal araflt›rmalar yap›l-maktayd›. Ayr›ca, 2 boyutlu elektronsistemlerinin özelliklerini kullanan Ga-As teknolojisi zaman kaybedilmedenyakalanm›fl, T.C. Savunma SanayiiMüsteflarl›¤› taraf›ndan desteklenen‹leri Araflt›rmalar Laboratuvar› kurul-mufltu. Günümüzde, bu laboratuvarda,teknolojinin s›n›r›nda çok önemli opto-elektronik ve elektronik ayg›tlar yap›l-makta, TTM ve AKM bazl› mikroskop-larda yeni teknolojiler gelifltirilmekte.

Nanoteknolojide uygulamalar›nönem kazanmas› sonucu, kuramla de-neysel çal›flmalar›n s›k› bir iflbirli¤iyapmas› ve belli hedeflere odaklanandisiplinleraras› araflt›rma çal›flmalar›-n›n yap›lmas› zorunlu hale geldi. Bu-nun yan›nda iyi yetiflmifl deneyimli uz-man gereksinimi de ortaya ç›kt›. Nano-teknoloji konusunu genifl bir kapsam-da ele almak, baz› kritik konularda ge-rekli teknolojiyi gelifltirmek, uzman ye-tifltirmek üzere haz›rlanan Ulusal Na-

noteknoloji Araflt›rma Projemizi T.C.Devlet Planlama Teflkilat› 11 milyonYTL kaynakla desteklemeye karar ver-mifl bulunuyor. Projeye, Bilkent Üni-versitesi ve di¤er özel kurulufllar yak-lafl›k 4 milyon YTL kaynak sa¤layacak.Toplam maliyetinin 30 milyon YTL ola-ca¤› öngörülen proje, yeni infla edile-cek 4000 m2’lik laboratuvar binas›ndafaaliyete geçecek. Ayr›ca Bilkent Üni-versitesi Fizik Bölümü’nde mevcut 15milyon YTL de¤erindeki araflt›rma alt-yap›s› ve teçhizat, proje araflt›rmalar›n-da kullan›lacak. Ulusal NanoteknolojiAraflt›rma Projesi, Prof. Dr. Salim Ç›ra-c› taraf›ndan yönetilecek.

Projede prototipler gelifltirmeye yö-nelik araflt›rma konular› belirlendi. Ku-ramsal çal›flmalar nanobilimin temelproblemlerinin çözümleriyle u¤rafla-rak uygulamal› çal›flmalara destek ve-recek, çok parçac›k sistemlerinin ku-antum mekani¤ine dayal› hesaplamayöntemleriyle yeni nanoyap›lar (tüpler,teller, kuantum noktalar›, manyetik

4 A¤ustos 2005B‹L‹M veTEKN‹K

B‹LKENT ULUSAL NANOTEKN


moleküller, sürtünmesiz yüzeyler vb)gelifltirilecek, spin ve enerjinin denged›fl› kuantum istatistik fizik kuram›ylatafl›nmas› ve tutarl›l›¤› incelenecek.Kuramsal çal›flmalar merkezde kurula-cak süper bilgisayarlarda say›sal he-saplara dönüfltürülecek, elde edilen so-nuçlar yeni ayg›t ve detektörlerin ta-sarlanmas›nda kullan›lacak. Uygula-mal› alanda çal›flmalar, nanoelektronikve alg›lay›c›lar (sensörler), nanofoto-nik, nanofiber ve ak›ll› tekstil, atommanipülasyonu, yüksek çözünürlü¤esahip ölçü aletlerinin gelifltirilmesi velazer konular›na odaklanacak. Projedeülkemizin tekstil sanayiine teknolojikdestek sa¤lamak, öncelikle kir ve sututmayan, nemi uzaklaflt›ran, zararl››fl›n›m› so¤uran, renk tutabilen poli-merleri gelifltirmek için yo¤un araflt›r-ma programlar› uygulanacak.

Sürtünme günümüzde halen gün-celli¤ini ve önemini koruyan konular-dan biri. Sürtünme nedeniyle enerji vemalzeme kay›plar› çok önemli de¤erle-re ulaflmakta. Triboloji ya da sürtünmebilimi kapsam›nda çeflitli disiplinlerde(fizik, kimya, makine ve malzeme mü-hendisli¤i vb) yo¤un araflt›rmalar yap›-l›yor. TTM ve AKM’nin geliflmesi, sür-tünmeyi atomsal düzeyde inceleyebil-memize ve tribolojinin h›zla ilerlemesi-ne zemin haz›rlam›fl bulunuyor. Sana-yinin de¤iflik sektörlerinin sürtünme-den de¤iflik beklentileri var. Birçok sa-nayi dal› sürtünmeyi azaltmak ya datümüyle ortadan kald›rmak isterken,tafl›t vas›talar›nda lasti¤in daha iyi yoltutmas› ve sürtünme katsay›s›n›n art›-r›lmas› için genifl kaynaklar ayr›l›yor.Projemizde sürtünmeyi atomsal düzey-de incelemek ve sürtünmesiz yüzeyler

gelifltirmek üzere nanotriboloji araflt›r-malar› kuramsal düzeyde bafllayacak,daha sonra sa¤lanacak yeni kaynaklar-la deney laboratuvarlar› kurulacak.

Ulusal Nanoteknoloji Araflt›rma La-boratuvar›’nda ilgilendi¤imiz baflka birönemli konu, hidrojen depolanmas› veyak›t hücreleri. Fosil yak›tlar›n›n güngeçtikçe artan fiyatlar›, çevreye verdik-leri büyük zarar, temiz ve yenilenebilirenerji kaynaklar›na yönelme gereksini-mini ortaya ç›kard›. Yak›ld›¤›nda at›kolarak su verecek olan hidrojen mole-külü, en ideal ve temiz enerji kayna¤›olarak görülüyor ve hidrojenin depo-lanmas› ve yak›t hücrelerinde elektrikenerjisi elde etme konusu yo¤un birflekilde araflt›r›l›yor. Projedeyse hidro-jen depolanmas› konusunu kuramsalolarak araflt›r›p daha sonra deneyselve uygulamal› çal›flmalar› bafllatmay›planlamaktay›z.

Nanoteknoloji, disiplinleraras› birkonu oldu¤undan projenin daha etkinyürütülebilmesi için, Bilkent’te Nano-teknoloji ve Malzeme Bilgisi doktoraprogram›n›n projeye paralel olarakbafllamas› da planlanmakta. Bu progra-ma Fizik, Kimya, Matematik, Molekü-ler Biyoloji ve Genetik, Malzeme Bilgi-si, Elektrik-Elektronik ve BilgisayarMühendisli¤i Bölümlerinden ö¤renci-ler doktora yapmak üzere kat›labile-cekler. Merkezde yap›lan doktora çal›fl-malar›, ö¤rencilerin nanoteknolojideuzmanlaflmalar›na ve doktora sonra-s›nda kolayl›kla ifl bulmas›na yard›mc›olacak. Ayr›ca di¤er üniversitelerimi-zin ilgili bölümlerinden doktora ö¤ren-cileri ve ö¤retim elemanlar› da çeflitliaraflt›rma programlar›na kat›labilecekve merkezde nanoteknoloji konusun-

da deneyim kazanacaklar. Araflt›rmala-r›m›zda yurt d›fl›nda tan›nm›fl bilimin-sanlar›n›n deneyimlerinden ve dan›fl-manl›¤›ndan da yararlan›lacak ve çeflit-li araflt›rma merkezleriyle iflbirli¤i için-de ortak araflt›rma projeleri gerçeklefl-tirilecek. Merkez, yurt d›fl›nda çal›flançok de¤erli biliminsanlar›m›z›n dene-yimlerini bizlerle paylaflacaklar› ve or-tak araflt›rmalar yapacaklar› bir ortamyaratacak. Merkezde elde edilen bilgive uzmanl›k, çeflitli flekillerde bilim vesanayi çevreleriyle paylafl›lacak.

Ulusal Nanoteknoloji Araflt›rmaMerkezi’nde yap›lan bulufllar›n ve ge-lifltirilen yeni yöntem ve teknolojilerinsanayiye aktar›lmas›, prototiplerin da-ha da gelifltirilerek pazarlanabilmesi,bu yolla yeni çal›flma alanlar›n›n yara-t›lmas› ve ekonomimize katk› sa¤lana-bilmesi için T.C. Sanayi ve Ticaret Ba-kanl›¤›, Bilkent Üniversitesi ve Cyber-park, birlikte “Nanoteknoloji KuluçkaMerkezi” kurulufl çal›flmalar›n› yürüt-mekteler. Avrupa Birli¤inin maddi des-te¤iyle gerçekleflecek bu projede ilginçbir fikir ve bulufl sahibi olan giriflimcidoktora ö¤rencilerinin, kendi ifl ve ifl-yerlerini kurmalar›na destek verilecek.Böylece beyin göçünün de önüne ge-çilmifl olacak.

Özet olarak 2005 yaz sonunda Bil-kent’te inflaat ve tesisat planlamas›, in-flaat çal›flmalar›, teçhizat al›mlar› ve ye-ni e¤itim programlar›yla bafllayacakUlusal Nanoteknoloji Araflt›rma Mer-kezi projesiyle, nanoteknoloji araflt›r-malar›nda zaman kaybetmeden yol al-maya bafllayaca¤›z.

P r o f . D r . S a l i m Ç › r a c › Ulusal Nanoteknoloji Araflt›rma Merkezi

Proje YöneticisiBilkent Üniversitesi, Fizik Bölümü

5A¤ustos 2005 B‹L‹M veTEKN‹K

NOLOJ‹ ARAfiTIRMA MERKEZ‹


Nanoteknolojinin Do¤uflu

“Nano” sözcük olarak, bir fizikselbüyüklü¤ün bir milyarda biri anlam›-na gelir. Bir nanometreyse, metreninbir milyarda birine eflit bir uzunlukbirimi. ‹nsan saç telinin çap›n›n yakla-fl›k 100.000 nanometre oldu¤u düflü-nülürse ne kadar küçük bir ölçektenbahsedildi¤i daha rahat anlafl›l›r. Birbaflka deyiflle, bir nanometre içineyanyana ancak 2-3 atom dizilebilir;yaklafl›k 100-1000 atom bir araya ge-lerek nanoölçeklerde bir nesneyi olufl-turur. Bildi¤imiz birçok molekül denanoyap› tan›m›na giriyor. 20. yüzy›-l›n bafllar›nda maddeyi oluflturan par-çac›klardan, örne¤in elektronlar›nhem parçac›k hem de dalga gibi dav-rand›¤›, yine bu ölçeklerde belirsizlikkuram›n›n geçerli oldu¤u saptand›.Bu temel ögelerden do¤an kuantummekani¤i sayesinde atom ve molekül-ler do¤ru olarak alg›lan›p anlafl›ld›,temel bilimler ve ilgili teknolojilerh›zla geliflti. Kuantum mekani¤i saye-sinde, atomun enerji durumlar›n›n ne-den kesikli oldu¤u, kat›lar›n klasikparçac›k kuram› kullanarak hesapla-nan baz› temel elektronik ve manye-tik özelliklerinin neden gözlemlerdenbüyük sapmalar gösterdi¤i, art›k birbilmece olarak kalmaktan kurtuldu.

Kuantum mekani¤ine paralel ola-rak 20. yüzy›l›n ilk ve ikinci çeyre¤in-de makine imalat sanayiinde de önem-li geliflmeler yafland›. Bu geliflmeler-den daha sonra yeni bir sanayi devri-mi ortaya ç›kt›. Klasik mekani¤in ge-çerli oldu¤u imalat sanayiinde kulla-n›lan malzemelerin atomsal yap›s›,mekanik, elektronik ve manyetik özel-likleri ancak kuantum mekanik saye-sinde anlafl›ld›. Bu bilgiler ›fl›¤›nda ye-ni malzemeler de gelifltirildi. Enönemlisi, yar›iletken malzemeler,özellikle silisyum teknolojisi önem ka-zan›p, mikroelektronik sanayi h›zlageliflmeye bafllad›. Mikroelektronik,iletiflim teknolojilerinden bafllay›p heralanda uygulama buldu. Özellikle bil-gisayarlar›n ve biliflim teknolojilerininyayg›n kullan›m›, mikroelektronikbaflta olmak üzere, optoelektronik, fo-

tonik teknolojilerinin geliflmesinde iti-ci kuvvet rolünü üstlendi. Bilgisayarkullan›m›n›n her alanda getirdi¤i h›z,daha h›zl› ve daha küçük bilgisayarla-ra olan talebi canl› tuttu. Bu sayedebilgisayarlar yaklafl›k her 18 ayda ifl-lemci h›zlar›n› ikiye katlayarak geli-flimlerini sürdürmekteler. Günümüz-de bilgisayarlarda ayg›t boyutlar› 50nanometrenin alt›na inerken, mevcutteknolojilerin çözemeyece¤i ›s›nmaproblemleri ortaya ç›kmakta. Bununyan›nda daha küçük boyutlarda elek-tronik ayg›tlar›n iflleyiflindeki yar›-kla-sik fizik kuramlar› geçerlili¤ini yitirip,kuantum olaylar önem kazanmayabafllamakta.

Bilgisayar›n, daha sonra ‹nter-net’in yayg›n kullan›m›, yaflam tarz›-m›z› da çeflitli yönlerden etkiledi vezamanla kullan›lan teknolojiler yeter-siz kalmaya bafllad›. Yaflant›m›z› vesa¤l›¤›m›z› yak›ndan ilgilendiren, fa-kat daha önce hayal bile edilemeyenbirçok geliflmenin kiflisel kullan›masunulmas› gündeme geldi. Yeni tek-nolojilerin sa¤l›k hizmetlerinde bafla-r›yla uygulanmas›, DNA’yla ilgili tek-nolojilerin geliflmesi biliminsanlar› vemühendisleri her gün daha küçük bo-yutlara inmeye, daha az yer kaplayan,daha az enerji harcayarak daha h›zl›çal›flabilen ayg›tlar yapmaya zorlad›.

Bir ayg›tta kullan›lan malzemeninboyutu küçüldükçe çal›flma h›z› da ar-t›yor ve o malzemenin yeni özellikleriortaya ç›k›yor. Boyutlar nanometreölçeklerine yaklafl›rken malzemeninfiziksel özellikleri kuantum mekani¤i-nin kontrolüne giriyor, elektron du-rumlar›n›n faz› ve enerji spektrumu-nun kesikli yap›s› daha belirgin halegeliyor. Daha da önemlisi, malzemeyioluflturan atom say›lar› 100’ler düze-yine inince, atomsal yap›n›n geometri-si, hatta atom say›s›n›n kendisi bile fi-ziksel özelliklerin belirlenmesinde et-ken oluyor. Nanoölçeklerdeki bir ya-p›ya yeni eklenen her atomun fizikselözelliklerde neden oldu¤u de¤ifliklik-ler, bu atomun cinsine, nanoyap›n›ntürüne ve geometrisine ba¤l› olarakbelirginlefliyor. Örne¤in, nanoyap›n›niletkenli¤i, o yap›ya tek bir atom ek-lense bile de¤iflebilmekte. Benzer fle-kilde, nanoölçeklerde atomlararas›

ba¤ yap›s› da de¤iflikli¤e u¤rayabil-mekte; mekanik olarak malzeme güç-lenirken ya da zay›flarken, elektronikolarak iletkenlik özelli¤i tümüyle de-¤iflebilmekte. Örne¤in, yar›iletken ola-rak bilinen ve ça¤›m›z›n en önemlimalzemesi olan silisyumdan yap›lanbir telin çap› nanometreye yaklafl›r-ken tel iletken bir karakter sergiliyor.Di¤er ilginç bir malzeme de karbonelementi. Yap›tafl›n› karbon atomu-nun oluflturdu¤u elmas kristali, bili-nen en sert ve yal›tkan malzeme. Kur-flunkalemlerden tan›d›¤›m›z, 2 boyut-lu, düzlemsel grafit tabakalar›ysa kar-bon atomunun yumuflak ve iletkenbir yap›s›. Bir boyuttaysa, karbonatomlar› çelikten çok daha yüksek birçekme mukavemetine sahip olan venormal koflullarda çok iyi bir iletkenolan kararl› sicimleri (atom zincirleri-ni) yap›yorlar. Teknolojinin yeni ta-leplerine yan›t verebilen bu ola¤anüs-tü özellikler, nanometre boyutlar›ndayapay malzeme sentezlenmesini özen-diriyor.

Nanoyap›lar›n ola¤anüstü özellik-leri çok öncelerden tahmin edilmek-teydi. Nitekim 1960’l› y›llarda, Feyn-man nanoyap›lar›n bu yönünü vurgu-layarak biliminsanlar›n›n dikkatlerininanometre boyutlar›na çekmek içinçaba gösterdi. O s›ralarda kimyac›larda mikroelektronik sanayiine seçenekoluflturmak üzere moleküllerdentransistör yapmay› önerdiler. Molekü-ler transistör yap›m›n›n baflar›lmas›,Bell Laboratuvarlar›’nda 1940’l› y›l-larda Shockley, Bardeen ve Brattaintaraf›ndan yap›lan ve bir yumruk bü-yüklü¤ünde olan kat›hal transistörünboyutunun, yaklafl›k yüzmilyonda birküçülmesi anlam›na gelmekte. Ancak,moleküler tansistörlerin birbirlerineiletken tellerle ba¤lanmalar› ve butransistörlerden bütünleflik devre ya-p›lmas›, çözümü zor problemleri deberaberinde getirdi. Bu nedenle silis-yum mikroelektronik teknolojisi hâlâegemenli¤ini sürdürebilmekte.

1980’li y›llarda peflpefle gelen No-bel Fizik Ödüllerine konu olan çeflitlibilimsel çal›flmalar hem nanometre öl-çeklerinde sakl› yeni davran›fllar› or-taya ç›kard›, hem de atomu görüponu istedi¤imiz yere tafl›yabilmemizi

METREN‹N B‹R M‹LYARDA B‹R



olanak verecek yeni geliflmelere yolaçt›. Kuantum Hall etkisi ve düflükboyutlu elektron sistemlerinde gözle-nen yeni kuantumlaflmalar, yeni süpe-riletkenlik mekanizmalar›, bilimselaraflt›rmalar› kuantum kuyular›na,kuantum telleri ve noktalar›na yönelt-ti. Bu araflt›rmalar, büyüklükler nano-metre düzeyine inince elektron enerji-nin kuantumlaflmas›n›n elektrik ve ›s›iletkenli¤i gibi fiziksel özelliklere yan-s›yaca¤›n› ve yeni kuantumlaflmalaraneden olaca¤›n› gösterdi. Önce tara-mal› tünelleme mikroskopunun(TTM) daha sonra atomik kuvvet mik-roskopunun (AKM) keflfi, yüzeyde bu-lunan atomlar›n ve moleküllerin göz-lenmesine, atomsal düzeyde tepkime-lerin izlenmesine olanak tan›d›. DrEigler yüzeyde bulunan bir atomunTTM ucuyla baflka bir yere nas›l tafl›-nabilece¤ini, yüzeyle uç aras›nda ato-mun iste¤e ba¤l› olarak hareket ettiri-lerek nas›l ak›m fliddetini ayarlayanatom-anahtar› yap›laca¤›n› gösterdi.Böylece 20. yüzy›l›n son çeyre¤inde,do¤ada bulunmayan yeni nanoyap›la-r›n atomsal düzeyde tasarlanarak sen-tezlenmesi devri bafllad›. ‹nsanl›k, 60y›l içinde metre-milimetre büyüklü-¤ünde malzemeyi kesici tak›mlarla ifl-leyen ya da yüksek s›cakl›klarda ka-l›plara dökerek ya da döverek flekil-lendiren imalat teknolojisinden, atom-sal düzyde malzemeyi tasarlay›p yenimoleküller oluflturmaya yönelik birimalat yöntemine geçti ve nanotekno-lojiyle tan›flt›. Nanoteknoloji nanoöl-çeklerde malzeme tasarlay›p üretme-yi, bu malzemelerden yeni yöntemler-le ayg›t, alet üretmeyi amaçlar. Buba¤lamda nanoteknolojide kullan›lanyöntemler, bilinen yöntemlerden çokfarkl› olabiliyor. ABD’de mevcut tek-nolojiler doyum noktas›na yaklafl›r-ken ve uluslararas› rekabet karfl›s›ndakâr marjlar› düflerken, nanoteknoloji-de oluflabilecek pazar ve elde edilecekkâr› çok iyi de¤erlendirebilen ekono-mistler, Baflkan Clinton’a bask› yap›pnanoteknolojiyi öncelikli alan olarakilan ettirdiler. O günden bu günleregelirken ABD’de kurumlar yenidenyap›lanmaya giderek yeni yat›r›mlaryap›ld›, çok say›da laboratuvar kurul-du. 2015 y›l›nda ABD’de nanotekno-

loji ürünlerinin sat›fllar›n›n 1-3 trilyondolar dolaylar›nda gerçekleflece¤i tah-min edilmekte. ABD’de üniversite vearaflt›rma merkezleri kendi aralar›ndaörgütlenerek kaynaklar› daha etkinkullanmak üzere “araflt›rma üçgenle-ri” oluflturmufl bulunuyorlar. Günü-müzde ABD d›fl›nda Japonya, AvrupaBirli¤i ülkeleri, ‹srail, Çin ve Kore’dede nanoteknolojiye önem verilmekte.Çin’de nanoteknoloji konusunda birmilyon uzman ve araflt›rmac› yetifltir-mek üzere yeni bir program bafllat›l-m›fl durumda. Avrupa Birli¤i 2010 y›-l›nda ABD ve Japonya’y› yakalamakiçin 6. Çerçeve Program›nda nanotek-nolojiyi öncelikli alan ilan etti. Sonzamanlarda ABD ve Avrupa’da çoksay›da nanoteknoloji araflt›rma mer-kezi, ayr›ca üniversitelerde bu alandayüksek lisans programlar› aç›ld›.

Nanoteknolojide SonGeliflmeler

Nanoteknolojinin önümüzdeki 10-15 y›l içinde yeni bir teknoloji devrimiolarak ortaya ç›kaca¤›na inan›l›yor.Teknolojide ilerlemifl ülkeler nanotek-nolojiye odaklanarak, bu devriminiçinde yer almalar›n› sa¤layacak prog-ramlar üzerinde ciddi çal›flmalar yap-maktalar. Bütün bu çabalar›n alt›ndateknoloji yar›fl›nda geri kalma endifle-si yat›yor. 20. yüzy›l›n bafl›ndan berigeliflmekte olan ve her alanda, bilgi ifl-

lemden ak›ll› malzemelere ve mikro-elektroni¤e kadar çok geliflmifl tekno-lojileri kullanan otomotiv endüstrisin-de rekabet nedeniyle son y›llarda kârmarjlar› çok düflmüfl durumda. Gelifl-mifl ülkeler otomotiv sanayii ve ben-zer sanayileri daha az geliflmifl ülkele-re b›rak›p rekabetsiz bir ortamda yük-sek kârl› teknolojilere yönelmekteler.Nanoteknoloji bu ba¤lamda (kozme-tikte reflektan boyalardan t›p dal›ndakanser tedavisine kadar) genifl bir ala-n› kapsayan uygun bir konu olarakortaya ç›kt› ve bu nedenle de bütünönceliklere sahip oluverdi. Günümüz-de tekstil sanayii de benzer s›k›nt›lar›yaflamakta. ‹flçiliklerin çok yüksek ol-du¤u geliflmifl ülkelerin tekstil sanayi-i, geliflmekte olan ülkelerin, özellikleÇin’in ucuz ifl gücüne dayal› rekabetikarfl›s›nda yok olmaya yüz tutmakta.fiimdi ‹ngiltere ve ABD’de yüksekteknoloji kullan›larak tekstil sanayile-rinin yeniden canland›r›lmas› için cid-di ad›mlar at›l›yor. Ancak, Çin’de detekstil sanayiinde uygulanacak nano-teknoloji ürünleri h›zla gelifltiriliyor.Çin’de gelifltirilen kirlenmeyen ku-mafllar ve dokuma ürünleri nedeniyle,çamafl›r makinas› üreten kurulufllar›nstoklar›n› eritip kapasite indiriminegideceklerinden bahsediliyor. Asl›ndananoteknolojinin tekstil sanayindeçok önemli ifllevinin olaca¤› biliniyor.Dokumada kullan›lacak elektronik fi-berler sayesinde, istenildi¤inde renkde¤ifltirebilen, vücudumuzu zararl›


B‹R‹NDE B‹L‹M VE TEKNOLOJ‹

(a) Bir yüzey üzerine atomlar teker teker dizilerek yap›lan Atom Adam’›n görüntüsü. (b) Ga ve As atomlar›n-dan oluflturulan bir süperatom. Ga ve As atomlar›ndan oluflan kürelerin çap›na ba¤l› olarak süperatomun

elektronik enerji yap›s›, istenildi¤i gibi ayarlanabilmekte.

a b


›fl›nlardan koruyan, günefl enerjisin-den elektrik üreterek yaz›n so¤utan,k›fl›n ›s›tabilen giysilerin yak›n bir za-manda vitrinlere ç›kmas› beklenmek-te. Özel polimerler sayesinde terinemilip vücudumuzun kuru kalmas›n›sa¤layan, su tutmayan giysiler flimdi-den gelifltirildi.

Nanobilim ve nanoteknolojidearaflt›rma çal›flmalar› çok çeflitli alan-larda sürdürülüyor. Son zamanlardananometre boyutlar›nda ortaya ç›kançeflitli kuantum olaylar, ›s› ve elektrikiletkenli¤inin kuantumlaflmas›, spineba¤l› elektron tafl›nmas›, faz tu-tarl›l›¤›, kararl›l›k ve denge d›fl›fiziksel olaylar çok say›da ku-ramsal ve deneysel çal›flmalarakonu oldu. Nanotellerde kuan-tum iletkenlikle tel kesiti ara-s›nda gözlemlenen ilginç iliflki-ler, nanoölçeklerde tel çap›n›nve bir bak›ma kesitte bulunanatom say›s›n›n bile kesikli ola-rak de¤iflece¤ini gösteriyor.Böylece nesne büyüklüklerininde kuantumlaflabilece¤i sorusugündeme geliyor.

Karbon Nanotüpler1991 y›l›nda karbon nano-

tüplerin sentezlenmesiyle ba-z› nanoyap›lar›n ne kadarfarkl› davranabilecekleri vebu farkl›l›klardan çok de¤iflikifllevlerin elde edilebilece¤i

anlafl›ld›. Karbon nanotüp, grafitinbal pete¤ini and›ran atom düzlemininbir silindir üzerine hiç bir kusur olufl-turmadan kesiksiz olarak sar›lm›fl birflekli olarak düflünülebilir. Yukar›dakiflekilde de görülebilece¤i gibi, karbonnanotüpler (n,m) tam say›lar›yla ta-n›mlanmaktalar ve elektronik özellik-ler n ve m say›lar›n›n de¤erine ba¤l›olarak de¤iflmekte. Örnek olarak,(n,0) yar›iletken tüpte bal pete¤i alt›-genleri iki kenar› tüpün eksenine pa-ralel olacak flekilde yönelmifl. (n,n)tüplerinin tümüyse iletken bir karak-

ter göstermekte. K›saca çaplar›na ve(n,m) de¤erine ba¤l› olarak karbonnanotüpler çok farkl› elektronik yap›-da olabiliyor, yar›iletken olanlar›nbant aral›klar› da genifl bir aral›ktade¤ifliyor. Ayr›ca (n,0) yar›iletken tüp-ler radyal deformasyon alt›nda iletke-ne dönüflmekteler. Bu özellik, nor-malde yar› iletken olan bir nanotüpboyunca çeflitli yerlere deformasyonuygulayarak metal-yar›iletken eklem-leri gibi de¤iflik elektronik ayg›t yap›-m›nda kullan›labilmekte. Karbon na-notüplerin bir baflka ender özelliklerde, eksenleri boyunca çelikten bilekat kat dirnençli, radyal yöndeyseyüksek elastik özelliklere sahip olma-lar›d›r. Bu özellik, karbon nanotüple-rin uzay asansöründe halat olarakkullan›lmas› gibi fikirleri ça¤r›flt›rm›fl-sa da, daha gerçekçi uygulamalar üze-rine çal›flmalar h›zla artmakta. Kar-bon nanotüpler üzerinde çok say›dakuramsal ve uygulamal› araflt›rmalaryap›lmakta, ilginç prototipler geliflti-rilmekte. Bunlardan biri, ortamda bu-lunan zehirli gazlar› alg›layabilen na-notüp kullanarak yap›lan bir gaz de-tektörü. Bu sayede, kilolarca a¤›rl›¤asahip bir cihaz milimetre boyutlar›naindirgenebilmifl. Karbon nanotüplerinnanometre ölçe¤indeki sivri uçlar›ndaoluflan yüksek elektrik alan›nda ko-layl›kla iyonize olabilen gaz atomlar›-n›n iyonizasyon enerjilerinden, gaz›ntürü tayin ediliyor. Böyle bir detektör

pille çal›flabiliyor ve elbiseyakas›nda tafl›nabiliyor. Di-¤er bir uygulamada iki pla-tin tel üzerine konulan birnanotüp, platin telle aras›n-da oluflan kontak potansiye-li arac›l›¤›yla transistör iflle-vi görüyor. Benzer yöntem-lerle nanotransistör yap›l-mas› de¤iflik gruplar tara-f›ndan baflar›lm›fl olmas›nakarfl›n, bu tansistörlerin bir-birleriyle ba¤lan›p bütünle-flik devre yap›lmas›nda he-nüz sorunlar var. Bu prob-leme ‹srail’den ilginç bir çö-züm önerildi: Buna, DNA’yadayal› olarak yap›lan tran-sistörlerin kendi kendileri-

ne yap›lan›p ço¤alabilme ye-teneklerinin, bir flekilde ay-g›t entegrasyonunu sa¤laya-bilece¤i düflünülüyor.


Karbon tüpün atom yap›s›. (a) Grafitin bal pete¤i görünümünde atom tabakas›. Karbon atomlar› alt›genlerinköflelerinde yer al›yor. Karbon nanotüp, bu tabakan›n bir silindir üzerine sürekli bir flekilde sar›lmas›yla eldeedilir. K›rm›z› renkle gösterilen sarmal vektörü C, onun uzunlu¤unu ya da tüpün çevresini ve sarmal aç›s›n›

belirleyen (n,m) ikilisiyle tan›mlanmakta. (b) Bir karbon nanotüpün TTM görüntüsü.

Cam üzerine dikine dizilen karbon nanotüpler ve onlar›n üstünde aluminyumplakadan oluflan gaz detektörü. Sivri karbon nanotüplerle plaka aras›nda nor-mal gerilim fark›nda bile oluflan yüksek elektrik alan›nda, atomlar›n iyonizas-yon enerjilerinden gazlar›n cinsi belirlenebiliyor. Bu mikrodetektör hareketli

kullan›mlarda büyük kolayl›k sa¤lamas› beklenmekte. (Nature 424, 171 2003.)

Katot

Cam yal›tkan

Cam yal›tkan

MNWTtabakas›ndan anot

Alüminyum tabaka

Sarmal Vektör


Bütün ola¤anüstü fiziksel ve kim-yasal özellikleri yan›nda, d›fl ya da içcidarlar›na atom ya da moleküller so-¤urarak daha ifllevsel hale getirilmele-ri, karbon nanotüpleri araflt›rmada il-gi oda¤› haline getirmifl durumda. Na-noyap›lar›n ifllevsel hale getirilmesi-nin nanoteknolojide tafl›d›¤› önemiBilkent Üniversitesi Fizik Bölü-mü’ndeki araflt›rma grubumuzda ku-antum mekani¤ine dayal› olarak yap-t›¤›m›z baz› kuramsal çal›flma sonuç-lar›m›z› özetleyerek göstermeye çal›-flaca¤›m. Bunun için yar›iletken birkarbon nanotüp d›fl cidar›na so¤uru-lan titanyum (Ti) atomunu ele alal›m.Bir geçifl elementi olan Ti kolayl›klananotüp cidar›na ba¤lan›p güçlü birba¤ oluflturabiliyor. Bu güçlü ba¤ sa-yesinde Ti atomu, nanotüp yüzeyinidüzgün olarak kaplayabilen ender birelement. Di¤er elementlerse olufltur-duklar› zay›f ba¤lar nedeniyle tüp yü-zeyinde topaklar oluflturuyorlar. Ci-darlar›n› düzgün olarak kaplayan Tiatomlar› sayesinde, karbon nanotüp,teknolojik olarak önemli özelliklersergiliyor. Öncelikle, Ti atomlar› üze-rinden tafl›nabilen ak›m sayesindetüp, yüksek bir iletkenlik kazan›yor.Çaplar› nanometreden küçük olan builetken teller, ayg›tlar›n birbirine ba¤-lanmas›nda kullan›labilecek. Ayr›ca Tiatomlar›yla kaplanan bir tüp, yüksekde¤erlerde manyetik momente sahipoluyor. Daha da önemlisi, tüpün top-lam manyetik momenti, tüpe ekseniboyunca elastik deformasyon uygula-y›nca ya da tüp üzerine yeni Ti atom-lar› so¤urunca önemli de¤iflikliklergösteriyor. Yüksek manyetik momen-

te sahip olan Ti kaplanm›fl tüplerinnanom›knat›s, yüksek yo¤unluklu bil-gi depolayan küçük ölçekli sabit diskve deformasyon ölçmeye yönelik ölçüaletleri yap›m›nda kullan›lmas› bekle-niyor.

Karbon nanotüpler, yüksek yüzey-hacim oranlar› nedeniyle hidrojen de-polama için ideal malzeme konumun-dalar. Ancak hidrojen molekülü H2,nanotüp yüzeyine ba¤lanamamakta.Çok ilginçtir ki, nanotüp yüzeyine so-¤urulan her Ti atomu, dört H2 mole-külünü ayn› anda ba¤layabiliyor; iste-nildi¤i zaman da serbest b›rakabili-yor. Tüpün iç ve d›fl cidarlar›na Ti ato-mu kaplayarak H2 depolama kapasite-sinin çok yüksek de¤erlere ç›karmakmümkün. Kuramsal çal›flmalardan,ABD’de NIST’ten (Ulusal Standartlarve Teknoloji Enstitüsü) Dr. Taner Y›l-d›r›m ile birlikte elde etti¤imiz bu so-nuç, hidrojen depolama ve yak›t hüc-resi araflt›rmalar›nda adeta bir dönümnoktas› oldu.

Ti kaplanm›fl iletken tüplerden 2ya da 3 boyutlu örgüler ya da ›zgara-lar oluflturularak, nanoayg›t ve tran-sistörlerden bütünleflik (entegre) dev-re yap›m›nda kullan›lmas› öneriliyor.Ayr›ca tüpleri eklem yerlerinden Tiatomuyla birbirine kaynatarak taçgeometrisinde ayg›tlar da yap›labile-cek.

Kuramsal çal›flmalar›m›z, karbond›fl›nda aluminyum, silisyum, alt›n gi-bi elementlerin ve galyum arsenit gibibilefliklerin de tüp yap›s›nda kararl›kalabileceklerini göstermiflti. Bu ön-görülerin bir k›sm› deneysel olarakgerçeklefltirildi. Özellikle silisyumtüplerin moleküler elektronikte uygu-lama bulmas› beklenmiyor. ‹letkensarmal tüplerde oluflacak dönel ak›m-lar›n, tüpün merkezinde çok yüksekmanyetik alanlar endüklemesi ve

elektrom›knat›s yap›m›na olanak ver-mesi düflünülüyor.

Atom Zincirleri Her karbon atomu en yak›n iki

komflusuyla çift ba¤ yaparak baz›lar›deneysel olarak da gözlemlenmifl olansicimleri oluflturur. Normal koflullar-da söz konusu çift ba¤ sayesinde kar-bon sicimi, alt›n atomunun zincirin-den daha iyi bir iletkenli¤e sahiptir.Yine çift ba¤ sayesinde, çekmeye kar-fl› nanotüpten yaklafl›k iki kat dahayüksek bir direnç gösterirken, bükül-me esnekli¤i sayesinde halka, helis,örgü ve ›zgaralar da yapabilmekte. ‹l-ke olarak, arzu edilen herhangi birgeometriye göre tasarlanan örgülerindü¤üm noktalar›na moleküler ayg›tyerlefltirilerek, nanoölçülerde bütün-leflik devre yapmak mümkün olabile-cek. Sonlu say›da karbon atomundanoluflan sicimin iki metal elektrot ara-s›nda iletkenli¤i, atom say›s›na, hattabu say›n›n tek ya da çift olmas›na ba¤-l› olarak önemli de¤ifliklikler gösterir.Kuantum etkisinin bir sonucu olarakdo¤rusal sicimin uzunlu¤u artarkendirenci azalabilir.

Baflka bir ilgiç durumda Cr, Co,hatta Ti atomlar›yla periyodik olarakkatk›lanan CnCo ya da CnCr (n=3-4)zincirleri, ola¤anüstü bir elektroniközellik gösterir. Farkl› spin yönünesahip bantlar ayr›flarak zincire ferro-manyetik bir yap› kazand›r›rlar. Bu-nun da ötesinde, bir spin yönünün


Ti atomlarla kaplanm›fl karbon nanotüpler ve butüplerin kal›c› manyetik momentlerinin de¤erleri.

Karbon nanotüp yüzeyine so¤urulan Ti atomlar›nahidrojen moleküllerinin ba¤lanmas›. fiekildeki sis-tem yak›t hücreleri için yüksek kapasiteli hidrojendepolayabilecek bir ortam oluflturmakta. Resimde

mavi küreler nanotüp cidar›na so¤urulmufl Ti atom-lar›n›, k›rm›z› küreler hidrojen molekülünü temsil

ediyor.

Karbon nanotüplerden yap›lan 3 boyutlu ›zgara yada örgü. Bas›nç alt›nda birbirine yap›flan tüpler Ti

ya da karbon atomu kullanarak birbirine kaynayabil-mekte. Ayg›tlar›n tüplerin eklemlerine yerlefltirilme-siyle bütünleflik devreleri de oluflturmak mümkün

olabilecek.


elektronik enerji band› metal gibi dav-ran›rken, tersi spin yönünde bantlar,yal›tkan ya da yar›iletken gibi davra-n›r. Normalde kristaller metal ya dayar› iletken olabilirken, Co ya da Crile periyodik olarak katk›lanan atomzincirin ayn› anda hem metal hem deyar› iletken gibi davran›fl›, ak›m› ile-ten elektronlar›n mutlak spin kutup-lanmas›na sahip oldu¤unu gösterir.Bir baflka deyiflle, böyle bir ayg›t an-cak bir yönde spine aç›k, ters yönde-kilere kapal› kal›r. Elektronlar›n spin-lerine ba¤l› olan bu tür elektroni¤e“spintronik” ad› veriliyor. Spintronik-te iletiflim kapasitesi art›r›l›p de¤iflikelektronik ve manyetik ayg›tlar yap-mak amaçlan›yor.

Birkaç karbon atomundan oluflanzincir parçalar› uçlar›ndan Co ya da

Cr atomlar›yla kapan›nca, yapay vedo¤rusal CoCnCo ya da CrCnCr mole-külleri ortaya ç›kar. Kuantum meka-ni¤ine dayal› duyarl› hesaplar, bu mo-leküllerin de kal›c› manyetik özellikle-re sahip oldu¤unu gösteriyor. Örne-¤in, CrCnCr zincirinde karbon atomu-nun say›s› n, tek bir say›ysa zincir“ferromanyetik” (yani her iki Cr ato-munun spini de ayn› yönde), çift say›oldu¤undaysa “antiferromanyetik”(yani Cr atomlar›n›n spinleri farkl›yönde) olur. Antiferromanyetik yap›-n›n iletkenli¤i her iki spin yönündeelektronlar için de zay›f bir de¤erdeseyrederken, antiferromanyetik yap›d›flar›dan etkiyen manyetik alanla fer-romanyetik yap›ya dönüflür ve ilet-kenlik artar. Böylece sistemden geçenak›m kolayl›kla kontrol edilebilir. Buflekilde çal›flan ayg›ta “spin vanas›”deniyor.

Co, Cr gibi atomlarla katk›lanan vebirkaç karbon atomunu içeren manye-tik moleküllerin gelecekte ilginç biruygulama alan›, çok yo¤un bilgi depo-lanmas›nda görülebilecek.

Bütün dünyada bir y›lda yaklafl›k1019 bit bilgi üretiliyor. Bu kadar bilgi-yi günümüz teknolojisiyle depolayanCD’ler üstüste dizilse 6000 km yük-seklü¤inde bir sütun olufltururdu. ‹l-kece, nanoteknoloji kullanarak tümbu bilginin yaklafl›k 1 cm3’lük bir ha-cim içerisinde depolanabilece¤i öngö-rülüyor. Afla¤›daki flekil, bunun nas›lgerçekleflebilece¤i konusunda bir mo-del sunmakta.

Yukar›da sunulan çok dar bir kesit-le nanobilim ve teknolojinin yaflant›-

m›za neler getirebilece¤i, dünyam›z›k›sa bir zaman diliminde nas›l de¤iflti-rece¤i aç›kca görülüyor. Günümüzdebiliminsanlar› her bilim dal›na, herteknoloji alan›na nanoölçekleri sok-mak, olas› s›rad›fl› özellikleri ortayaç›kar›p yeni bir teknoloji ürünündekullanabilmek için hayalleri zorlayanyöntemler keflfediyorlar. Karbon na-notüplerin otomobil lastiklerinde kul-lan›lmas›yla, çelikten elde edilen da-yan›kl›l›¤›n ve güvenilirli¤in çok dahafazlas›n›n elde edilmesi bekleniyor.Viral RNA ve DNA’dan yap›lan nano-robotlar yak›t olarak kimyasal bile-flenleri kullanarak, hücre içindeki sa-r›l›k virüsüne sald›rabiliyorlar. Di¤eryandan genetik yap›s›yla oynanan vi-rüsler, kuantum noktalar›n› mükem-mel olarak dizebilen kölelere dönüfl-türülüyorlar. Bir baflka alandaysa, na-noteknoloji kullanarak kuantum bilgi-sayarlar›n›n ifllemcilerini gelifltirmekiçin u¤rafl veriliyor. Böylece mevcuten h›zl› bilgisayarlardan binlerce katdaha h›zl› bilgisayarlar›n yap›lmas›planlan›yor. Böyle bir bilgisayar, flifre-leri kolayl›kla k›rarak dünyadaki bü-tün gizli bilgileri elde edebilecek.

K›saca uzmanlar, gelece¤in tekno-lojisini gelifltirmek için gece gündüzçal›fl›yorlar. Bugün çok küçük fleyler-le u¤raflanlar yar›n›n sanayi devleriolmak yolunda emin ad›mlarla ilerli-yorlar.

P r o f . D r . S a l i m Ç › r a c ›Fizik Bölümü, Bilkent Üniversitesi


Karbon sicimlerinden oluflturulabilecek çeflitli karar-l› yap›lar. ‹deal do¤rusal zincir iyi bir iletkenlik se-gilerken, asimetrik halka yal›tkan olabilir. Periyodik

Cn (BN)m eklemleri süperörgü gibi davran›r.

(a) Bilgisayarlarda RAM belle¤inin kapasitesini art›rmak üzere yak›nda uygulamaya sokulacak olan MRAMbelle¤inin basit anlat›m›. Yeflil manyetik malzemenin üst ve alt›ndaki iletkenlerden oklarla gösterilen yönde

ak›m geçti¤inde, manyetik alan yönü de¤iflebiliyor, yani veri yaz›labiliyor; yaln›zca bir iletkenden ak›m geçme-si durumundaysa manyetik alan›n yönü okunabiliyor, yani yaz›lan veri okunabiliyor. (b) ‹lke olarak benzer fle-

kilde karbon atomlar›ndan yap›lan bir örgüde ayn› yönde yerlefltirilen ferromanyetik CrC3Cr zincirlerindemanyetik alan›n yönü de¤ifltiriliyor ya da alan yönü okunabiliyor.

Viral RNA ve DNA’dan yap›lan savaflç› bir nanorobot.

CN(BN)M süperkafes

heteroyap› Takviyeli CN(BN)M

Takviyeli C-LC C-RN C-HX (N, p)

C-G(NXN) C (NXNXN)

C-LC

Simetrik halka Asimetrik halka

C-G Bal pete¤i


“Y›l 2015, küresel ›s›nman›n da et-kisiyle yaz aylar› bo¤ucu s›cakl›¤›ylabu y›l daha erken gelece¤inin iflaretiniveriyor; güvercinler, serin bir a¤aç göl-gesi ar›yorlard›. Özel kuvvetlere ba¤l›bir grup asker çölleflmeye yüz tutmufluçsuz bucaks›z ovada h›zla hedefinedo¤ru ilerliyordu. Güneflin yak›c› ›fl›n-lar› askerlerin üzerlerindeki üniforma-larda enerjiye dönüfltürülüp, bir k›sm›üniforman›n iç yüzeyinin so¤utulma-s›nda harcan›yor, böylece askerler s›-caktan etkilenmiyordu. En önde y›ld›-r›m h›z›yla hareket eden komutan›nuyar›s›na karfl›n yanl›fll›kla bas›lan birmay›n zincirleme patlamalara nedenolmufl, ortal›k bir anda savafl alan›nadönmüfltü. 20 kilometre gerideki ko-muta merkezindeki bilgisayar ekran›n-da, bütün askerlerin son durumlar›nailiflkin bilgiler geliyordu. Durum ol-dukça vahim gözüküyordu. Komuta-n›n kalp at›fl› düzensizleflmifl ve kalbibir iki dakika içinde durabilirdi. Birkaçaskerin kar›n bölgelerinde kanamalarbafllam›fl, h›zla kan kaybediyorlard›.Di¤erlerinin de durumu çok iyi olmad›-¤›ndan, ölümle pençeleflen arkadafllar›-na yard›m edemiyorlard›.

Askerlerin üzerlerine giydikleri ak›l-l› elbiseler ilk görevlerini baflar›ylayapm›fl, askerlere ait kalp at›fl›, vücut›s›s›, kanama bölgeleri ve say›s›na aitbilgileri merkeze göndermifl, ve gön-dermeye devam ediyordu. Bununla dayetinmeyip, h›zla kan kaybeden asker-lerin kanama bölgelerine bask› yap›pkanamalar› durduran ak›ll› elbiseler,kalp at›fl› duran komutana kalp masaj›uygulamaya bafllam›fl, k›sa süre sonra

onu hayata geri döndürmüfltü. 5 daki-ka içinde olay yerine ulaflan ilkyard›mekibi, merkezi bilgisayara ulaflan veri-ler ›fl›¤›nda yaralanan askerlere tan›la-r›n› koymufl, zaman kaybetmeden du-ruma müdahale edebilmiflti.”

Yukar›daki senaryo baz›lar› için ha-yal gibi görünse de, k›sa zaman içindebunlar›n gerçe¤e dönüflece¤i umudu-

nu besliyoruz. Nanoteknoloji ve malze-me bilimindeki h›zl› geliflmeler; hafif,alabildi¤ince esnek ve çok fonksiyonlutermal, mekanik, akustik, ve opto-elek-tronik özelliklere sahip kumafllar›nüretilmesini mümkün k›l›yor.

Geçen birkaç y›l içerisinde MIT’degelifltirdi¤imiz ve günümüzde çiplerinyap›m›nda kullan›lan yönteme seçenekbir teknoloji, çok fonksiyonlu dedek-törlerin, günefl enerjisi pillerinin fiberüzerinde üretilmesine olanak sa¤la-makta. Yeni yöntemin ana hatlar› flöy-le özetlenebilir: ‹letken, yal›tkan ve ya-r›iletken üç farkl› madde kullan›larakistenen çok fonksiyonlu ayg›t, makros-kopik boyutta yap›l›yor. Daha sonrabu yap›, geometrisi hiç bozulmadanbirkaç saç teli kal›nl›¤›na kadar küçül-tülünce, kilometrelerce uzunlukta ifl-levsel ayg›tlar elde ediliyor. Geleceky›llarda, ülkemize de tafl›nmas› umude-dilen bu yeni teknolojinin, kritik t›bbive askeri uygulamalarda kullan›lmas›düflünülmekte.

Öte yandan, nanoteknoloji destekliyeni malzemelerin ülkemizin en önem-li ihracat ürünlerinden biri olan tekstilendüstrisinde kullan›lmaya bafllanma-s›, uluslararas› rekabet gücümüzü cid-di ölçüde art›racak. Ayr›ca, gelifltirece-¤imiz nanoteknoloji destekli patentlen-mifl ürünler, ülkemizi ucuz ifl gücünedayal› ekonomik yap›dan h›zla uzak-laflt›racak, yüksek katmade¤ere sahipulusal markalar›m›z›n dünya pazar›n-da yerlerini almalar›n› sa¤layacak.

D r . M e h m e t B a y › n d › r Massachusetts Teknoloji Enstitüsü/ABD


Süper asker: Bir asker düflünün; üzerinegiydi¤i ak›ll› üniforma, düflman askeri lazer si-lah›yla niflan ald›¤›nda haber verecek, enerjiyeihtiyac› oldu¤unda günefl pili gibi çal›flacak, ze-hirli biyolojik ve kimyasal gazlar› tesbit edecek,ve gece karanl›¤›nda kendi askeri taraf›ndan ta-n›nabilecek, ama ayn› zamanda çok hafif veucuz olacak. Eskiden yanl›zca filmlerde tan›k ol-du¤umuz bu ak›ll› elbiselerin yak›n bir gelecek-te kullan›lmaya bafllan›lmas› bekleniyor.

Gören, duyan ve hisseden kumafllar: Çok ince ve hafif fiberler üzerindeüretilen ›fl›k, ›s› ve titreflim alg›lay›c›lar›, kumafl halinde dokunabiliyor. Alg›-lama elementleri kumafl üzerinde her bölgeye da¤›t›ld›¤›ndan, yüksek çözü-nürlük elde edilebiliyor. MIT’de gelifltirdi¤imiz bir yöntemle üretilen fiber ta-banl› yeni nesil detektörler; ölümleri azaltacak askeri elbiselerin, hissedebi-len robot uzuvlar›n›n, deprem tespiti yapabilecek ayg›tlar›n tasar›m›nda kul-lan›lacak.

NANOTEKNOLOJ‹ DESTEKL‹ AKILLI ELB‹SELER



Nano Ha“Nano” sözcü¤ü, herhangi bir fiziksel büyüklü¤ün bir milyarda biri anlam›na geliyorr. Nanoyap›lar,yaklafl›k 10-100 atomluk sistemlere (10_9metre) karfl›l›k geliyorlar. Bu boyutlarda sistemlerin fizikseldavran›fllar›, normal sistemlere k›yasla farkl› özellikler tafl›yor. “Nanobilim” ve “nanoteknoloji” sözcük-leri alt›nda toplanabilecek bu farkl›l›klar yaklafl›k 10 y›ldan beri dünya ülkelerinin sivil-askeri bilim veteknoloji stratejilerini belirler hale gelmifl bulunuyor. Yo¤un madde fizi¤i, kimya, mühendislik bilimleri,moleküler biyoloji ve genetik ve malzeme biliminin arakesitindeki nanobilimin gelmifl oldu¤u son du-rum ve yeni geliflmeler üzerine bir fikir verebilmek amac›yla nano-ayg›tlardan baz› örnekler derlenerekafla¤›da sunulmufltur.

Nano-ayg›tlar Virüsleri Hedefliyor:

Araflt›rmac›lar nanoelektromeka-nik (NEMS) ayg›tlar›, virüsleri ortayaç›karmak üzere kullanmaya bafllad›-lar. Bir araflt›rma grubu silisyum dir-seklere (cantilever) dayanan ayg›tlar-la böcek baculovirusleri yakalarkendi¤er bir araflt›rma grubu da nanotelalan-etki tranzistörleriyle grip virüs-lerini gözlemeyi baflard›. Bu teknik-ler kolayl›kla t›p uygulamalar› ya dabiyolojik silahlar›n ortaya ç›kart›lma-s› için kullan›labilir.

Cornell Üniversitesi’nden HaroldCraighead ve ifl arkadafllar›, 10-18

gram gibi küçük kütleleri ölçebilenbir nanoeletkromekanik ayg›t tasar-lad›lar. fiekilde görüldü¤ü gibi bu ay-g›t 500 nanometre geniflli¤inde, 4mikron uzunlu¤unda bir silisyum alt-tafl›n titreflimlerine dayan›yor. Küçükbir parçac›k bu alt-tafl üzerine yerlefl-tirildi¤inde, bunun titreflim frekans›-

n› de¤ifltirebiliyor. Bu frekans de¤ifli-mi alt-tafl üzerinden yans›t›lan lazer›fl›¤›n›n gözlemlenmesiyle ölçülebili-yor ve böylece parçac›¤›n kütlesi he-saplan›r. Cornell grubu, bu dirse¤ibelli virüslere karfl› duyarl› antikor-larla kaplayarak, ayg›t› virusleri orta-ya ç›karmak için baflar›yla kullanm›flbulunuyor.

Bu arada Harvard Üniversite-si’nden Charles Lieber ve ekibi, na-notellerden yap›lan alan-etki trazis-törlerinin (FET) yüzeylerini antikor-larla kaplayarak virüslu ortama koy-dular. Virüsler yüklü parçac›klar ol-duklar› için, nanotellere yap›flt›kla-r›nda yük tafl›y›c›lar›n›n konsantras-yonunu de¤ifltirirler; böylece FETtranzistörlerden geçen ak›m da de¤i-flir. De¤iflen ak›m›n gözlemlenmesiy-le viruslerin varl›¤› ortaya konulabi-lir. Harvard’l› araflt›rmac›lar ayn› an-da 100 de¤iflik virüsü alg›layabilecekayg›tlar›n gelifltirilmesi üzerine cal›fl-malar›n› sürdürmekteler.

Moleküler Diflliler:DNA Nano-Makinalar›n Difllileri Oluyor

Purdue Üniversitesi’nden Ye Ti-an ve Chengde Mao, difllerinin DNAkullan›larak yap›ld›¤› bir vites siste-mi gerçeklefltirdiler. Her çark, dörtDNA iplikçi¤inden olufluyordu. Or-ta çember çark›n ana yap›s›n› olufl-tururken üç do¤rusal iplikçik de,diflleri yapmak için kullan›lm›flt›.

fiekilde görüldü¤ü gibi de¤iflikorganik molekülleri nanotüp üzeri-ne yap›flt›rarak da vites sistemleriyapmak mümkün.

Zaman

Zaman

Zaman

Geçi

rgen

likGe

çirg

enlik

Geçi

rgen

lik


D o ç . D r . O ¤ u z G ü l s e r e nBilkent Üniversitesi

Fizik Bölümü


Haberler

Moleküler Lokomotif

Çal›fl›labilir en küçük ölçektemalzeme tasarlayanlar için en bü-yük hayal, nanomakinalara yap›tafl-lar›n› tafl›yacak olan nanolokomo-tiflerin yap›lmas›. Texas A&M Üni-versitesi’nden Zhisong Wang tara-f›ndan önerilen lazerle iflletilen mo-leküler lokomotifler bu yönde at›-lan çok önemli bir ad›m. Bu tasa-r›mda her bir vagon do¤rusal poli-mer zincirlerinden, ray sistemiyseörne¤in, biyolojide bulunan mikro-tüpler ve bunlardaki özel molekü-ler gruplardan oluflmakta. Treninher iki ucuna yerlefltirilen ve kim-yasal olarak tasarlanm›fl “bafl”gruplar›ysa raydaki özel molekülergruplarla ba¤ yapabilir ya da buba¤lar k›r›labilir. Trenin hareketilazer darbeleriyle sa¤lan›yor: ‹lk›fl›k darbesiyle trenin uçlar›ndakiba¤lar k›r›l›rken, ikinci ›fl›k darbe-siyle polimerin moleküler biçimlen-mesi de¤ifliyor. Böylece boyu uzat›-larak ray üzerinde bir sonraki nok-taya ulaflmas› ve orada yeniden ba¤yapmas› sa¤lan›yor.

Nanotüpler KuvvetiHissediyor

Oldukça küçük kuvvetleri ölçebi-len nanoelektromekanik (NEMS) re-zonatörler gelifltirildi. ‹ki alt›n elek-trot aras›nda 1,2 ile 1,5 mikron ge-niflli¤inde ve 500 nanometre derinli-¤inde bir hendek üzerinde as›lm›fltek bir nanotüpten oluflmakta.

McEuen ve ekibi, yaln›zca kap›potansiyelini (gate voltage) de¤ifltire-rek 3’ten 200 megahertze kadar çokgenifl bir aral›kta nanotüp rezonansfrekans›n› hem ayarlamay› hem deölçmeyi baflarm›fllar. 0,5 nanometregibi çok küçük hareketlerin ölçülme-siyle, kuvvet ölçümleri, bugüne ka-dar oda s›cakl›¤›nda ölçülen en iyide¤erden 10 kat daha duyarl› biçim-de yap›lm›fl bulunuyor.

Karbon Nanotüp Alan-Etki Tranzistörleri

Tranzistörler tümleflik devrelerinen temel yap›tafl›. Nanotüpleri gele-ce¤in devrelerinde kullanabilmek

için bunlar› kullanarak da tranzistöryap›lmas› bu aç›dan çok önemli.IBM’den Avouris ve ekibinin karbonnanotüpleri kullanarak baflar›ylaüretip testlerini yapt›klar› bir alan-et-ki tranzistörün (FET) yap›s› ve ak›m-potansiyel ölçümleri, flekilde görüle-bilir.

Nanotüp

Kaynak (AU)

Nanotüp

Gider (AU)

Alt›n

Alt›n

Alt›n

Silikon taban

S‹O2(140 nm)

V Kap›s› (V)

V Kap›s› (V)


Fotonik bilimi, ›fl›k ve maddeninbirbiriyle etkileflimini inceleyen bilimdal›. Bu anlamda “nanofotonik” foto-nik ve nanoteknolojinin bir arada yerald›¤›, yani boyutlar› 1-100 nm aras›n-da de¤iflen nanoyap›lar›n ›fl›kla etkile-flimini inceleyen bilim dal› olarak ta-n›mlan›r. Bu boyutlarda tek bir ato-mun ya da molekülün tek bir fotonlaetkileflimi sözkonusu. Kuantum meka-ni¤inin kurallar›n›n geçerli oldu¤u buboyutlarda ›fl›¤›n bölünemez en küçükmiktar›na karfl›l›k gelen fotonlar, biranlamda maddeyi oluflturan atom vemoleküllerle dans ederler. Bu etkilefli-min kontrol alt›na al›nmas›n› hedefle-yen nanofotonik sayesinde birçokalanda önemli ilerlemeler sa¤lanacak.Nanofotonik kristaller, nanoplazmo-nik yap›lar ve nano-metamalzemeler,nanofotoni¤in günümüzde en yo¤unbiçimde çal›fl›lan dallar›. Bu nanofoto-nik teknolojilerin kullan›ma girmesiy-le bilgisayarlar›n daha da h›zlanmas›,‹nternet’in yüzlerce kat h›zlanmas›,DVD’lerin bilgi saklama kapasitesininyüzlerce kat artmas›, nanoelektronikentegre devrelerin optik yöntemlerleüretimi mümkün olacak.

1987 y›l›nda Eli Yablonovitch tara-f›ndan keflfedilen fotonik kristaller,periyodik bir yap› içinde ›fl›¤›n yay›l-mas›n› engelleme özelli¤ine sahipler.Bir kelebe¤in ya da tavuskuflunun ka-natlar›nda yer alan renklerin temelnedeni, bu yap›larda do¤al olarak bu-lunan fotonik kristaller. Fotonik kris-

talleri nanolitografi yard›m›yla yar›-iletkenler kullanarak da üretmekmümkün. Ifl›¤›n dalgaboyunun ondabiri inceli¤inde (30-50 nm) olan bu ya-p›larda oluflturulan düzensizliklerikullanarak, ›fl›k çok küçük bir alanas›k›flt›r›labilir. Bu yaklafl›mla dünya-n›n en küçük ç›nlaçlar›, yani ›fl›¤› çokküçük bir hacimde s›k›flt›rabilen yap›-lar tasarland› ve üretildi. Bu yap›lar›nboyutlar› bir dalgaboyu küp hacminin30’da biri kadar. Bu kadar küçük bo-yutlara inebilen bu yap›lar› kullana-rak dünyan›n en küçük lazerleri yap›l-d›. Boyutlar› bu kadar küçülen lazer-lerden milyonlarcas› ayn› malzeme-den yap›labildi¤i için bu fotonik kris-tal lazerlerin maliyeti çok düflük. Na-nofotonik kristal temelli bu lazerler-den ç›kan fotonlar yine fotonik kris-taller arac›l›¤›yla yönlendirilerek ›fl›-¤›n bir devrenin de¤iflik noktalaraulaflmas›n› sa¤layabilir. Günümüzde4-5 GHz’de t›kanma seviyesine gelmiflsilikon temelli mikroifllemcilerin enbüyük sorunu, transistörler aras›nda-ki elektronik iletiflimin yavafll›¤›. Bo-yutlar› 2 cm’e varan bu entegre devre-lerde bilginin elektronik olarak biruçtan di¤erine tafl›nmas› çok uzun birsüre al›yor. Oysa hepimizin bildi¤i gi-bi evrende ›fl›ktan h›zl› bir fley ola-maz. Bu durumda bu bilginin optikolarak nanofotonik kristaller arac›l›-¤›yla tafl›nmas›, günümüzdeki bu s›-n›rlamay› ortadan kald›racak ve bilgi-sayarlar›n yüzlerce kez daha h›zl› ça-

l›flmas›na olanak tan›yacak. Benzerflekilde günümüzde ‹nternet’in h›z›n›belirleyen, temel olarak elektronikdevrelerdir. Bu elektronik devrelerinoptik devrelerle de¤iflimi sayesindebilgi iletme h›z›nda yüzlerce katl›k birh›zlanma olacak. Bu optik entegredevreleri oluflturan lazer, modülatörve detektörlerin yap›m›nda ayr›ca ›fl›-¤›n bu devre içinde yönlendirilmesin-de nanofotonik kristaller önemliavantajlar sunuyor ve bu tür devrele-rin boyutlar›n›n çok küçülmesini sa¤-l›yorlar.

Nanoplazmonik ayg›tlar, metal veyal›tkan malzemelerin bir araya geldi-¤i ara yüzeyde oluflturulan ve nano-metre boyutlar›na sahip olan yap›lar›içeriyorlar. Bu yap›larda ›fl›k yaln›zcabu ara yüzeyde yer al›yor ve bu bölge-de ›fl›¤›n dalgaboyu, havadaki dalga-boyundan 20-30 kat daha k›sa olabili-yor. 10 nm’ye inen dalgaboylar›ndamoleküler düzyde etkileflim ya da gö-rüntü almak mümkün. Optik-antenad› da verilen yap›larla, normal yön-temlerle mümkün olmayan optik gö-rüntüleme çözünürlüklerine eriflilebi-liyor. Bir molekülün optik yöntemler-le görüntüsünün al›nmas› yan›nda bumoleküle optik eriflim de sa¤land›¤›için bu yöntemin özellikle optik te-melli bellek uygulamalar›nda önemlibir avantaj sa¤lamas› beklenmekte.Günümüzde bir DVD’nin bilgi sakla-ma kapasitesini belirleyen, yaz›lan ›fl›-¤›n dalgaboyudur. Nanoplazmonik ya-


NANOFOTON‹K: Fo

Bir kelebe¤in kanatlar›nda bulunan renk çeflitlili¤i kanat üzerinde bulunan do¤alnanofotonik kristallerden kaynaklanmaktad›r.

Nanofotonik kristal temelli optik entegre devrelerin kullan›m›yla iletiflim h›zlar›yüzlerce kat h›zlanacak.


p›larda bu dalgaboyunun 30 kat kü-çüldü¤ü düflünülürse, bu yap›lar›nDVD yazma ve okumada kullan›lmas›DVD’lerin kapasitesini 1000 kat artt›-rabilecek ve 100 terabyte (1014) bilgi-nin tek bir diske yaz›lmas› mümkünolacak. Bu, yaklafl›k olarak 25.000 si-nema filminin tek bir DVD’de saklan-mas› demek.

Metamalzemeler 1999 y›l›nda Lon-dra Imperial College’da çal›flan Prof.Sir John Pendry taraf›ndan kuramsalolarak ortaya at›ld›. Daha sonra SanDiego, Girit ve Bilkent Üniversitele-rinde ortak olarak yap›lan çal›flmalar-la bu malzemeler deneysel olarak daüretildi. Metamalzemelerin en önemliözelli¤i, ›fl›k özelliklerinin negatif ol-mas›. Örne¤in, havadan gelen bir ›fl›k

demeti suya girerken belirli bir aç›dak›r›l›r. Oysa bu k›r›l›m metamalzeme-lerde negatif yönde olur. Yani, bumalzemelerde ›fl›¤›n k›r›lma indisi ne-gatiftir. Faz h›z›, ›fl›k-bas›nc›, Doppleretkisi, Cherenkov radyasyonu gibi op-tik özellikler de bu malzemelerde ne-gatif olarak ortaya ç›kar. Bilkent Üni-versitesi Nanoteknoloji Araflt›rmaMerkezi’nde yap›lan çal›flmalar sonu-cunda, dünyan›n en küçük boyutlar›-na sahip negatif k›r›lma indisli meta-malzemeler üretilmifl bulunuyor. Gü-nümüzde entegre devrelerin mini-mum boyutlar›n› s›n›rlayan en önemlifaktör, bu devreleri yapmak için kulla-n›lan merceklerin optik çözünürlükle-rinin yetersiz kalmas›. Oysa nanobo-yutlarda sahip nanometamalzemeler

kullanarak, geleneksel merceklerdençok daha yüksek çözünürlü¤e sahipsüper mercekler yapmak mümkün.Bu süper merceklerin çözünürlü¤ügeleneksel merceklerden 20-30 katdaha üstün. Entegre devre yap›m›ndasüper merceklerin kullan›m›yla, günü-müzde ancak 1 milyar transistörün s›-¤abildi¤i bir alana 1 trilyon transistörs›¤d›rmak olas›. Metamalzemelerleüretilen ve 3-10 nm boyutlar›nda na-notransistörlerden oluflan nanoelek-tronik entegre devrelerse günümüz-deki bilgisayarlardan binlerce kat da-ha h›zl› ve kapasiteli yeni nesil bilgi-sayarlar›n yap›lmas›nda kullan›lacak

P r o f . D r . E k m e l Ö z b a yNanoteknoloji Araflt›rma Merkezi

Bilkent Üniversitesi


Fotonlarla dans

Nanoplazmonik yap›larda ›fl›¤›n dalgaboyunun çok k›sa olmas› nedeniyle molekülerdüzeyde optik görüntü almak mümkün.

Nanofotonik yöntemler ile üretilen yeni nesil DVD’lerin kapasiteleri bin kat artacak.

Bilkent Üniversitesi’nde dünyan›n en küçük boyutlar›na sahip negatif k›r›lma in-deksli metamalzemeler üretilmifl bulunuyor.

Nanofotonik yöntemlerle üretilen 10 nm boyutlar›nda nanoelektronik devreler,gelecek kuflak bilgisayarlar›n yap›m›nda kullan›lacak.


Fotonlarla ElektronlarEl Ele, Yaflant›m›z›n‹çinde

Optoelektronik, günümüz ileri tek-nolojisinde önemli ve etkin bir yer tu-tuyor. Yayg›n olarak kulland›¤›m›zyar›iletken lazer, LED, fotodetektörve optik modülatör gibi ayg›tlar, opto-elektroni¤in ürünleri. Bu optoelektro-nik ayg›tlar, modern yaflant›m›z›n do-¤al birer parças› olmufl durumda.Ama ço¤umuz, günlük yaflant›m›zdabunlar›n boyutlar›n›n fark›nda bile ol-mayabilir.

Bugün kaç›m›z›n optoelektronikayg›t› var dersiniz? Bu sorunun yan›-t›n›n boyutlar› baz›lar›m›z› flafl›rtabi-lir: örne¤in, günümüzde bilgisayar›n-da CD okuyucusu olan herkesin birlazeri var! Peki, optoelektronik ayg›t-lar› günlük yaflamda s›k kullan›yormuyuz? Bu sorunun yan›t› da baz›la-r›m›z için flafl›rt›c› olabilir. Örne¤in,süpermarketlerde al›flverifl yapt›¤›m›z-da, barkod okuyucular›nda bir lazerdiyotu kullan›yoruz. ‹nternet kullan-d›¤›m›z zaman (örne¤in, okyanuslara-ras› bir elektronik posta yollad›¤›m›z-da), üretti¤imiz elektronik bilginin la-zer ya da optik modülatör taraf›ndanoptik bilgiye dönüfltürülmesinde ve fi-berlerden iletilen optik bilginin, vard›-¤› noktada fotodetektör taraf›ndanelektronik bilgiye geri dönüfltürülme-sinde sözü geçen optoelektronik ay-g›tlar› kullan›yoruz.

‹flte, optoelektronik her geçen günyaflant›m›za daha çok giriyor, sivil veaskeri ileri teknolojilerin önemli birparças› olmaya devam ediyor. Opto-elektroni¤in bu gelifliminde, daha ön-cesinde yap›lmam›fl, yap›lamam›fl ay-g›tlar›n icat edilmesine, gelifltirilmesi-ne ve üretilmesine olanak sa¤layannanoteknolojinin, kritik bir katk›s›var.

Ifl›¤›n en küçük bölünmez parças›olan fotonlar, maddeyle elektronlarüzerinden etkileflir. Nano-optoelektro-nik ayg›tlar, bu madde-foton etkilefli-minin nanometre ölçekli kuantum ya-p›lar›nda kontrol edilebilme yetisineve bu yetinin ifllevsel kullan›lmas› fik-

rine dayan›r. Bu ayg›tlar, istenilen ifl-levi fotonlarla elektronlar› ortak çal›fl-t›rarak yerine getirirler–baflka bir de-yiflle, bu ayg›tlarda fotonlar ve elek-tronlar el ele ifl görür.

Nano-optoelektronik ayg›tlar, içer-dikleri kuantum yap›lar›nda elektron-lar› nanometre düzeyinde s›n›rland›-r›r ve bu yap›lar içine hapsederler.Bunun sonucunda, kuantum etkileridiye adland›rd›¤›m›z ola¤and›fl› etki-ler gözlenir: Makroskopik sistemlerdesürekliymifl gibi görünen elektronik

enerji spektrumlar›, nanoyap›lardakuantumlaflman›n belirgin hale gel-mesiyle ayr›k enerji spektrumu göste-rirler. Böylece elektronlar, optik ifl-lemlerde (örne¤in, optik ›fl›ma ve op-tik so¤urulma ifllemlerinde) makros-kopik yap›larda görülmeyen farkl› veduyarl› optik özellikler sergilerler.Önemli bir nokta, bu optik özellikle-rin kuantum yap›lar›n›n boyutlar›na,flekil ve dizilifllerine ba¤l› olmas› vebu flekilde istenilen optik ifllevlere gö-re farkl› nanomimarilerin tasarlanabil-


NANO OPTOELEKT

Farkl› boyutlarda sentezlenen CdSe kuantum noktac›klar›n› içeren yap›lar›n,farkl› optik dalgaboylar›nda ›fl›mas› sa¤lanabilir.

Türkiye’de ilk kez üretilen mavi ›fl›k (Bilkent Üniver-sitesi).

Mavi ›fl›k kayna¤› üretiminde kullan›lan kristal bü-yütme sistemi: Metallo Organic Chemical Vapour De-

position (MOCVD) sistemi.


mesi. Optik ›fl›ma iflleminde görülen bir

kuantum etkisi yukar›daki flekildegösterilmekte. Bu foto¤rafta, hepsiayn› yar› iletkenden (CdSe’den) sen-tezlenmifl kuantum noktac›klar›n›n,yaln›zca boyutlar›n›n de¤ifltirilmesiylefarkl› optik dalgaboylar›nda ›fl›malar›görülüyor. Bu ola¤and›fl› özellik,makroskopik CdSe malzemesindeyok. Nanoyap›larda ayn› malzemedenkontrollü bir flekilde baflka dalga boy-lar›nda ›fl›ma elde etme olana¤›, yenioptoelektronik ayg›tlar›n (örne¤in,kuantum noktac›k katk›l› organikLED [light emitting diode / ›fl›yan di-yot]) yap›lmas›n› mümkün k›lar. Yinekuantum noktac›k yap›lar›nda k›saoptik dalgaboylar›na eriflmek ve yeni›fl›k kaynaklar› yapmak da mümkün-dür; örne¤in, son y›llarda GaN taban-l› yap›larda, InGaN kuantum nokta-c›klar› kullan›larak mavi LED ve lazerelde edildi. Sol alttaki flekiller, Bil-kent Üniversitesi’nde bu flekilde eldeedilen Türkiye’nin ilk mavi ›fl›¤›n› vebu yap›lar›n üretildi¤i sistemi gösteri-yor. Mavi ›fl›¤›n büyük ekranl› göster-geler, trafik ›fl›klar›, ayd›nlatma, t›bbitan› ekipmanlar› ve fotolitografi sis-

temleri gibi birçok uygulama alan›var. DVD üreticileri, mavi ›fl›k kulla-nan “Blue Lazer” ya da “Blueray” ad›verilen yeni teknolojiye geçerek DVDkapasitelerinin 40 GB ve üstüne ç›k-mas›n› hedefiyorlar; önümüzdeki 10y›l içinde, dünyadaki 600 milyonu afl-k›n bilgisayar›n mavi lazer kullananDVD yaz›c›lar› içermesi bekleniyor.

Nanoyap›larda kuantum etkisinebaflka bir örnek, optik so¤rulma iflle-minin elektrik alan›na ba¤l› de¤iflmeyetisi (elektroso¤rulma). Farkl› elek-trik alanlar› alt›nda, nanoyap›lar›n›npotansiyel profilleri de¤iflince, ayr›kelektron enerjileri aras›ndaki so¤rul-ma foton enerjileri ve so¤rulma katsa-y›lar› büyük de¤ifliklikler gösterir. Bu-nun yan›s›ra, kuantum yap›s›nda op-tik so¤rulma sonucu oluflan elektron-hol çiftinin aralar›nda Coulomb etki-leflimi olmas› , ayn› kuantum yap›s›n-da hapsedilmesi ve çevrelerindeki ku-antum enerji bariyerleri sayesinde bir-birinden daha zor ayr›lmalar› neden-leriyle, bu kuantum etkileri çok dahagüçlü görülür. Farkl› nanoyap›lar(çoklu kuantum kuyular›, kuantumnoktac›k dizileri, kabuklu nanokris-taller vs.) tasarlayarak farkl› kuantum

etkilerini (örne¤in, kuantum s›n›rl›Stark etkisi, kuantum Stark merdivenetkisi vs.) ön plana ç›kar›p, yeni opto-elektronik ayg›tlar gelifltirmek müm-kündür. Bu kuantum ifllemleri pikosa-niye alt›nda oldu¤undan, bu etkileredayanan optoelektronik ayg›tlar, ilke-ce yüzlerce GHz h›z›nda çal›flt›rabilir.Örne¤in, kuantum modülatörleri üze-rilerine uygulanan gerilimin de¤ifltiril-mesiyle, ›fl›¤›n geçifl (ya da yans›ma)miktarlar› de¤ifltirilerek yüksek h›zl›(örne¤in, 500Gb/s’de) optik sinyalüretilebilir. Ülkemizde, mavi dalgabo-yundan morötesine uzanan dalgabo-yu aral›¤›nda çal›flan kuantum modü-latörleri gelifltirilmekte; bildi¤imiz ka-dar›yla, dünyada bugüne kadar bu türmodülatörler yap›lm›fl de¤il. Bu ayg›t-lar›n Si CMOS çiplerine do¤rudan10Gb/s’den h›zl› optik sinyal besle-me, noktadan noktaya güvenli optikhaberleflme (örne¤in, uzay haberlefl-mesi), biyolojik ve kimyasal maddetespiti için zaman-çözünürlü spek-troskopi (örne¤in, yurt güvenli¤initehdit eden antraks ve SARS gibi sal-g›nlar›n tespiti) ve Mavi Ifl›n DVD üze-rine (ultra-k›sa mavi optik mermilerikullan›larak) yüksek h›zl›, yüksek ka-pasiteli veri depolama gibi uygulamaalanlar› olmas› bekleniyor.

K›saca, nano-optoelektronik, nano-ölçekli kuantum yap›lar›n›n ola¤anüs-tü optik özelliklerini ifllevsel olarakkullanarak daha küçük, daha h›zl›,daha verimli ifllevsel optoelektronikürünler gelifltirmeyi amaçlar; bize do-¤an›n sundu¤u optoelektronik malze-melerin s›n›rlar›n› aflarak özgün opto-elektronik yap›lar, ifllevler ve ayg›tlargerçeklefltirmemize olanak sa¤lar.Bu, nano optoelektroni¤in stratejikönemini vurguluyor. Dünya çap›ndabirçok farkl› ve yeni nano-optoelek-tronik ayg›t çal›flmas› yayg›n olaraksürdürülmekte; ülkemizde de haliha-z›rda optik anahtarlar, Si fotoni¤i, na-no RF bio-implant ve yukar›da de¤ini-len ayg›tlar gibi nanoteknolojiye da-yal› ayg›t gelifltirilmesine yönelik fark-l› araflt›rma çal›flmalar› bulunmakta.

Yrd. Doç. Dr. Hilmi Volkan Demir


KTRON‹K AYGITLAR

Cep telefonlar›, mavi LED ayg›tlar›n›n en çok kulla-n›ld›¤› alanlardan biri.

‹çinde kuantum yap›lar› içeren bir optik modülatö-rün kesit görüntüsü.

Mor ötesinde çal›flmask üzere tasarlanan kuantumyap›lar›n›n potansiyel profili ve örnek elektron-hol

dalga fonksiyonlar›.

Otomobil endüstrisinde mavi LED’ler, ayd›nlatmaiçin s›kl›kla kullan›l›yor.


Atomlar›n foto¤raf›n› çekebilen ta-ramal› tünelleme mikroskobu (TTM)1981 y›l›nda Gerd Binnig ve HeinrichRohrer taraf›ndan ‹sviçre’de IBM labo-ratuvarlar›nda icat edildi. Tünellememikroskobunun çal›flma ilkesi, çokönemli di¤er bulufllar gibi asl›nda ol-dukça basit. En uç k›sm›nda tek atomkalacak kadar sivriltilmifl bir metal i¤-ne yüzeye yaklaflt›r›l›r, i¤ne yüzeye0,3-0,4 nm kadar yaklaflt›¤›nda i¤ne-den elektronlar (i¤ne yüzeye de¤medi-¤i halde) atlamaya bafllarlar. Tünelle-me denen bu olayda geçen ak›m, yanibirim zamanda i¤neden yüzeye akanelektron say›s›, i¤neyle yüzey aras›uzakl›¤›n üstel bir fonksiyonudur. Bufonksiyon o kadar h›zl› de¤iflir ki, i¤neyüzeye 0,1 nm daha yaklaflt›r›lsa, tü-nelleme ak›m› on kat artar!.. Bir geribesleme devresi ak›m› sabit tutmakiçin sürekli olarak i¤neyle yüzey ara-s›ndaki mesafeyi korumaya çal›fl›r. ‹¤-neyi 0,001 nm duyarl›l›kla kontrol et-mek için piezoelektrik kristaller kulla-n›l›r. Bu malzemeler voltaj uygulad›¤›-m›zda çok az miktarda uzay›p k›salmaözelli¤ine sahiptir. Bu geribeslemedevresi çal›fl›rken biz i¤neyi yüzeydeyine piezo malzemelerle tararsak, i¤ne-nin afla¤› yukar› hareketi yüzeydekiatomlar› izleyecektir. Çünkü atomlar›nçevresinde elektron yo¤unlu¤u genel-likle daha fazlad›r. Bir bilgisayar dene-timinde çal›flan bu mikroskoplarda al›-nan atomlar›n pozisyon bilgileri, bilgi-sayarda ifllenip, 2 ve 3 boyutta gösteri-lerek atomlar görünür hale getirilir.Ülkemizde ilk taramal› tünelleme mik-roskoplar› 1989 y›l›nda iki yüksek li-sans tezi kapsam›nda üretildi. Baz›parçalar› hurdac›lardan temin edilen,geribesleme devresinden, denetlemeyaz›l›m›na kadar herfleyiyle Türkiye’deyap›lan ve atmosferde çal›flan bu ilkmikroskoplarla al›nan karbon atomlar›görüntüsü sa¤ üstteki flekilde verili-yor. Türkiye’de ultra yüksek vakumda(10-10 mbar, karfl›laflt›rmak için 1Atm=1000 mbar) çal›flan ilk TTM de1993 y›l›nda bir doktora tezi kapsa-m›nda yine Bilkent Üniversitesi’nde

üretildi. Bu güçlü mikroskoplarla ilk defa

atomlar› yüzeyde tek tek görüntüle-mek, daha sonra atomlar›, molekülleriyüzeyde istedi¤imiz gibi tek tek diz-mek, tek atom üzerinde deneyler yap-mak ve onlarla futbol oynamak bilemümkün oldu! Bu önemli buluflun mu-citleri oldukça k›sa bir süre içinde,1986 y›l›nda Nobel Fizik Ödülü’nü ka-zand›lar.

TTM’lerin tek kusuru, yaln›zca ilet-ken ve yar›iletken yüzeylerde atomlar›görüntüleyebilmesiydi ve yal›tkanlardaçal›flm›yordu. Binnig bu k›s›tlamay›kald›ran de¤iflikli¤i de yapt›¤›nda y›l1986 idi. Binnig bu sefer ucunda tekatom olan i¤neyle yüzey atomlar› ara-s›ndaki kuvveti ölçebilecek kadar du-yarl› bir cihaz olan atomik kuvvet mik-roskobunu (AKM) gelifltirdi. Atomlararas› kuvvetler, kimyasal ba¤lar›n olufl-

mas›n› sa¤lar. E¤er iki atomu birbirineyaklaflt›r›rsak (örne¤in iki oksijen ato-mu) birbirleri aras›nda bir çekim kuv-veti oluflur ve bir süre sonra oksijenmolekülü ortaya ç›kar. Atomlararas›kuvvetler hep çekici de¤ildir. E¤er ay-n› oksijen molekülünü al›p, oksijenatomlar›n› birbirine do¤ru yaklaflt›rma-ya çal›fl›rsak, bu sefer birbirlerini itme-ye bafllayacaklard›r. AKM’de ölçülenkuvvetler pikco-Newton ile nano-New-ton düzeyindedir. Bu kadar küçükkuvvetleri ölçmek için, babadan kalmayöntemler (Hooke kanunu!!!, F= - kx)biraz da günümüze uyarlanarak kulla-n›lmakta!.. Sivri i¤neler çok küçük sili-kon yaylar üzerine mikrofabrikasyonteknolojisiyle yerlefltiriliyor ve i¤neyleyüzey aras›ndaki kuvvet nedeniyle bü-külen yay›n sapmas›, yani kuvvet, ge-nellikle yay›n arkas›na odaklanan la-zer ›fl›¤›n›n sapmas›n›n, bir fotodetek-


Taramal› Uç MAtomlardan Manyetik Gi

TTM çal›flma flemas› TTM ile grafit görüntüsü

Atomlarla futbol

Geri bildirimkontrolü

Veri alg›lama

XY tarama kontrolü

Amp

Örnek

Gerilim fark›

Örnek

Uç


tör sayesinde çok duyarl› bir flekildeölçülmesiyle belirleniyor. Bir geribesle-me devresi yine TTM’deki gibi i¤neyleyüzey aras›ndaki kuvveti sabit tutuyor;i¤ne yüzeyde taran›rken ölçülen i¤nehareketi, bize yüzeyin foto¤raf›n› ato-mik çözünürlü¤e kadar verebiliyor.AKM ile atomik çözünürlük flu andayaln›zca ultra yüksek vakumda eldeedilebilmekte. ‹lkece, atomik çözünür-lük atmosferde ve s›v›da da elde edile-bilir, fakat mikroskoplar›n kuvvet çö-zünürlü¤ü henüz bu ifl için tam olarakyeterli de¤il. AKM’leri s›v›da atomikçözünürlü¤e ulaflt›¤› zaman, biyolojideçok büyük bir yenilik getirebilir; prote-in, DNA vb gibi hayat›n temel yap›tafl-lar›n› atom atom incelemek, sonra dade¤ifltirmek belki bir gün mümkünolabilir.

AKM’nin baflar›s›, baflka mikroskopçeflitlerinin do¤mas›na yol açt›. Manye-tik kuvvetleri ölçen manyetik kuvvetmikroskopu (MKM), sürtünme kuvvet-lerini ölçen sürtünme kuvveti mikros-kopu (SKM), optik mikroskoplar›n çö-zünürlü¤ünü 10 kat art›ran yak›n alanoptik mikroskopu (YAOM), yüzey s›-cakl›k mikroskopu (YSM) ve yüzeyinmanyetik alan haritas›n› ç›karan tara-mal› Hall ayg›t› mikroskobu (THAM)benzer yöntemler kullanarak gelifltiril-diler. Bir uçla yüzey ars›ndaki fizikseletkileflimi ölçtüklerinden, bu mikros-kop ailesine art›k taramal› uç mikros-

koplar› (TUM) deniyor. TUM ailesinin üyelerinden birisi

olan taramal› Hall ayg›t› mikroskopu(THAM), çok küçük bir nano-Hall alg›-lay›c›s› yüzeye yaklaflt›r›l›p yüzeydedolaflt›r›ld›¤›nda yüzeyin manyetikalan haritas›n› manyetik alan› etkile-meden ve manyetik alan fliddetini do¤-rudan ölçerek yapabilmekte. Bu mik-roskopla 50 nm’ye kadar çözünürlükelde edilebiliyor ve çok duyarl› manye-tik alan ölçümleri yap›labilmekte. Y›l-l›k cirosu dünya çap›nda yaklafl›k200milyar dolar olan bilgisayar dona-n›m endüstrisi, kapasite art›r›m› içinmalzemelerin manyetik yap›lar›n› hery›l daha küçük boyutlarda üretmek zo-runda. THAM, endüstrinin bu ihtiyaç-lar›na ve bilim insanlar›na büyük ko-

layl›k sa¤l›yor. Manyetik ak› (manyetik alan x yü-

zey alan›) elektrik yükü gibi tamsay›de¤erleri alabilen (manyetik ak› kuan-tumu, Φ0=20,7Gauss.µm2) bir fizikselniceliktir. Elektrik ak›m›na belli s›cak-l›klar alt›nda direnç göstermeyen süpe-riletkenlere manyetik alan uygulad›¤›-m›zda, manyetik ak› örne¤e tek ak›ku-antumlar› fleklinde girer. Manyetik ak›-n›n süperiletkenlerde tamsay›l› de¤er-ler almas› gerekti¤ini 1950’li y›llardaöngören ve 2003 y›l›nda Nobel FizikÖdülü alan Abrikosov’un ad›yla an›lanbu ak› kuantumuna, manyetik girdapda denir. Çünkü süperiletken içinde,bir ip fleklindeki ak› demeti cevresindedolaflan süperak›mlar oluflur. Birbirle-rini iten bu girdaplar› küçücük birerm›knat›s gibi de düflünebiliriz. Manye-tik rezonans görüntüleme cihazlar›n-da, MAGLEV trenlerde kullan›lan busüperiletkenlerin daha da kuvvetli üre-tilebilmesi, bu girdaplar›n dinami¤ineve ba¤lanmas›na ba¤l›d›r. THAM bugirdaplar› hareket ederken bile gözle-yebilir.

Geçen 24 y›l içinde TUM’lar, büyükbir araflt›rma alan› oluflturup di¤er bi-lim dallar›na önemli katk›larda bulun-dular. Nanoteknolojinin geliflmesindebüyük bir kilometretafl› olan TUM’la-r›n potansiyeli hâlâ tam olarak ortayaç›kmam›fl durumda. Bu alandakiönemli geliflmelerse, bilim ve teknoloji-nin ilerlemesine vazgeçilmez katk›larsa¤layacak.

1987’de Bilkent’te çok küçük büt-çelerle bafllat›lan TTM araflt›rmalar› za-man içinde büyük bir geliflme göstere-rek, AKM ve THAM alanlar›na da yay›l-d›. Gelifltirdi¤imiz teknoloji, Oxford,MIT, Tokyo Teknoloji Enstitüsü, Kyo-to Üniversitesi, Oslo Üniversitesi, LosAlamos Ulusal Laboratuvar› gibi kuru-lufllarda, dünyan›n dört bir yan›nda bi-liminsanlar›nca kullan›lmakta.

Bilkent’teki TUM faaliyetleri hakk›nda daha fazla bilgi için :www.fen.bilkent.edu.tr/~spm

A h m e t O r a lBilkent Universitesi, Fizik Bölümü


ç Mikroskobu: Girdaplara Görüntüleme

a) THAM Prensibi b) nano-Hall sensor c) 2-300 K aras› çal›flan THAM

THAM ‹le al›nm›fl Abrikosov girdaplar›n›n görüntüsü

Örnek

Taramavoltaj› Elektronik

Taramatüpü

STM Ucugerilim fark›

HallVoltaj›

Hall Hallsondas›Kalk›fl

evresi


Maddenin temel özellikleri, yap›tafl›olan atomlar›n kimyasal yap›lar› ve maddeiçinde bu atomlar›n diziliflleriyle belirlenir.Örne¤in bak›r, oda s›cakl›¤›nda kat› ve iyibir iletken, hidrojen ve oksijen molekülle-rinden oluflan suysa s›v› ve fleffaft›r. Gün-delik hayat›m›zda kulland›¤›m›z, karfl›laflt›-¤›m›z nesnelerin boyutlar› atomlar›n boyu-tundan (1 Angstrom = 10–10m) o kadar bü-yüktür ki bir f›nd›k büyüklü¤ündeki mad-dede trilyon kere trilyon civar›nda atombulunur. Dolay›s›yla makroskopik ölçektetek tek atomlar›n de¤il, muazzam say›dakiatomlar›n ortalama, istatistiksel özellikleri-ni gözlemleriz.

Elektriksel iletkenlik de bu özellikler-den biridir. Örnek olarak iyi bir iletkenolan alt›n› ele alal›m. Oda s›cakl›¤›nda al-t›n kat› halde, kristal yap›da bulunur. Alt›n(Au) metalinin kristal yap›s› yüzey merkez-li kübik (fcc) yap›d›r. Yani bir kenar› 4Angstrom olan küplerden oluflan üç boyut-lu bir ›zgara düflünürsek, fcc alt›n kristalibu küplerin her köflesine ve her yüzeyininortas›na birer alt›n atomunun yerlefltiril-mesiyle oluflur. Kusursuz bir kristalde ya-p› tüm yönlerde kendini tekrar eder (yap› periyo-diktir). Tüm metallerde oldu¤u gibi kristalin peri-yodik potansiyeli içinde neredeyse serbestçe dola-flabilen elektronlar›n varl›¤›, alt›n kristalini iyi biriletken yapar. E¤er kristal kusursuz ve çok düflüks›cakl›klardaysa, bulundu¤u ortam› “ezbere bi-len” elektronlar önemli bir direnç görmeden kris-talin içinde dolaflabilirler. Ancak gerçekte hiçbirkristal kusursuz de¤ildir; baz› durumlarda bulun-mas› gereken noktada bir atom eksiktir, ya dafazladan bir atom, bulunmamas› gereken bir yer-de s›k›fl›p kalm›flt›r, ya da baflka bir elementin yo-lunu flafl›rm›fl baz› atomlar›, kristal atomlar›n›naras›na kar›flm›flt›r. Tabii bir de kristaldeki atom-lar›n yerlerinde çak›l› durmay›p, s›cakl›¤›n etkisiy-le sürekli k›p›rdand›klar›n› düflünürsek, tümbunlar›n elektronlar›n “ezberini bozup”,kristal içinde serbestçe dolaflmalar›n› k›s›tla-yan etkenler oldu¤unu görürüz. Bu etkenle-rin istatistiksel ortalama etkisi de elimizdekikristalin elektriksel direncinin ne kadar oldu-¤unu belirleyecektir.

Makroskopik boyutlardaki bir alt›n teliniki ucuna elektriksel gerilim (V) uyguland›-¤›nda belli bir ak›m (I) ölçülür. Telin ölçülendirenci (R=V/I) telin uzunlu¤uyla (L) ve alt›-n›n özdirenciyle (ρ) do¤ru, kesit alan›yla (A)ise ters orant›l›d›r; yani R=ρL/A. Dolay›s›ylatelin direnci geometrik ölçülerinin yan›s›rahangi malzemeden yap›ld›¤›yla da belirlenir.Özdirenci belirleyen etkenlerden baz›lar›,malzemedeki birim hacimdeki serbest elek-tronlar›n say›s› (n), bu elektronlar›n etkinkütleleri (m) ve bu elektronlar›n kristal için-de hangi s›kl›kla çarp›flma yaflad›klar›d›r(yani elektronlar›n hangi s›kl›kla “ezberle-rinin bozuldu¤u”dur): ρ=m/(nl2τ). Buradaelektronun elektrik yükü, ise elektronlar›niki çarp›flma aras›nda geçirdi¤i ortalama

serbest zamand›r. E¤er, τ sürede bir elektronunkristal içinde katedece¤i ortalama yol (l) telinuzunlu¤undan çok daha küçükse, elektronlar›n ta-fl›n›m› difüzyon karakterinde olacakt›r (bkz. fiekil1).

Burada özetlemeye çal›flt›¤›m›z elektriksel di-renç mekanizmas›, kullan›lan telin ölçülerini kü-çültmeye bafllad›¤›m›zda uzunca bir süre de¤iflme-den ayn› kal›r. Uzunlu¤u mikrometre (metreninmilyonda biri) mertebesinde olan alt›n tellerde bi-le elektronlar bir uçtan di¤er uca ulafl›ncaya ka-dar pek çok (yaklafl›k 10) çarp›flma yaflarlar. An-cak kal›nl›klar› nanometre ölçe¤ine (on atomdandaha az), boylar› da 100 nanometrenin alt›na in-di¤inde mikroskopik tellerin elektriksel, mekanik

ve di¤er özellikleri çok farkl›laflmaya bafl-lar. Bu durumda, nanotelin iletkenli¤iuzunlu¤undan ba¤›ms›z olarak yaln›zca ka-l›nl›¤›yla ve evrensel sabit bir de¤erin (ilet-kenlik kuantumu) katlar› halinde belirle-nir. Hat›rlamam›z gereken kural fludur:“Küçük farkl›d›r”. Elektronik ayg›tlar›n öl-çülerini küçültmeye çal›fl›rken, gözard›edilmemesi gereken, ölçü ve boyutluluklailgili etkiler vard›r. E¤er belli s›n›rlar›n al-t›ndaki ölçülere inilirse, elimizdeki siste-min özellikleri makroskopik ölçülerdekin-den çok farkl› olacakt›r. Elektriksel dirençaç›s›ndansa, telin içinden geçen elektron-lar›n herhangi bir çarp›flma yaflamad›¤›,ancak kuantum fiziksel baflka etkilerin çokdaha önem kazand›¤› “balistik” karaktereulafl›lm›fl olur. Mikroelektronikte yaflananh›zl› geliflmeler, entegre devrelerde kulla-n›lan bileflenlerin ölçülerinde inan›lmazküçülmeler sa¤lam›fl ve günümüzde art›k“nanoelektronik” ve “nanoteknoloji” ola-rak nitelendirilen alan›n s›n›r›na gelinmifldurumda. Son 15-20 y›ld›r bilim adamla-r›nca laboratuvarlarda ve simulasyon bilgi-sayarlar›nda yarat›lan nanoyap›lar›n, önü-

müzdeki y›llarda mühendislerin elinde teknoloji-nin yap›tafllar› olacaklar›na kesin gözüyle bak›l›-yor.

Peki, nanometre ölçe¤inde ince teller (nano-teller) nas›l oluflturulabilir? Yap›labilecek en incenanotelin kal›nl›¤› ne olabilir? ‹kinci sorunun ya-n›t›n› hemen vermek mümkün: Maddenin yap›tafl›atomlar oldu¤una göre, düflünülebilecek en incenanotel teks›ra atomlar›n dizilimiyle oluflturulabi-lir! Tam anlam›yla bir boyutlu bir sistem olan bu‘atom zinciri’ biçimindeki nanotelleri, son y›llardalaboratuvar ortam›nda da oluflturup özelliklerinideneysel olarak ölçmek mümkün oldu ve bu yap›-lar ‘kuramsal bir kurgu’ olmaktan ç›kt›. TokyoTeknoloji Enstitüsü’nden Prof. Kunio Takayanagi

ve ekibi 90’l› y›llar›n sonlar›nda alt›n nano-teller ve as›l› atom zincirleri oluflturup ilet-kenliklerini ölçerek bu alanda bir ç›¤›r açt›-lar. Bu amaçla, içinde taramal› tünellememikroskobu (STM) bulunan bir “çok yüksekvakumda – geçirmeli elektron mikroskobu(UHV–TEM)” gelifltirilerek, fiekil 2’de görü-len, iki elektrot aras›nda as›l› çok ince alt›ntelleri ürettiler. Taramal› tünelleme mikros-kobunun çal›flma ilkesi, çok ince uçlu biri¤nenin, görüntülenmek istenen örne¤inyüzeyine kontrollü bir flekilde yaklaflt›r›l›p,i¤ne yüzey üzerinde gezdirilirken, i¤neyleyüzey aras›ndaki mesafenin çok güçlü birfonksiyonu olan tünelleme ak›m›n›n ölçül-mesi ve böylece yüzey topolojisinin atomikçözünürlükte görüntülenmesine dayan›r.‹letkenli¤ini (ya da direncini) ölçmek üzere,nanoteller oluflturmak için alt›ndan yap›lmaSTM i¤nesinin ucu yine alt›n bir yüzeye ka-s›tl› olarak bat›r›l›p, sonras›nda yavaflça ge-ri çekilmifltir. ‹¤nenin yüzeye batmas›ylaoluflan ba¤lant› bölgesi, i¤ne geri çekilmeyebafllad›¤›nda, t›pk› çi¤nenmifl bir sak›z gibi


Nanotellerde Elekt

fiekil 1: Bir boyutlu tellerde elektron tafl›n›m›. (a) Difüzyon: Telinuzunlu¤u (L) elektronlar›n ortalama serbest mesafesinden (l), ve telin

kal›nl›¤› (W) da elektronlar›n Fermi dalga uzunlu¤undan (λF) daha bü-

yük ise. (b) Balistik: L ile l , λF W ile ayn› mertebede ise.

fiekil 2: Alt›n nanotellerin ‘geçirmeli elektron mikroskobu’ (TEM) gö-rüntüleri. Siyah üçgenlerle gösterilen her bir hat STM ucu ve örnek

yüzeyi aras›nda as›l› kalm›fl bir alt›n atom zincirini göstermekte.


uzay›p incelerek i¤ne ve yüzey aras›ndaas›l› teller oluflturmufltur. Çektikçe ince-len bu nanoteller, kopmadan hemen öncetek bir atom zinciri yap›s›n› da almakta-d›r.

TEM ile incelme aflamalar› görüntüle-nen bu nanotellerin ölçülen iletkenlikleri(G=1/R) fiekil 3’te gösteriliyor. fiekildegörüldü¤ü gibi, “balistik iletkenlik” özel-li¤i tafl›yan bu çok k›sa ve çok ince nano-tellerin iletkenli¤i basamakl› flekilde vefiekil 2’deki yap›sal de¤iflimlerle uyumluolarak de¤iflmekte. Ayr›ca her bir iletken-lik basama¤› (2e2/h)’nin katlar›ndan olufl-makta. 300’den fazla kez tekrarlanan de-neyler sonucunda aç›kça görüldü ki, alt›natomlar›n›n tek s›ral› bir zincir oluflturdu-¤u durumda (h, Planck sabiti olmak üze-re), iletkenli¤i G0=2e2/h=(12,9 kΩ)-1’dir.Bu de¤er, kuramsal olarak balistik ilet-kenlik probleminin kuantum mekanikselanaliziyle hesaplanabilmekte. ‹ki elektrotaras›nda çok dar bir ba¤lant› bölgesi (nanotel)varsa, bu yap›n›n balistik iletkenli¤i, elektronlar›nbu bölgeden kaç de¤iflik enerji “kanal”›ndan ge-çebilece¤iyle orant›l›d›r. Her bir kanal›n iletkenli-¤e katk›s› G0 oldu¤undan, yap›n›n toplam iletken-li¤i ’›n tam katlar› fleklinde olur ve G0’a “iletken-lik kuantumu” ad›n› al›r. “‹letkenlik kanallar›”n›nsay›s› nanotelin kal›nl›¤›yla orant›l› oldu¤undan,alt›n nanoteller inceldikçe iletkenlikleri kesikli(basamakl›) de¤iflimler gösterir. fiekil 2’deki gö-rüntüleri yorumlarken unutulmamas› gerekennokta, oluflan nanotellerin resimlerde yaln›zcayan yüzlerinin görüntülenebildi¤idir. fiekil 3’tekiiletkenlik de¤erlerinden de anlafl›laca¤› üzere (s›-ras›yla 25G0 ve 16G0), (a) ve (b) nanotellerindeyanyana 25 ve 16 adet teks›ral› atom zinciri var-d›r. Elbette iletkenli¤in kuantumlaflmas› yaln›zcaalt›n nanotellere özgü de¤il, küçük ölçeklerde so-nuçlar›n› çok daha aç›kça ortaya koyan kuantumfizi¤inin bir gerektirmesidir.

Alt›ndan NanotüpNanotüp deyince hepimizin akl›na hemen kar-

bon nanotüpler geliyor. Ancak, çok ince alt›n na-notellerle yap›lan çal›flmalarda, yine Prof. Takaya-nagi ve ekibi taraf›ndan tüp fleklinde (ortas› bofl)alt›n tellerin olufltu¤u görüntülendi. Alt›n nanotel-lerinde atomlar›n yap›sal dizilimini daha iyi tespitedebilmek için önceki düzenekten farkl› olarak,vakumlanm›fl bir ortamda çok ince bir alt›n taba-kas›n› yüksek enerjili elektronlarla bombard›manederek film üzerinde delikler oluflturdular. Oluflandeliklerin çap› zaman içinde büyürken, komflu ikidelik birleflmeden hemen önce aralar›nda çok in-ce bir ba¤lant› kal›yordu. Bofllukta as›l› duran buköprünün atomik yap›s› çok hassas TEM görüntü-leriyle incelendi¤inde, bir aflamada, alt›n nanote-lin, sanki befl adet atom zinciri bir eksen etraf›naburgulu olarak sar›lm›flcas›na bir tüp yap›s› ka-zand›¤› görüldü (bkz. fiekil 4, sol taraf). Nanoteliinceltmeye devam edildi¤inde kopmadan hemen

önce, yine bir teks›ra atom zinciri (11 alt›natomu bulunan) olufltu¤u tespit edildi. Al-t›n gibi bir elementin tüp formunda bir ya-p› oluflturmas› oldukça flafl›rt›c›yd›. Bu tüp-lerin burgulu yap›s›n›n nedeni, bu yap›n›ntüplerin mekanik ve elektronik özellikleri-ne etkisi, ve örne¤in bu tellerden geçecekak›m›n dönerek geçip geçmeyece¤i, dolay›-s›yla da nanoölçekte bir indüktör gibi dav-ran›p davranmayaca¤› gibi ilginç sorularyan›t bekliyordu.

Bilkent Üniversitesi Fizik Bölümü’ndeyapt›¤›m›z bir çal›flmayla bu sorulara yan›tbulmaya çal›flt›k. Atomik ve moleküler sis-temlerin modellenmesinde baflar›yla kulla-n›lagelen “yo¤unluk fonksiyoneli kura-m›”n› uygulayarak tüp fleklindeki alt›n tel-lerin özelliklerini hesaplad›k. Alt›n tüpündeneyde gözlenen yap›s›n›n rastlant›sal ol-mad›¤›n›, bu yap›n›n alt›n atomlar›n›nkomfluluk iliflkisini en üst düzeyde tutar-ken, ayn› zamanda iki ucundan as›l› olanbu nanotüp üzerindeki mekanik gerilimi

de en aza indirgedi¤ini gösterdik. Ayn› koflullar›sa¤layan baflka bir tüp yap›s›n›n da (daha ince veburgu boyu farkl›) deneysel olarak gözlenebilece-¤ini öngördük.

Gözlenen alt›n nanotüpün elektriksel iletkenli-¤ini hesaplad›¤›m›zda, ideal koflullarda oldu¤unu,dolay›s›yla kuantum mekaniksel olarak elektron-lar›n bu tüp üzerinden geçifllerine izin veren 5adet “kanal” bulundu¤unu gördük. Bu nanotüpüzerinden geçecek ak›m›n ne kadar burgulu ola-rak akaca¤›n› görmek üzere iletkenli¤e katk›dabulunan “kanal”lara ait elektron yük da¤›l›mlar›-n› inceledi¤imizde (bkz. fiekil 4, sa¤ taraf), kanal-lar›n, burgu uzunlu¤u ve yönü farkl›, üç de¤iflikyap›ya sahip oldu¤u görülmekte. Dolay›s›yla tümkanallar›n toplam katk›s›yla geçecek ak›m, bek-lendi¤i kadar burgulu olmayacak.

Nanoölçekli yap›lar içinde nanoteller önemlibir s›n›f oluflturur. Nanotellerde yaln›zca elektrik-sel iletkenlik de¤il, ›s› iletimi de kuantumlafl›r.Elektronik devrelerin ölçüleri günden güne küçül-dü¤ünden, çok da uzak olmayan bir gelecekte,teknoloji kuantum fizi¤inin s›n›rlar›na dayanacak.O aflamada, elektron, ›s› ve entropi tafl›n›m›ndakuantum etkileri gösteren nanoteller, önemli veyararl› roller oynayacak.

Ünlü fizikçi Richard Feynman’›n, daha 1959y›l›nda yapt›¤›, ve günümüzde h›zla geliflmekteolan nonoteknolojinin müjdecisi say›lan konuflma-s›nda öngördü¤ü gibi, bu yaz›da k›saca bahsede-bildi¤imiz nanotellerin iletkenlik özellikleri degösteriyor ki, küçük ölçeklere do¤ru al›nacakuzun yolda bizi hofl, flafl›rt›c› ve yararl› bulgularbekliyor.

T u ¤ r u l S e n g e rBilkent Üniversitesi, Fizik Bölümü

Kaynaklar:Takayanagi K., Y. Kondo, H. Ohnishi, 2001, “Suspended gold nano-

wires: Ballistic transport of electrons”, JSAP International 3, 3-8.

Oshima Y., A. Onga, K. Takayanagi, 2003, “Helical Gold NanotubeSynthesized at 150 K”, Physical Review Letters 91, 205503.

3. Senger R. T., S. Da¤, S. Ç›rac›, 2004, “Chiral Single-Wall GoldNanotubes”, Physical Review Letters 93, 196807.


ktriksel ‹letkenlik

fiekil 3: STM ucu örnek yüzeyine bat›r›l›p geri çekilirken oluflan nano-tellerin ölçülen elektriksel iletkenlikleri. fiekil 1’deki oluflan nanotellere

karfl›l›k gelen noktalar harflerle iflaretlenmifltir.

fiekil 4: Solda: Tüp yap›s›nda burgulu alt›n nanotellerin TEM görüntüsü ve bu görüntüden ç›karsanan atomdizilimi. Sa¤da: Bu nanotüpün iletkenli¤i 5G0 olarak hesaplanm›flt›r. ‹letkenli¤e katk›da bulunan her bir ka-

nala ait elektron yük da¤›l›m›, de¤iflik burgusal yap›lara sahiptir.


Maddenin en küçük yap›-tafl›n›n atom olarak adland›-r›lmas›n›n üstünden bin y›l-dan fazla zaman geçmifl ol-mas›na karfl›n, küçük boyut-lu yap›lar›n önemine ilk vur-guyu 1959 y›l›nda Kaliforni-ya Teknoloji Enstitüsü’ndeRichard Feynmann yapm›flt›.Britannica Ansiklopedisi’nibir toplu i¤neninin bafl›na ya-zabilece¤imizi düflünenFeynman, bilginin çok küçükboyutlarda saklanmas›ndabir kenar›nda 5 atom olan125 atomluk bir küpten olu-flan bir metal kümesinin birbit olarak görev yapabilece¤i-ni söylemiflti. Feynman’›n ön-görüsünün üstünden y›llargeçti. Ancak son y›llarda, tek-nolojinin geliflmesine paralelolarak, Feynman’›n öngör-dükleri gerçekleflmeye bafllad›.

Yo¤un madde fizi¤inde, ideal kris-tal, belirli simetrilere sahip, üç boyut-ta da sonsuz uzunlukta bir örgü veörgü noktalar›ndaki atom veya mole-küllerden oluflur. Örne¤in, mikro-elektroni¤in temel malzemesi olan si-lisyum kristali, yüzey merkezli kübikyap›da milyarlarca birim hücreninpeflpefle tekrar›ndan meydana gelir.Kristallerin üç boyutta gösterdi¤i il-ginç elektrik, optik ve magnetik özel-likler, bu üç boyutun s›n›rlanmas›ylatamamen farkl› özellikler gösterebilir.Kristal büyüklü¤ünün nanometrik bo-yutlara indirilmesiyle hareketleri k›-s›tlanan serbest elektronlar nedeniyleonlarca atomdan oluflan nanokristal-ler, kuantum mekani¤inin beklentile-rine uygun olarak kocaman bir atomgibi davranabilirler. T›pk› tek bir ato-mun elektron enerji düzeyleri gibienerji düzeyleri sergileyen nanokris-talleri, kuantum noktalar› olarak daadland›rmak olas›.

Çok çeflitli malzemelerden nanok-ristaller elde etmek mümkün. Metalnanokristallere belki de en ilginç ör-nek, alt›n nanokristaller. Kimyasalyöntemlerle elde edilen ve çaplar› 1nm ile 70 nm aras›nda de¤iflen alt›n

nanokristallerin renkleri de büyük-lüklerine ba¤l› olarak mordan k›rm›z›-ya kadar de¤iflir. Alt›n›n k›rm›z› rengi-ni kristalin büyüklü¤üne yorumlayanilk insan Faraday olmakla birlikte, buözellikler kullan›larak farkl› renkler-de cam yap›m›n›n çok eski ça¤laragitti¤i biliniyor. Parçac›klar›n boyut-lar›n› daha iyi anlamak için, bu parça-c›klar›n 100.000 tanesinin yanyanagelmesi halinde bir insan saç› kal›nl›-¤›nda olaca¤›n› söylemek yerindeolur.

Yar›iletken nanokristaller de uzuny›llard›r camlara renk vermekte kul-lan›lmaktayd›. Bu tip yar›iletken na-nokristaller aras›nda CdSe, CdS en bi-

linenleri; öyle ki bunlar art›kfliflelerde sat›lmakta. Mordankoyu k›rm›z›ya kadar gökku-fla¤›n›n bütün renklerinde ›fl›-yan bu nanokristaller çokfarkl› uygulamalarda kullan›l-maktalar. Bu tip nanokristal-lerin yüzeyi gerek kimyasal-lar, gerek biyolojik, gereksebaflka yar›iletken veya yal›t-kan malzemelerle kaplanabili-yor. DNA’dan nanotüplerekadar birçok malzemeye ek-lenen nanokristaller, moröte-si ›fl›k alt›nda ›fl›yarak ba¤lan-d›klar› malzemelerin görün-tülenmesinde önemli rollerüstlenebiliyorlar.

Örne¤in, bir nanokristalehücrenin belirli bir proteinineba¤lanacak moleküller eklen-di¤inde, bu parçac›klar hücreiçinde farkl› bölgelere ba¤lan›-

yor ve hücre içi iflleyifl hakk›nda ay-r›nt›l› bilgi verebiliyorlar. Hücreninboyutlar›yla k›yasland›¤›nda, bir na-noparçac›k, araba içerisinde kaybol-mufl bir kar›nca gibidir. Dolay›s›ylabu fosforlu parçac›klar hücre içinderahatça dolaflabiliyorlar.

Nanoparçac›klara bu flekilde de¤i-flik moleküler gruplar›n ba¤lanabil-mesi, oldukça fazla t›bbi uygulamadakullan›lmalar›na izin verir. Örne¤in,yak›n zamanda yap›lan çal›flmalarda,nanoparçac›klar› nanoboyutlu TruvaAt› olarak kullanarak, kanserli hücre-leri içten çökertmenin mümkün oldu-¤u gösterildi. Bir nanoparçac›¤›n bir


Nanokristalden G

CdSe (kadmiyum-selenyum) nanoparçac›klar, morötesi ›fl›kla ayd›nlat›ld›¤›n-da, boyutlar›na ba¤l› olarak farkl› renklerde ›fl›ma yaparlar.

Çekirdek yüzey kaplamas›

Çekirdek kuantum noktac›¤›

Nanoparçac›klar›n d›fl›n›n kaplanmas›, onlar› hücre için daha az zararl› hale getirir. Nanoparçac›klar, d›fl yü-zeylerine eklenen proteinler yard›m› ile, de¤iflik proteinlere ba¤lanarak hücre içi ifllevsel görüntülemede kul-

lan›l›rlar.


taraf›na tümör hücrelerininçok tüketti¤i bilinen folikasit (folate) gruplar›, di¤ertaraf›na da kemoterapidekullan›lan bir zehir molekü-lü ba¤land›. Tümör hücrele-ri büyük bir ifltahla folik asi-ti emerken, beraberinde ze-hir moleküllerini de içeri al-d›lar ve bu yolla, sa¤l›kl›hücrelere çok daha az zararvererek, yaln›zca kanserintedavi edilmesi yolundaad›mlar at›ld›.

Cep telefonundan en sonbilgisayar ifllemcisine kadar günlükhayat›m›z›n bir parças› olan mikro-elektronik devre elemanlar› ve tümle-flik devrelerin temel tafl›, silisyumkristalidir. Son y›llarda gelifltirilençok saf ve mükemmel silisyum kristal-lerle çok h›zl› elektronik devrelerinyap›lmas› mümkün olsa da, dolayl›elektronik enerji düzeyi nedeniyle si-lisyum çok zay›f ›fl›r. Bu nedenle tüm-leflik devrelerde verimli silisyum ›fl›kkaynaklar› yap›lamamakta ve ayn›yonga üzerinde hem elektronik hemde optik ifllevler biraraya getirileme-mekte. Uzun y›llard›r silisyumun ve-rimli ›fl›mas› ve ›fl›yan dalgaboyununseçilebilmesi için yap›lan çal›flmalar,ancak silisyumun nanokristallefltiril-mesi ile mümkün oldu. Öte yandan,artan mikroifllemci h›z›na paralelolarak neredeyse her 18 aydabir kere mikroifllemci kapasitele-rinin ikiye katlanmas›yla (Mooreyasas›) devre eleman› boyutlar›nanometrik boyutlara indi ve na-nokristallerin bilgi saklama özel-likleri ön plana ç›kmaya bafllad›.

Silisyum, germanyum gibi ya-r›iletken nanokristallerin eldeedilmesinde çok çeflitli yöntem-ler kullan›l›yor. Bunlardan baz›-lar› h›zland›r›lm›fl silisyum veyagermanyum iyonlar›n›n bir alttafl(genellikle silisyum yonga) üze-rindeki oksit tabakalar›na ekil-mesi ve daha sonra örneklerintavlanmas›n› içeriyor. Tavlamasonras› amorf oksit matris içindeçaplar› 1-20 nm büyüklü¤ünde

nanokristallerin olufltu¤unu yüksekçözünürlüklü elektron mikroskoplar›ile tespit etmek mümkündür. Benzerflekilde, üzerinde silisyum yonga par-çalar› bulunan bir oksit tabakas›n›nh›zl› iyonlarla dövülmesi ve alttaflüzerinde büyüyen silisyum-zengin ok-sit tabakalar›n›n tavlanmas›yla da si-lisyum nanokristaller elde edilebilir.Bilkent Ünivestesi ‹leri Araflt›rma La-boratuvar›’nda yürütmekte oldu¤u-muz Avrupa Birli¤i projesi SEMINA-NO çerçevesinde silisyum, german-yum ve silisyumgermanyum alafl›mnanokristallerini, silisyum ve kuvartzgibi alttafllar üzerinde plazmayla h›z-land›r›lm›fl gaz faz›ndan büyütüyoruz.Bu yöntemle elde edilen nanokristal-

lerin elektron mikroskopisin-de elde edilen görüntüsü,afla¤›daki flekilde verilmifltir.Bu kesit resminde Ge na-nokristaller oksit matris için-de küreler fleklinde görülü-yor. Oluflan bu nano kristal-ler elektron mikroskopisineek olarak optik ve elektrik-sel yöntemlerle de karakteri-ze edilebiliyor. Düflük s›cak-l›kta oluflan nanokristallerile, cam gibi ucuz ve basitmalzemeler üzerine ucuz

flafl haf›za üretilmesi mümkünolabilecek.

Nanoboyutta de¤iflen bir baflkaözellik de, kobalt ve demir gibi baz›maddelerin manyetik özellikleri. Bir-kaç nanometre boyutlar›ndaki bu na-noparçac›klar, büyük parçac›klara gö-re, çok daha güçlü manyetik özellik-ler gösterebilmekteler. Bu da sabitdisk teknolojisi, yüksek frekanslardayans›tmayan radar emici kaplamalargibi alanlarda uygulama bulabilecek.Bunun yan›nda, nano boyutlardakimanyetik parçac›klara, nano-TruvaAt› yönteminde oldu¤u gibi tümörhücrelerinin sevdi¤i moleküller ba¤la-narak, bunlar›n tümör hücrelerinin iz-lenmesinde ve düflük frekansl› manye-tik alanlarla içeriden da¤lanmas›ndakullan›lmas› mümkün; ki bu da kan-

ser tedavisinde ümit verici so-nuçlar do¤urabilir.

Ancak, henüz yan etkileritam olarak bilinmemedi¤i için,bu parçac›klar›n, afl›r› dozdakullan›m›yla vücütta birikmeyapmalar› ve beyin gibi baz›hassas bölgelerde ifllevsel bo-zukluklara yol açmalar› olas›l›-¤› üzerinde durulmaktad›r.Ama ümidimiz, uygun tasar›m-larla, parçac›klar›n vücütta eri-mesi veya d›flar› at›lmas›yla,bu tür olas› yan etkilerin orta-dan kalkmas›. Nanokristal kü-reler, bize çok genifl ufkuolan bir gelecek vaadediyorlar.

A t i l l a A y d › n l ›A y k u t l u D a n a


n Gelece¤e Bakmak

Nanoboyutlu Truva At›

Silisyum oksit (cam) içerisinde germanyum nanokristallerin s›cakl›¤a ba¤l› oluflumu.

a

660 770 850

b c


Documents

Türkiye'de nanoteknoloji Türkiye'de nanoteknoloji