Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Fizik Bölümü

Transkript

1 Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Fizik Bölümü 2009

2 İÇİNDEKİLER 1. ÖNSÖZ 1 2. ARAŞTIRMA ALANLARI HESAPLAMALI MALZEME FİZİĞİ MANYETİZMA ARAŞTIRMA GRUBU NANOMANYETİZMA SPİNTRONİK MANYETOELEKTRİK NQR ve NMR NANOBİOTEKNOLOJİ OPTOELEKTRONİK HOLOGRAFİ ORGANİK ELEKTRONİK NANOSENSÖRLER ve NANOAYGITLAR YÜZEY BİLİMİ ve NANOTEKNOLOJİ ARAŞTIRMA PROJELERİ EĞİTİM MEZUNLARIMIZ BİLİMSEL TOPLANTILAR BASILMIŞ KİTAPLAR ULUSLARARASI İŞBİRLİĞİ YAYINLAR 85

3 1. ÖNSÖZ Bilindiği gibi Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü (GYTE) 1992 yılında çıkan bir kanunla kurulmuştur. Kuruluş kanunları tümüyle Yüksek Öğretim Kanunu (YÖK) çerçevesindeki diğer üniversite kuruluş kanunları ile neredeyse aynı içerikte olsa bile, GYTE nin kurulmasında yüksek öğretim ve eğitimin yanında, bilimsel ve özellikle de teknolojik konularda temel araştırmalar yapması ve ülkemizin bu alanda gelişmiş ülkelerle rekabet edebilmesi niyeti ön planda tutulmuştur. Kuruluşundan beri hizmet vermekte olduğum GYTE Fizik Bölümü şimdiye kadar akademik araştırma ve bilimsel yayınlar açısından ülkemizdeki diğer araştırma kuruluşları arasında hep ön sıralarda yeralmış ve almaya devam etmektedir. Fizik Bölümü nün bu başarıyı yakalayabilmesi takip edilen doğru bilim ve araştırma politikaları ve buna paralel olarak titizlikle seçilen ve çok iyi eğitim almış olan çalışkan öğretim üyesi ve araştırma görevlilerimiz sayesinde olmuştur. GYTE öğretim ve araştırma kadrosunu geliştirmek için, başlangıçta çok az sayıdaki lisans mezunu öğrenciler değişik bölümler adına yurt dışındaki gelişmiş araştırma kurumlarında doktora yapmak üzere YÖK burslusu olarak gönderilmişlerdir. Kuruluşunu takip eden birkaç yıl içerisinde akademik kadrosunu güçlendirmeye başlayan Fizik Bölümü de 1995 yılında Yüksek Lisans, 1997 yılında da doktora programı açarak eğitim ve araştırma faaliyetlerine başlamıştır. Kuruluş dönemi ülkemizin geçirmekte olduğu ağır ekonomik kriz dönemine rastlaması dolayısıyla devlet desteğinin sınırlı kalmasına rağmen, GYTE Fizik Bölümü eğitim ve araştırma faaliyetlerinde kısa sürede büyük başarı kaydetmiş ve ülkemizdeki gelişmiş yüksek öğretim kurumları arasında daha baştan beri ön sıralara yerleşmiş ve bu yerini hep koruyarak başarısının bir rastlantı olmadığını da kanıtlamıştır. GYTE Fizik Bölümü bu kaliteyi artırmak için akademik kadro seçiminde çok titiz davranmış ve çok iyi araştırma tecrübesi olan araştırıcılarla kadrosunu günden güne geliştirmiştir. GYTE kadrosunu güçlendirmek için bir yandan değişik programlarla yurt dışında doktora yapmış değerli araştırıcıları kadrosuna katarken diğer yandan da kendi öğrencilerinden doktorasını bitirenleri kısmen kadrosuna almıştır. Bu arada yabancı öğretim üyesi statüsüyle 4 değerli bilim adamını kadrosuna dahil etmiş ve bunların başarılı bir grafik çizmeleri nedeniyle 1

4 sözleşmelerini her yıl yenileyerek GYTE nin akademik faaliyetlerinin kalitesinin yüksek tutulması sağlanmıştır. GYTE Fizik Bölümü öğretim üyesi kadrosunun kalitesinin basit 55 KASIM bir göstergesi olarak öğretim üyesi başına yıllık ortalama yayın sayısının sürekli olarak artış göstererek, son yıllarda 3 ü geçtiğini zikretmek yerinde olur. Ülkemizde 5 yayın açısından en önde olan YILLAR üniversiteler için bile üniversitedeki tüm öğretim üyeleri üzerinden 2009 YILI ÖĞRETİM ÜYESİ BAŞINA DÜŞEN YAYIN SAYISI: 3.25 hesaplanan bu ortalama sayının ancak 1 civarında kaldığı gerçeği gözönüne alındığında Fizik Bölümü nün bu başarısının ne denli çarpıcı olduğu açıkça görülür. Diğer yandan GYTE de doktora yapan öğrencilerin doktora sırasında yaptıkları uslulararası yayınlar da göz doldurmaktadır. Zaten GYTE Fizik Bölümü nde uluslararası yayın olmadan doktora derecesi verilmemektedir. Bu uygulama öğrencileri motive den diğer bir faktördür. Bu öğrenciler arasından özellikle yüksek teknoloji ile ilgili konularda laboratuvarlar kurarak ülkemiz sanayisine hizmet verenler bile çıkmıştır. Fizik Bölümü nün bu başarısında öğretim üyeleri için sağlanan huzur ortamının ve bu ortamdan doğan sinerji ve yüksek motivasyonun en önemli etkenlerden olduğunu belirtmekte yarar vardır. Seçilen elemanlar için akademik başarının tek belirleyici kriter olarak bilinmesi elemanlarımız arasında pozitif bir rekabet ve itici güç etkisi oluşturmuştur. Ayrıca, araştırma görevlisi ve lisansüstü öğrenci seçiminde LES, ALES ve ÜDS gibi ÖSYM tarafından yapılan merkezi sınav sonuçları başat ve objektif kriterler olarak değerlendirilmiş ve adayları tereddüde sevk edecek sübjektif değerlendirme şüphesinin önüne geçilmiştir. Bölümümüzün akademik başarısı uluslararası bilimsel ilişkilerine de yansımış ve bilimsel işbirliklerinin çok ileri noktalara ulaşmasını sağlamıştır. Bu işbirlikleri 2001 yılından başlayarak her iki yılda bir olmak üzere şimdiye kadar 5 kez düzenlediğimiz uluslararası bilimsel toplantılar ile daha da gelişmiştir. Uluslararası bilim camiasında giderek tanınarak marka haline gelen bu toplantılara dünyanın çok gelişmiş araştırma YAYIN SAYISI 2

5 kurumlarından alanında ön sıralarda olan kişiler katılmışlardır. Bunlar arasında Nanomanyetizma ve Spintronik konusunda 2007 yılında Nobel Fizik Ödülü alan Prof. Peter Grünberg ve Prof. Albert Fert in de olduğunu vurgulamak yerinde olur. ICNM-2005 konferansımızdan bir görüntü. Ön sırada kırmızı tişörtlü olan 2007 yılı Nobel Fizik Ödülü sahibi Prof. Albert Fert tir. Bu tür faaliyetler bölümümüz akademik personeli ve lisansüstü öğrencilerini daha da motive etmiştir. Bu toplantılara katılan bilim adamları ile yakından görüşüp bilimsel tartışmalara katılan bu öğrencilerimizden birçoğu tanıştıkları bilim adamları aracılığı ile yurt dışındaki değişik araştırma kurumlarına çoğu kez burslarını da alıp giderek bu merkezlerde uluslararası araştırma tecrübesi edinmişlerdir. Bu öğrencilerimizin önemli bir kısmı kazandıkları uluslararası araştırma tecrübleriyle ülkemize geri dönmüşler, yine önemli bir kısmı da bu kurumlarda araştırmalarına Postdoc veya öğretim üyesi olarak devam etmektedirler. GYTE Fizik Bölümü öğretim üyelerinin araştırma projelerinde gösterdikleri başarılar da çok dikkat çekicidir. Örneğin bölümümüzdeki her öğretim üyemizin bir veya daha fazla TÜBİTAK projesinde görev aldığını ve bu projeleri başarı ile tamamladıklarını vurgulamak gerekir. Diğer yandan Sanayi Bakanlığı Projeleri yönüyle de bölümümüz kendini göstermektedir. Özellikle savunma ile ilgili olarak değişik algılayıcılar (zehirli gaz ve patlayıcı kimyasal madde algılayıcıları) ve mikrodalga soğurucu madde geliştirme konusunda yürütülen San-Tez projeleri bölümümüzün sanayi-üniversite işbirliğine katkısının başarılı örneklerinden bazılarıdır. 3

6 Diğer yandan yurt dışında yetişen doktoralı genç araştırıcmacılar için bölümümüz giderek bir cazibe merkezi haline gelmektedir. Böylece bölümümüzün çok iyi yetişmiş beyinlerin ülkemize geri dönüşüne de çok büyük hizmeti olmaktadır. Tersine beyin göçüyle bölümümüze kazandırdığımız Dr. Savaş Berber ve Dr. Numan Akdoğan için doktora hocalarının yazdıkları mektuplar bu konuda ne denli titiz eleman seçtiğimizi göstermektedir. Örneğin Dr. Savaş Berber in hocası eğer Savaş Berber gruplarından ayrılırsa devam etmekte oldukları araştırma projelerinin çok büyük darbe alacağını yazarak kendisi için izin isterken, Dr. Numan Akdoğan ın hocası Numan Akdoğan ın yazdığı bir makalenin çok önemli ve ciddi bir dergide yayınlanmak üzere kabul edilmesindeki sürate şaşkınlığını gizleyemeyerek Ben hayatımda bu kadar hızlı ve hatta hiçbir yazım düzeltmesine bile gerek duyulmadan bir makalenin kabul edildiğine şahit olmadım diye görüş belirtmiştir. Ayrıca Dr. Numan Akdoğan ı Almanya nın BESSY gibi çok gelişmiş araştırma laboratuarlarında yapılan en iyi doktora tezi ödülüne aday göstermek için bölümümüzden görüş isteyen bir mesajını göndermiştir. Fizik Bölümü nün araştırmalarındaki başarıda seçtiği değerli akademisyenlerin yanında, baştan beri kaliteli araştırma laboratuvarı kurmada planlı ve titiz davranmasının rolü de büyüktür. Gelişen teknoloji yakından takip edilerek dünyada araştırmaların hangi yöne kayacağı yakından takip edilmiş ve laboratuvarlar modern cihazlarla donatılmaya çalışılmıştır. Manyetik rezonans, nükleer kuadrupol rezonans, dc manyetik özellik ölçümü, elektriksel transport ölçümleri ve microdalga ölçümleri Manyetik ölçümler için eksi 270 derece sıcaklığına yapabilen cihazlar ile değişik lazer kadar inebilen ve 9 Tesla manyetik alan üretebilen cihazları, yüksek vakumda ince film PPMS cihazımız. hazırlama cihazları Fizik Bölümü nün laboratuar altyapısının başlıcalarıdır. Bu araştırma altyapısı ile dünyadaki ve ülkemizdeki değişik araştırma grupları ile işbirlikleri geliştirilmekte ve sanayi kuruluşlarımızın ihtiyaçlarına da cevap verilmektedir. 4

7 Fiziksel araştırma altyapısının daha ileri düzeylere taşınması için 2009 yılında ulusal araştırma merkezi kurmak üzere hazırlanan bir projemiz DPT tarafından kabul edilmiştir. Böyle bir merkez kurulma fikri yukarıda bahsi geçen nanomanyetizma konusunda düzenlediğimiz uluslararası toplantılara katılan bilim adamları ile yapılan uzun tartışmalar sırasında ortaya çıkmıştır. Aralarında 2007 yılı Nobel Fizik Ödülü sahibi Prof. Albert Fert in de bulunduğu birçok yabancı bilim adamı böyle bir merkez kurulması halinde bu merkezle bilimsel işbirliği yapmak istediklerini belirten destek mektupları göndermişlerdir. Böylece ilk aşamada beş yıllık bir süre ile desteklenecek bu proje ile Nanomanyetizma ve Spintronik Araştırma Merkezi (NASAM) kurulacaktır. Kurmayı hedeflediğimiz NASAM ın başarısı için uzun süreden beri titiz bir çalışma yürütmekteyiz. Nanomanyetizma ve Spintronik Araştırma Merkezi (NASAM) projemizin DPT tarafından yatırım programına alınmasının anısına, 2007 yılı Nobel Fizik Ödülü sahibi Prof. Peter Grünberg Kasım 2008 de Türkiye ye davet edilmiş ve kendisine GYTE tarafından Fahri Doktora ünvanı verilmiştir. Bölümümüzün uluslararası işbirliklerine örnek olarak Almanya daki Julich Araştırma Merkezi ile Helmhotz Birliği ve TÜBİTAK protokolü çerçevesinde yapılan yeni başladığımız ortak proje, Rusya da Kazan Devlet Üniversitesi ile uzun yıllardır devam eden işbirliği, Kanada ve ABD deki birçok grupla olan işbirliklerimizi zikretmek gerekir. Yine güvenlikle ilgili olarak ve Rusya ile ortak yürüttüğümüz bir projemiz de NATO tarafından desteklenmiş ve bu projenin başarısı üzerine ikinci bir proje yazmamız NATO tarafından istenmiştir. Bunun üzerine bölümümüzden iki öğretim üyesi Brüksel e çağrılarak proje yüz yüze tartışılmıştır. Projenin Rus tarafındaki laboratuvar değerlendirmesinden sonra bu projemiz de yürürlüğe girecektir. 5

8 Bölümümüzün uluslararası işbirliklerine diğer bir örnek de Avrupa ülkeleri ile ERASMUS programı çerçevesinde lisans ve lisansüstü düzeyde öğrenci, eğitimci ve araştırıcı değişimidir. Bu çerçevede Fizik Bölümü ile Avrupa daki değişik 7 üniversite arasında anlaşma yapılarak eleman değişimi sağlanmaktadır. Böylece öğrencilerimiz en az bir dönem yabancı bir üniversitede öğretim görerek bilimsel tecrübelerini artırma imkânı bulurken bilimsel etkileşime katkı yapmışlardır. Bölümümüzün eğitim ve araştırmada gösterdiği bu başarı ortaöğretimdeki birçok öğrencinin de dikkatini çekmiş ve bölümümüze lisans eğitimi için gelen öğrencilerin ÖSYM puanlarında göreceli olarak giderek yükselme gözlenmiştir. Aslında adımızın Enstitü olması kamuoyunda yanlış algılanmalara sebep olmakta ve hatta bazen diğer resmi kurumlardan gelen yazıların Rektörlük yerine Enstitü Müdürlüğü ne diye başlamasına neden olmaktadır. Bu durum üniversite mezunu olmak isteyen ortaöğretim öğrencilerinin Enstitümüzü tercih etmesinde tereddütlere yol açtığı kuşkusuzdur. Buna rağmen tanıtım faaliyetleri ile lisans öğrenci kalitesi giderek yükselmektedir. GYTE Fizik Bölümü nün bilimsel ve teknolojik araştırma faaliyetlerinin yüksek olmasını ağırlıklı olarak lisansüstü eğitimi vermesine bağlayanlar olabilir. Ancak yukarıda da zikredildiği gibi GYTE Fizik Bölümü 2002 yılından beri lisans eğitimi de vermektedir. Bunun yanında öğretim üyelerimizin kendi lisans öğrencilerimiz yanında lisans eğitimi yapan diğer 5 bölümün Temel Fizik Derslerini verdiğini de hatırda tutmak gerekir. Buna rağmen öğretim üyelerimizin çoğu kez mesai saatleri dışında ve tatil günlerinde de araştırma laboratuvarlarında çalışarak bu başarıya ulaştıklarına dikkat çekmek gerekir. Prof. Dr. Bekir AKTAŞ GYTE Fizik Bölümü Başkanı 6

9 2. ARAŞTIRMA ALANLARI HESAPLAMALI MALZEME FİZİĞİ Üniversitemizin, Yüksek Teknoloji Enstitüsü olmasından dolayı bölümümüzdeki hesaplamalı çalışmalar, teknolojik uygulamaları yakından ilgilendiren ve deneysel çalışmalara destek verecek niteliktedir. Günümüzde karşılaşılan problemlerin çözümlerinin gereklerinden dolayı bilgisayar tabanlı hesaplamalı yöntemlere ağırlık verilmektedir. İlgilenilen problemlerin çeşitliliği ve bu problemlerin gerektirdiği değişik ölçekler nedeni ile kullandığımız yöntemler, ilk-prensip hesaplamaları gibi zaman alan teknikler olabildiği gibi, büyük boyutları içeren problemlerde analitik potansiyellere dayalı moleküler dinamik simülasyonları, genel kurallar bulmak amaç olduğunda da analitik modeller kullanmayı içerebilmektedir. Hesaplamalı malzeme fiziği alanındaki çalışmalarımız temel olarak üç amaca yöneliktir. Bunlardan birincisi, deneysel çalışmalarda elde edilen bulguların mikroskopik düzeyde temellerini ve nedenlerini belirlemeye çalışmaktır. Tahmin gücü yüksek bilgisayar hesaplamaları sayesinde mümkün senaryolar ayrıntılı olarak denenip gözlemlerin açıklanmasına çalışılmaktadır. Burada ana hedef, mevcut deneysel sonuçları daha iyi anlayıp yeni deneylerin planlanmasına yardımcı olmak ve bilimsel araştırma sürecini daha hızlı ve verimli hale getirmektir. Bu birinci hedef için modellemede kullanılan malzemeler, önceden sentezlenmiş malzemeler olsa da gözden kaçan üstün özelliklerin bulunması mümkün olmaktadır. İkinci amaç ise henüz deneysel çalışmanın konusu olmamış, fakat yeni ufuklar açabilecek sistemlerin incelenmesidir. Bu amaca yönelik çalışmalarımız, fiziksel özellik belirlenmesinin ötesine geçip başarılı realizasyon için öneriler de getirmeyi içermektedir. Çalışmalarımızın üçüncü amacı da yeni bulunan malzemelerin teknolojik uygulamalarda performansını önceden tahmin etmek için kuantum iletkenlik, ısıl iletkenlik, mekaniksel dayanıklılık ve kimyasal aktivite gibi parametrelerin belirlenmesidir. 7

10 Hesaplamalı Malzeme Fiziği Alanındaki Çalışmalar Bölümümüzün, geçmişten bu yana manyetik malzemeler konusunda güçlü bir deneysel gruba sahip olması ve DPT destekli Nanomanyetizma ve Spintronik Araştırma Merkezi nin açılmış olmasından dolayı manyetik malzemeler ve bu malzemelerin teorik karakterizasyonuna büyük ilgi gösterilmektedir. Yapılan çalışmalar sonucu spintronikte kullanılabilecek yeni alaşımlar bulunmuş ve bunların hayata geçirilebilme potansiyeli açıkça ortaya konmuştur. Bunun yanında, Galyum Arsenit atom kümeleri ve fulerenler, karbon fulerenler ve diğer yarıiletken Endohedral olarak geçiş elementi içeren fulerenler. fulerenler kulanılarak manyetik malzeme elde etme yolları araştırılmaktadır. Bugüne kadar elde ettiğimiz sonuçlar, manyetik malzemelerin yapı taşlarının nanometreden bile daha küçük boyutlarda olabileceğini göstermektedir. Ülkemizin Bor madeni potansiyeli gözönünde alınarak Bor tabanlı nanoyapıların mümkün olup olamayacağı ve bunların manyetizmada yer bulup bulamayacağı da ilgi alanımız içindedir. Önerdiğimiz yeni malzemelerin nano-elektronik ve nano-spintronik uygulamalarda kullanılması, mühendislerin de önemli katkılarını gerektiren uzun, zahmetli ve çoğu zaman pahalı bir süreçtir. Böyle bir süreçten önce teorik olarak mevcut potansiyeli bulabilmek için kuantum iletkenlik özelliklerinin simülasyonuna büyük önem verilmektedir. Bölümümüzün de önemli katkı yapmak istediği nanoelektronik ve nano-spintronik uygulamalarda cihazların yapı taşları çok küçük olacağından iletkenlik sözkonusu olduğunda bugüne kadar alışılagelmiş yaklaşım ve teoriler yerine tamamen kuantum mekaniksel yaklaşım gerekmektedir. Bu yeni boyutta yeni fiziksel olay ve kavramlara ulaşmak mümkün olmakta ve bunların uygulama alanları konusunda fikir yürütülmektedir. 8

11 Heteroyapılar Nano-spintronik ve nano-elektronik uygulamaların birçoğu yüzeylerin işlenmesini ve arayüzeylerin oluşturulmasını gerektirir. Silisyum, Al 2 O 3 ve Ti 2 O 3 gibi teknolojik olarak önemli yüzeyler ile karbon nanotüpler, fulerenler, atomik kümeler ve fitalosiyanin gibi moleküller kullanılarak oluşturulan ara yüzeylerin yapısı ve elektronik özellikleri araştırılmaktadır. Bu hetero-yapılar, gerek nano-elektronik ve gerekse sensör uygulamalarında geniş yer bulmaktadırlar. Bu yüzeylerin küçük açılı kesilmesi sonucu oluşan vicinal yüzeyler, nanotel ve nanotüp gibi Üst panelde vicinal silisyum yüzeyi yapıların düzenli bir örgü oluşturmasına şematik olarak gösterilmektedir. Alt panelde nanotüplerin bu yüzeyde yardımcı olabilir. Oksit yüzeyler ise düz soğrulması durumunda oluşan yeni oldukları durumda bile elektrostatik elektron durumu gösterilmektedir. etkileşmelerden dolayı tercihli doğrultular gösterip yüksek yönelimli nanoyapılar oluşmasına neden olurlar. Hesaplamalarımız ile deneysel sonuçların daha iyi anlaşılıp, daha verimli hetero-yapıların elde edilmesine yardımcı olmak amaçlanmaktadır. Ayrıca karbon ve geçiş elementi tabanlı yapıların oluşturabilecekleri ara yüzeyler ve bu arayüzeylerin elektronik özellikleri araştırılarak üstün özellikli yeni sistemler bulunmaya çalışılmaktadır. Oksit içeren hetero-yapıların kuantum iletkenlik hesaplamaları sonucu bu yapıların elektriksel sensör olarak kullanım potansiyeli incelenmektedir. Nanoyapılarda kusurlar Kusurlar, üç boyutlu sistemlerin birçok fiziksel özelliğinin nedeni oldukları gibi nanoboyutlu yapıların sentezlenmesinden yapısal ve işlevsel olarak değişim geçirmelerine kadar önemli rol oynarlar. Kusurlar, kontrol edilebildikleri takdirde sıradışı sistemlerin oluşmasına izin verebilecekleri gibi, nano-boyutlu cihazların işlevini tamamen yitirmesine de neden olabilirler. Çalışmalarımızda atomik seviyedeki kusurların pozitif ve negatif etkileri farklı nano-boyutlu sistemler için araştırılmaktadır. 9

12 Simülasyonlarımız göstermiştir ki nanoyapıların kendi kendine iyileşme özellikleri nedeni ile, beklenenin tersine, kusurlara karşı nanoyapılar daha toleranslıdırlar. Ayrıca atomik yapıdaki küçük farklar, karbon gibi hiç beklenmedik bir malzemede bile manyetizma görülmesine yardımcı olmaktadır. İlginç manyetik özelliklere ek olarak azot ve boron safsızlıkları eklenerek diamondoidlerin optik özelliklerinin nasıl istenen şekilde değiştirilebileceği de araştırılmaktadır. Diamondoidler, nano-boyutlu elmas parçacıkları olup, endüstrideki geniş kullanım Diamondoidler: nano-boyutlu elmas parçaları. alanları yanında optik özellikleri nedeni ile nanoteknolojinin yapı taşlarından biri olarak görülmektedirler. Bu sistemlerin özelliklerinin istendiği gibi ayarlanması için yöntemler belirlemede simülasyonlarımız önemli katkı yapmaktadır. Nanoyapıların yönlendirilebilir şekilde kendiliğinden oluşumu Bölümümüzün deneysel aktivitelerinden görüleceği gibi nanoteknolojide sentezleme için iki yaklaşım vardır. Bunlardan birisi büyükten küçüğe, diğeri de küçükten büyüğe doğru gitmektir. Nano boyutta en verimli yöntem, sistemlerin yönlendirilebilir şekilde kendiliğinden oluşmasıdır. Bu konuda deneysel çalışmalara yol göstermek için yüzeyler üzerinde hangi parametreler değiştirilerek istenen bir atomik düzenin oluşturulabileceği de araştırılmaktadır. Yüzey ile yüzeyde soğrulan sistemin Fonksiyonel gruplar bağlanmış karbon etkileşmesi, hassas bir dengeyi fulerenlerin metal yüzeyi üzerinde oluşturduğu düzenli ve kararlı yapı bulduğunda hem kararlı, hem de kısa zamanda üretilebilen, kendi içinde istenen düzen ve şekle sahip yapılar olşturmak mümkün olmaktadır. Tahmin gücü yüksek yöntemler kullanarak hangi molekül-yüzey 10

13 çiftlerinin ideal olduğunu bulmaya çalışılmaktadır. Ancak, hesaplamalarımız göstermiştir ki moleküler sistemlerin kullanılması yeterli olmayıp şekilde görüldüğü gibi karbon fulerenler kadar büyük supramoleküleri de içeren değişik alt sistemlerin kullanılması gerekmektedir. Yeni nanoyapıların bulunması Yukarıda bahsedilen araştırma konularımızda bahsi geçen sistemler, deneysel realizasyonları yapılmış sistemlerdir. Ancak, kullanılan tahmin gücü yüksek teknikler sayesinde daha önce üretimi yapılmamış yeni sistemlerin elde edilme yolları ve deneysel realizasyonu sonucunda elde edilecek bu sistemlerin fiziksel özellikleri hesaplamalarımız sonucunda belirlenmektedir. Karbon fulerenlerin ortasındaki boş uzayın Galyum arsenit fuleren. metal atomu ile doldurulması sonucu gayet kararlı moleküler magnet sistemlerinin oluşmasından ilham alarak diğer element ve bileşikler ile de benzer şekilde ortası boş atom kümeleri oluşturulmaya çalışılmaktadır. Çalışmalarımız sonunda ortası boş daha önce bulunmamış yarıiletken nanoparçacıkların kararlı olduğu ve içlerine geçiş elementi katkılanması ile kimyasal olarak oldukça kararlı nano-boyutlu manyetik parçacıklar elde edilebileceği bulunmuştur. Bu yapıların manyetik ve elektronik özellikleri araştırılmaktadır. Hesaplamalı Spektroskopi Son yıllarda karakterizasyon yöntemleri büyük ilerleme göstermiştir. Bunlar arasında atomik proba dayalı yöntemler, genellikle analiz yöntemine ve bu sırada kullanılan modele bağlı olmayan sonuçlar vermeleri nedeni ile önemli bir yere sahiptirler. İlk zamanlar sadece iletken alt taşlar ile kullanılabilen STM yöntemi ile başlayan süreç atomik kuvvet mikroskobunun (AFM) biyolojik sistemler dâhil değişik alanlardaki uygulamalarına kadar gelmiştir. Son zamanlarda sönüm enerjisi kullanılarak, AFM'nin sadece atomik yapı değil titreşim spektrumu hakkında da bilgi verebileceği ileri sürülmüş ve ilk gözlemler karbon nano-bezelyeler üzerinde 11

14 yapılmıştır. Ancak, sonuçların aşırı derecede yoruma açık olması nedeni ile tam olarak sönümün fiziksel kaynağı anlaşılamamıştır. Bu konuda mikroskopik düzeyde bilgi edinebilmek için moleküler dinamik simulasyonları yürütülmektedir. Şekilde gösterilen sistem üzerinde yaptığımız simulasyonlarımız yüzey altı titreşim modlarının bile uyarılabildiğini göstermiştir. İlk Prensiplere Dayalı Yöntemlerle Nanomalzeme Tasarımı 2000 li yıllarda bilim ve teknoloji politikaları (kamu ve özel yatırımlar) dünyanın her yerinde nanomalzeme keşif ve geliştirme faaliyetlerinin ivmelenmesine neden olmuştur. Öyle ki güncel yüksek teknolojileri üreten kurum ve araştırmacılar için malzeme tasarımını, nanoboyutlarda ön plana çıkan kuantum-mekaniksel özelliklere ve kavramlara dayandırmak artık zorunlu hale gelmiştir. Öte yandan endüstriyel uygulamalarda yer bulan nanomalzemeler çoğunlukla deneme-yanılma metodu ve bilimsel sezgi ve esinlenmeler ile gerçekleştirilmektedir. Bu sekilde buluşa dayalı malzeme üretimi esas alındığında nanomalzeme tasarımının teknoloji üreten firmaların rutin malzeme ihtiyaçlarını kısa sürede karşılayabilen, titiz bir mühendislik aktivitesi seviyesine nasıl çıkarılacağı halen muğlâk kalmış bir noktadır. Türk endüstrisinin nanoteknolojinin önemini kavramakla beraber uzun vadeli Ar-Ge yatırımları yapmakta çekimser tavrı bunun bir yansımasıdır. Nanoteknoloji uygulamalarını yaygınlaştırmanın buluşa dayalı malzeme üretiminden ziyade uygulama hedefli malzeme tasarımına bağlı olduğu yaygın kabul görmektedir. Esasen, nanoyapılı sistemler söz konusu olduğunda, deneme-yanılma türünden bulgusal ve deneysel çabaların (ve sonuçta elde edilen öğrenme eğrilerinin) tam bir metodoloji haline getirilmesi son derece çetrefilli ve meşakkatli bir prosesdir. Çünkü nanoboyutlarda tasarım kavramlarında karmaşıklık derecesi artışına ilaveten malzeme parametre ve değişken sayıları da üstlü, belki bir anlamda sınırsız bir şekilde artmaktadır. Bilindigi gibi yapı-özellik bağlantılarının mevcut olduğu durumlarda malzeme tasarımı kolaylaşmaktadır. Nanoboyutlarda yapı-özellik bağlantılarının kılavuz prensipler şeklinde kullanılmasının hem malzeme sentezine hem de tasarımına önemli derecede tesir edeceği açıktır. Ne var ki atomistik yapıların kantitatif bilgisini elde etmek nanoyapıları anlamak ve mühendisliğini yapmak için ilk koşul olduğu halde, geleneksel karakterizasyon yöntemleri nanoölçekler söz konusu olduğunda bu bilgiyi sağlamakta sıklıkla yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle nanomalzemeler icin elde edilen bulguların yapı-özellik bağlantıları 12

15 şeklinde formüle edilmesi genellikle ya mümkün olmamaktadır ya da literatürde göz ardı edilmektedir. İlk prensiplere dayalı hesaplamalı yöntemler bu boşluğu doldurmakta fayda sağlamaktadır. Bu yöntemler kullanılarak gerçekleştirilen modelleme ve simülasyonlar deneysel veri veya deneye dayalı parametre gerektirmemektedir. Bilgisayar simulasyonları sayesinde yapısal optimizasyonlar da gerçeklestirilmekte, yani nanoparçacığın yapısı hiç bir ölçüme ihtiyaç kalmadan belirlenmektedir. Bu modelleme ve simulasyonlarda malzemeler kuantum mekaniksel olarak betimlendigi icin elektronik yapı gibi güncel teknolojiler icin temel olan özellikler de (deneysel verilere ihtiyaç duyulmaksızın) elde edilmektedir. Şekil'de Sol Panel'de muhtelif büyüklüklerde ve şekillerde sentezlenmiş metal nanoparçacıklarının fotoğrafları; Orta Panel'de ise bu nanoparçacıklar için Bölümümüzde gerçekleştirilen ilk prensiplere dayalı hesaplamaların sonucunda Sol Panel: Muhtelif şekillerde sentezlenmiş metal elde edilmiş elektronik yük nanoparçacıklar [A. R. Tao, S. Habas, and P. Yang, small 4, yoğunlukları gösterilmektedir. 310 (2008)]. Orta Panel: Nanoparçacıkların elektronik yük dağılımını gösteren eşyüzeyler. Sağ Panel: İlk prensiplere Fizikokimyasal pek çok dayalı yöntemlerle çıkarılan yapı-özellik ilişkilerinin proseste nanoparçacıkların fizikokimyasal proseslerle ilişkisi. geometrik ve elektronik yapılarındaki değişimler asıl faktörler olarak karşımıza çıkmaktadır. Mesela geçiş elemanlarından yapılanan nanoparçaçıklar genellikle yüksek katalitik aktivite göstermektedirler ve bu aslında onların elektronik yapılarıyla korelasyon içindedir. Nanoparçacıkların enerjetik özellikleri de büyüklük, şekil, yapı ve kompozisyonlarına bağlı olarak değişim göstermektedir. Sağ Panel'de şematik olarak özetlendiği gibi elektronik yapıda ve enerjetik özelliklerdeki değişimler hem malzeme sentezine hem de fizikokimyasal proseslerde nanoparçacığın performasına ve yaşlanmasına (yani performans kaybetme sürecine) doğrudan yansımaktadır. Bölümümüzde gerçekleştirilen ilk prensiplere dayalı hesaplamalar ile elde edilen yapı-özellik 13

16 bağlantıları bu prosesleri incelemek için gerekli olan modellerin geliştirilmesinde kullanılmaktadır. Temiz Energy Uygulamaları için Malzeme Tasarımı Günümüzde mevcut ticari pillerle ilgili olarak zehirli metaller içerdikleri için çevreye olan zararları, ağır metaller içerdikleri için taşınabilirlik problemleri, patlayıcı olabilmeleri, uzun şarj edilme süreleri, kapasitelerinin Sol Panel: Organik radikal molekülü ve elektronik yük dağılımı. Elips tekrar ile işaretlenen böyle radikalin pil içinde indirgenme/yükseltgenme reaksiyonlarının gerçekleştiği bölgeyi belirtmektedir. Orta Panel: tekrar şarj edildikçe azalması gibi pek sorun Organik elektrod yapımında kullanılabilecek bir polimer. Elektronik mevcuttur. Organik yük dağılım eşyüzeyleri tek bağ-cift bağ sırasını göstermektedir. Sağ malzemelerden yapılan Panel: Tümüyle organik pilin şematik gösterimi [H. Nishide and K. Oyaizu, 21, 2339 (2009)]. pil elektrotları bu sorunları ortadan kaldırabilecek bir potansiyel taşımaktadır. Şekil'de Sol Panel'deki gibi organik radikaller ile Orta Panel'deki ve benzeri polimer yarıiletkenlerin birleşimi sonucunda bu piller iyon transferi yerine elektron transferi ile iş görmektedirler. Bu açıdan hızlı şarj/deşarj olma ve enerji yoğunluklarını uzun süre koruma avantajları vardır. Şekil'de Sağ Panel, tümüyle organik bir pil prototipini şematik olarak göstermektedir. Bu prototiplerde yüksek bant-aralıklı (iletkenliği düşük olan) yarıiletken polimerler kullanılmıştır. Dolayısıyla, bu elektrodların grafit gibi iletkenlerle karıştırılması zaruri olmakta ve enerji yoğunlukları azalmaktadır. Bu açıdan organik radikal pillerin ticari platformda yaygınlaşması, kendi elektrik iletkenliklerinin artırılmasına bağlıdır. Zaten kullanımda olan polimerlere alternatif olabilecek düşük bant-aralıklı (iletken) polimerlerin nasıl performans göstereceği de merak konusudur. Buna ilave olarak tümüyle organik pil yapımı konusunda arayışlar sürmektedir. Bu arayışlar Bölümümüzde de elektronik yapı teorisi hesaplamalarına dayalı modeller geliştirmek 14

17 suretiyle sürdürülmektedir. Bu çalışmalar ulusal ve uluslararası iş birlikteliği içinde radikal polimer sentezi ve karakterizasyonu aktiviteleriyle koordine edilmektedir. Seyreltilmiş Manyetik Oksitlerin Katkılanması Seyreltik manyetik yarıiletkenler ve manyetik çok katlı süperörgü sistemleri bilgi kayıt teknolojileri ve sensör uygulamaları açısından yüksek bir potansiyel taşımaktadır. Son zamanlarda teknolojik gereksinimler özellikleri sürekli olarak iyileştirilen manyetik malzeme üretimini zorunlu kılmaktadır. Özellikle Curie sıcaklığı, manyetik anizotropi enerjisi ve doygunluk mıknatıslanması büyük değerlerde olan malzemeler, bilgi teknolojileri açısından, artan bir önem kazanmaktadır. Oksit-temelli yarıiletkenler geçiş metalleri ile (düşük dozlarda) Oksit-temelli yarıiletkeni katkılayan geçiş elemanı atomlarının katkılandığında Curie (TM1 ve TM2) birbirine yakın (Sol Panel) ve uzak (Sağ Panel) oldukları iki konfigürasyon. sıcaklığı yüksek değerlere ulaşabilmektedir. Bu yüksek sıcaklıkta ferromanyetik düzen gösteren malzemelerin geliştirilmesine olanak sağlamaktadır. Ne var ki bu malzemelerin yüksek sıcaklıkta neden ferromanyetik düzen gösterdikleri tam olarak anlaşılamamıştır. Bu nedenle Bölümümüzde deneysel aktivitelerle koordineli olarak yoğunluk fonksiyoneli teorisi gibi ilk prensiplere dayalı yöntemler manyetik malzemelerin özelliklerini açıklamak ve öngörmek amacıyla kullanılmaya başlanmıştır. İlgili sistemlerde atomistik detaylar (yerel manyetik momentler) önem kazanmaktadır. Şekil'de geçiş elemanı atomları (TM1 ve TM2) ile katkılanan oksit malzemenin iki konfigürasyonu gösterilmektedir. Bu iki konfigürasyon için katkı yoğunluğu katkı aynı değerde olduğu halde manyetik özelliklerin farklılık arzettiği belirlenmiştir. Böyle detaylı analizleri deneysel yöntemlerle gerçekleştirmek bazı durumlarda mümkün olmakla beraber çok zahmetli bazı durumlarda ise hiç mümkün değildir. Bu açıdan yüksek sıcaklıkta ferromanyetik düzen gösteren yeni malzemelerin bilgisayar simülasyonları vasıtasıyla keşfedilmesi yolunda çalışmalar sürdürülmektedir. 15

18 HESAPLAMALI MALZEME FİZİĞİ Öğretim Üyeleri Doç. Dr. Çetin Kılıç Yrd. Doç. Dr. Savaş Berber Doktora Öğrencileri Semran İpek Küskü Ali Zerentürk Doğan Erbahar Burak Gürkan Songül Üstündağ Ferhat Demir Necmettin Kılınç Yüksek Lisans Öğrencileri İlker Öztürk Neslihan Doğusoylu Tuba Coşkun Beyza Bilgiç 16

19 2. 2. MANYETİZMA ARAŞTIRMA GRUBU Teknoloji geliştikçe değişik alanlarda kullanılan malzemelerin çok küçük boyutlarda kontrollü bir şekilde işlenmesi mümkün olmuş ve böylece çok daha hassas cihazların geliştirilebilmesi söz konusu olmuştur. Cihazların minyatürizasyonundaki gelişmeler öyle ilerlemiştir ki atomları teker teker dizerek nano boyutta cihaz inşa edebilecek düzeylere ulaşılmıştır. Diğer yandan yapılan araştırmalar ve temel fiziksel kestirimler nano boyutlara inildikçe malzemelerin tüm fiziksel özelliklerinin değiştiğini ortaya koymuştur. Örneğin makroskopik boyuttaki maddelerin sertlik, kopma dayanımı, korozyona karşı dayanımı gibi mekanik özellikleri veya kimyasal reaksiyona girme aktiviteleri, elektriksel özellikleri ve hatta optik özellikleri nano boyuttaki aynı maddenin özelliklerinden şaşırtıcı düzeyde ayrılmaktadır. Örneğin nano boyuta inildiğinde beklenmedik bir şekilde malzemelerin renkleri bile değişmekte ve bu değişim nano boyuttaki malzemelerin geometrik boyutları ile bir tondan diğer tona doğru sürekli olarak kayabilmektedir. Nano boyuttaki bu değişimin temel nedeni kuantum boyut etkisi denilen bir temel olgu ile ilgilidir. Yani malzemelerin birçok fiziksel özelliğini belirleyen elektronik yapılarında temel rolü oynayan elektronların dalga özelliği taşıması ve bu dalgaların dalga boylarının nano boyuttaki malzemelerin geometrik boyutları ile kıyaslanabilir hale gelmesi nano parçacığın özelliğinin değişimine neden olmaktadır. Buna ek olarak parçacıklar küçüldükçe bağlanma enerjileri farklı olan yüzeydeki atom sayılarının içerideki parçacık sayısına oranının giderek artması herhangi bir fiziksel parametre açısından parçacığı oluşturan atomlar üzerinden yapılan ortalamaların da değişimine neden olmaktadır. Bu durum bize parçacığın boyutlarını istenen oranda değiştirerek parçacığın herhangi bir fiziksel özelliğini karakterize eden parametreyi kontrol etme ve böylece kullanım açısından büyük esneklik kazanmamızı sağlamaktadır. Nano boyutlardaki bu değişimleri kullanan teknolojiler günümüzde nanoteknoloji olarak adlandırılmaktadır. DNA araştırmalarından, kanserli hücrelerin imha edilmesine; 17

20 çok kullandığımız cihazların enerji ihtiyacının azaltılmasından, çok uzun ömürlü piller üretilmesine ve çevre dostu enerji sistemleri kullanılmasına; az enerji harcayan ekranlardan, kuantum bilgisayarlarına; çok hızlı ve çok büyük bilgi depolama kapasitelerine sahip sabit disklerden, yeni nesil manyetik transistörlere kadar birçok alanda nanoteknolojinin uygulaması vardır. Ayrıca, uçak, uzay mekiği, askeri ve sivil amaçlı araçları dava hızlı ve güvenli hale getirmek için, bu tür araçların gövdelerinde kullanılmak üzere çok sağlam ve hafif malzemelerin üretilmesinde; yiyeceklerin üretilmesi ve çok uzun süre zarar görmeden saklanmasında; evlerde ve işyerlerinde kullanılan kendi kendini temizleyen seramik ve cam yüzeylerde; lazerlerle hassas göz ameliyatlarında, tekstil ve kozmetikte dahi nanoteknoloji daha şimdiden çok yoğun bir şekilde kullanılmaktadır yılında nanoteknolojinin yaklaşık 2.6 trilyon dolarlık bir pazara sahip olacağı tahmin edilmektedir. Bu küresel ekonomik pastadan pay alabilmek için daha şimdiden birçok ülke nanoteknolojiye sahip olabilmek için kıyasıya yarışmaktadır. Bu amaçla nanoteknolojinin manyetizma alanındaki uygulamalarını araştırmak üzere bölümümüzdeki manyetizma araştırmaları 4 ana başlık altında toplanmıştır: Nanomanyetizma Spintronik Manyetoelektrik NQR ve NMR 18

21 NANOMANYETİZMA Manyetizma geçmişi çok uzun olan bir konudur ve ilk önce pusula gibi basit cihazlarda insanların yönlerini bulmalarında kılavuzluk yaparak hizmete başlamıştır. Daha sonra elektrik ve manyetizma arasındaki sağlam ilişkinin keşfi ve bu olayın Maxwel denklemleri ile formüle edilmesiyle manyetik maddeler elektrik santrallerinde, elektrik motorlarında, telekomünikasyonda, bilgisayarlarda manyetik bilgi depolama ve benzeri birçok alanda teknolojik cihazların olmazsa olmaz temel dayanağı haline gelmişlerdir. Küçük hacim, az enerji, daha fazla hafıza, daha hızlı bilgi depolama ve okuma (Üretici firmanın web sitesinden) Günümüzde manyetik sensörlerde, bilgi depolama cihazlarında, bilgisayar sabit disklerin okuyucu ve yazıcı kafalarında, manyetik kartlarda, tek elektron cihazlarında, mikrodalga elektroniğinde, tıpta ve benzeri birçok teknolojik alanda nano yapılı manyetik malzemeler kullanılmaktadır. Bu zengin kullanım alanları aşağıda anlatılan etkilerden dolayı ortaya çıkmaktadır. Manyetik Nanoparçacıklar Manyetik malzemenin fiziksel ölçüleri her üç boyutta da küçültüldüğünde nanoparçacık denilen yapılara ulaşılır. Bu yapılarda manyetik özelliklerdeki değişim çok daha çarpıcı hale gelir. Örneğin makroskopik boyutlarda ferromanyetik olan bir malzeme belli bir kritik değerin altına kadar küçültüldüğünde paramanyetik gibi davranmaya başlar. Aslında atomların spinleri arasındaki etkileşmeler hala ferromanyetik olmasına ve bir parçacık içindeki tüm spinler birbirlerine paralel olmalarına rağmen, yani parçacıklar tek başlarına ferromagnetik olmalarına rağmen bu parçacıklardan oluşan tozun makroskopik mıknatıslanması paramanyetik bir malzemenin davranışına çok benzer. Çünkü makroskopik madde parçalanarak küçük parçacık haline getirildiğinde tozlar arasındaki etkileşme kırılır. Böylece komşu spinlerin desteğini kaybeden belli bir parçacığın toplam spini scaklığın bozucu 19

22 etkisine karşı kendini koruyup manyetik alan yönünde yönelimini sürdüremez. Parçacıkların her birisinin toplam mıknatıslanmasını temsil eden bu dev (etkin) spinlerin ortak davranışı süperparamanyetizma olarak adlandırılır. Yani makroskopik olarak ferromagnetik olan bir malzeme nano toz haline getirilip preslense bile paramanyetik gibi davranır. Nanomanyetik parçacıklar manyetik açıdan tek domen özelliğine sahip olduklarından uygun büyüklüklerde yapıldıklarında ve bir yüzeye atomların kristalde dizildikleri gibi düzgün olarak dizilerek manyetik kayıt ortamı olarak kullanılmaları söz konusu olabilecektir. Süperparamanyetik malzemelerin kendine göre önemli daha birçok kullanım alanları vardır. Çünkü bu parçacıklar ile bilgi depolama kapasitesi mevcut duruma göre birkaç mertebe daha artabilecektir. Bu tozlar ferromanyetik bir düzene giremediğinden bir araya getirilseler bile manyetik kuvvetlerinin kaçınılmaz bir sonucu gibi gözüken bir araya gelip topaklanma olgusundan kurtulurlar. Yani bu manyetik tozlar uygun şartlarda sıvılar içinde homojen olarak dağılabilirler. Manyetik nanoparçacıkların uygulama alanları Manyetik parçacık içeren sıvılara ferrosıvı (ferrofluid) denir ve çok önemli uygulamaları vardır. Değişik ve zengin yeni fiziksel özelliklerinden ötürü, nanomanyetik parçacıkların, biyoloji ve biyotıp alanlarında protein ayrıştırma, vücutta ilaç taşıma ve ısıl tedavi işlemleri gibi önemli birçok alanda başarılı uygulamaları bulmaktadır. Manyetik nanoparçacıkların biyotıp uygulamaları arasında en göze çarpanı manyetik rezonans görüntülemede (MRI) kontrastı artırıcı olarak kullanılmalarıdır. MRI ile hücre takibi, manyetik kuvvet aracılığı ile biyomoleküllerin hücreler arası manipülasyonu ve kanserli hücreleri öldürecek Manyetik ölçümler için eksi 270 derece sıcaklığına kadar olan ilaçların kaplanması ise inebilen ve 2 Tesla manyetik alan üretebilen ESR cihazımız. hücre içinde nanomanyetik parçacıkların uygulamasına önemli örnekler arasında sayılabilir. 20

23 MRI ile hücre izleme Magnetik rezonans görüntüleme (MRI) insan vücudunun yüksek kaliteli olarak anatomik görüntüsünü çıkarabildiği için öncelikle teşhis amaçlı kullanılan bir tekniktir. Manyetik nanoparçacıklar uygun tekniklerle hasta hücrelere tutundurularak onların anlık durumları veya hareketleri hakkında güçlü MRI sinyalleri dolayısıyla değerli bilgi verirler. Hücreiçi manipülasyon Hücre içindeki manyetik nanoparçacıkların dışarıdan uygulanabilen manyetik kuvvetle yönlendirilebilmeleri bunların sadece tutturuldukları hücredeki biyoaktif moleküllerin yerel olarak fonksiyonlarının hücrenin diğer bölgelerinden bağımsız olarak araştırılabilmelerine yardım ederler. Kanser tedavisinde uygulama Diğer yandan bazı durumlarda manyetik nanoparçacıklar gerekli ilaçlarla birlikte uygun bir polimer ile kaplanıp nano kapsül yapılarak vücuda zerkedilebilir. Kapsülün manyetik özelliği ile dışarıdan manyetik kuvvet uygulanarak kapsüllenmiş ilacın vücudun gerekli yerine taşınması sağlanır ve sağlam bölgelerin gereksiz ilaç almalarının önüne geçilebilir. Bu durumda hasta bölgeye gerekli olan çok yüksek doz uygulama imkanı da doğar. Isıl tedavi Manyetik nanoparçacıklar uygun şartlarda vücuda zerkedilerek manyetik kuvvetlerle vüdudun hasta bölgesinde yoğunlaştırılabilirler. Böylece uygulanan elektromanyetik alanlar manyetik nanoparçacıklar tarafından daha fazla soğrularak ısınır ve yalnızca hasta hücreler ısıtılıp öldülmüş olurlar. Gene bulk malzemeler içine serpiştirilmiş manyetik küçük bölgelerin manyetik özellikleri de oldukça değişmektedir. Bu bölgelerin optik özellikleri de önemli oranda değişir. O nedenle manyeto-optik denilen bir olgu da bu malzemelerde oldukça farklılaşır. Bu özellikler optik uygulamalar için önemlidir. Bu parçacıkları uygulamada bu kadar kullanışlı kılan bu parçacıkların nano boyuta inildiğinde kazandıkları zengin ve yeni fiziksel özellikleridir. Manyetik İnce filmler Manyetik maddelerin boyutları bir yönde küçüldüğünde ince filmler elde edilir. Bu durumda yüzey etkileri giderek başat hale gelmeğe başlar. Ayrıca hacimli malzemelere göre filmler tabakalar halinde büyütüldüğünde hacmin içindeki yapılarda 21

24 da önemli değişimler gözlenebilir. Böylece film kalınlığı boyunca uyarılan manyetik spin dalgalarının boyu kontrol edilebilir. Manyetik anizotropiler de kontrol altına alınabilir. Ayrıca bu filmler değişik manyetik ve/veya manyetik olmayan tabakalardan oluşacak şekilde çok katlı olarak büyütüldüklerinde çok daha farklı özellikler ortaya çıkar. Bu özellikler için en çarpıcı örnek filmin elektriksel iletkenliğinin dış manyetik alanla değişmesidir. Böylece dış alan kontrollü bir şekilde değiştirilerek direnç istenen orana çekilebilir. Nanoteller Malzemenin büyüklüğü iki bağımsız doğrultuda nanometreler düzeyine indirildiğinde nanotel denilen yapılar elde edilir. Bu durumda telin fiziksel özellikleri büyük oranda anizotropi göstermeye başlar. Özellikle manyetik özellikleri tel eksenini özel doğrultu kabul edecek şekilde anizotropik davranış sergiler. Elektriksel iletkenliğinde de büyük değişimler olur. Bu yapılar çok katlı yapıldığında ve teller farklı malzemelerle kaplandığında fiziksel özellikleri değiştirilebilir. Bütün bu durumlar bu yapıların kullanım alanlarını daha da genişletir. Manyetik nanoteller çok geniş bir alanda kullanılmaktadırlar. Bunlar arasında manyetik sensörler, kimyasal sensörler, meta-malzemeler, moleküler elektronik, dikine bilgi depolama, alan emisyonlu elektron kaynakları, nano-optik, dev manyetodirenç gösteren çok katmanlı nano teller ve yüksek çözünürlüklü taramalı mikroskop ucu ilk akla gelenlerdir. Ayrıca tel boyunca uzayıp giden manyetik domenler bilgisayarların hafıza elemanı gibi çok ileri teknolojik konularda kullanım alanı bulur. Nanoteller üzerine yapılan çalışmalar Fe, Ni, Co saf metallerinin ve bunların alaşımlarından oluşan manyetik nanoteller üzerinde hem teorik ve hem de deneysel araştırmalar yapılmaktadır. Bunlardan bazıları alümina nano kalıp üzerine büyütülerek FMR, dc mıknatıslanma ve benzeri tekniklerle araştırılmıştır. Yandaki şekilde hazırlanan bu tellerin bazılarının resimleri ve FMR modeli için kullanılan geometri gösterilmiştir. FMR modeli için kullanılan geometri ve eksen sistemlerinin göreceli durumları. 22

25 SPİNTRONİK Spintronik, nanoteknolojinin en önemli araştırma ve uygulama alanlarından bir tanesidir. Yukarıda da bahsedildiği gibi günlük yaşamda çok kullandığımız bilgi depolama hafızalarının çok daha hızlı, az enerji harcayan ve eskilerine göre birçok fonksiyonu tek bir cihazla yapabilmemize imkân sağlayan; Otomobillerde ve güvenlik sistemlerinde kullanılan sensörlerin bu günkü seviyesine gelmesinde büyük katkısı olan; Günümüzde bilgisayarlarda ve birçok elektronik cihazda kullanılan yarıiletken transistörlerin ve LED lerin (ışık saçıcı diyotların) çok daha verimli, hızlı ve az enerji gerektiren bir duruma getirilebilmesi için yoğun çalışmaların yapıldığı nanomanyetizma alanında, 80 li yıllardan itibaren önemli gelişmeler olmuştur yılında Albert Fert ve Peter Grünberg e dev manyeto-direnci (GMR) keşiflerinden dolayı verilen Nobel Fizik Ödülü yle spintronik hak ettiği ilginin zirve noktasına ulaşmıştır. Spintronik cihazlar, malzemelerin yarıiletken ve manyetik özelliklerini bir arada kullanır. İşlem yapmak için elektronların yükünü kullanan yarıiletken cihazların en büyük avantajı hızlı olmalarıdır. Dezavantajları ise geçici bir hafızaya sahip olmalarıdır. Yani güç kaynağı kesildiğinde yarıiletken cihazdaki bilgi yok olmaktadır. Elektronların spinlerini kullanarak bilgi depolayan manyetik hafızaların en büyük avantajı ise, güç kaynağı kapatıldığında dahi depolanan bilginin kaybolmaması ve istenildiğinde tekrar kullanılabilmesidir. 23

26 İşte spintronik, yarıiletken ve manyetik malzemelerin avantajlarını tek bir cihazda toplayarak; çok hızlı, az elektrik harcayan, kalıcı hafızaya sahip, geleneksel yarıiletken teknolojisine kolayca entegre edilebilen yeni nesil cihazlar üretmeyi amaçlamaktadır. TMR prensibiyle çalışan manyetik RAM (MRAM) cihazının görüntüsü (Chappert et al., Nature Materials 6, November 2007). Spintroniğin günümüzde kullanılan en meşhur örnekleri, bilgisayarlarda sabit disk okuyucu kafalarında ve manyetik RAM lerde kullanılan, GMR ve TMR prensibiyle çalışan çok katlı nano yapılı manyetik ince filmlerdir. Ayrıca, geleneksel yarıiletken transistor ve LED lere göre çok daha verimli olan spintransistörleri ve spin-led leri de, spintroniğin hedeflediği yeni nesil modern cihazların başında gelmektedir. Manyetik yarıiletken kullanılarak hayata geçirilmesi planlanan spin-led 1 (soldaki şekil) ve spintransistörü 2 (sağdaki şekil) ( 1 C. Liu, F. Yun, and H. Morkoc J. Mater. Sci.: Mater. in Electronics, vol. 16, p. 555, S. Datta and B. Das Appl. Phys. Lett., vol. 56, p. 665, 1990.). Nanomanyetizma ve spintronik, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Fizik Bölümü nün çok önem verdiği çalışma alanlarından bir tanesidir. Bu amaçla, bölüm bünyesindeki birçok araştırmacı çok katlı nano yapılı manyetik malzemeler ve manyetik yarıiletkenlerin üretilmesi ve incelenmesi alanında çalışmaktadır. Yarımetalik kromdioksit (CrO 2 ), Fe ve Co katkılanmış TiO 2, Co katkılanmış ZnO ve çok ince manyetik heteroyapılar (örneğin Fe/GaAs, CoO/Fe/MgO) bunlardan bazılarıdır. 24

27 MANYETOELEKTRİK MALZEMELER Ferromanyetik ve ferroelektrik özellikler içeren çok fonksiyonlu ince film ve değişik nanoyapılar dinamik rastgele erişimli hafıza (DRAM), kalıcı ve güvenli hafıza (NV- RAM) teknolojisinde başarılı bir şekilde uygulanmaktadırlar. Son yıllarda bu hafıza elemanlarının performansının artırılması için mükemmele yakın yarımetalik özellik gösteren malzemeler, hem manyetik ve hemde yarıiletken özellik gösteren (magnetic semiconductors) malzemeler, ince film ferroelektrik perovskiteler, ferromanyetikferroelektrik (multiferroik) komposit yapılar geliştirilmiştir. Bu tür yapılar değişik fiziksel özellikleri bir araya toplayıp değişik kombinasyonlarını kullanarak elde edilen malzemenin fonksiyonunu (çok fonksiyonlu olarak) artırmaktadır. Bu konuda en önemli problemlerden birisi, spintronik yani spine bağımlı direnç esasında özellikler gösteren malzemelerde manyetik etkinin elektrik alanı aracılığı ile yönetilmesi problemidir. Spintronik cihazların tasarımı ve geliştirilmesindeki şimdiki yoğun çalışmalar gelecek bilişim teknolojilerinde hafıza ve mantık fonksiyonlarını bir arada barındıran yeni nesil aygıtların ortaya çıkması ile ilişkilidir. Bu durumlarda GMR va TMR yapılarda spin transferi ile, cihaza enjekte edilmiş spin akımı cihazdaki mıknatıslanma dönüşümünü gerçekleştiren manyetik alanı önemli ölçüde etkiler. Gerekli yüksek akım yoğunlukları manyetik alanları daha yüksek oranda bozar ve bu da böyle bir çekici meselede problemler çıkarır. Bu nedenle manyeto-direnç sistemlerinde manyetik yapının elektrik alanla kontrolü gibi bir mesele ortaya çıkıyor. Yani, bilgi depolamada yüksek yoğunluk talebi sonuçta mıknatıslanmanın manyetik alan ile değil, başka yöntemlerle kontrolü problemini ortaya çıkarmıştır. Manyetoelektronik ve spintronikte son gelişmeler, özellikle manyetik yarıiletkenlerde taşıyıcı etkileri ve colossal manyeto-direnç bileşimlerde yüksek korelasyonlu etkiler manyetik özelliklerin elektrik alanı ile kontrolüne ilgiyi daha da artırmıştır. Bu açıdan, hem spine dayalı manyeto-direnç, hem de multiferroik özelliklere sahip olmakla manyetoelektrik etkiler belirten çok fonksiyonlu malzeme ve yapıların geliştirilmesi çok önemlidir. Araştırma grubunun amacı böyle malzemelerin yapımı, incelenmesi ve çağımızın bilişim teknolojilerinde kullanılmak üzere geliştirilmesidir. 60 lı yılların başından multiferroik kristallerin yoğun şekilde incelenmesine rağmen, pratik uygulamalar için multiferroik tek krsital yapılı malzemelerin seçimi çok sınırlı olmuştur. Çok az sayıda malzeme oda sıcaklığında böyle özelliklere sahip 25

28 olmuştur. Aynı zamanda, hemen hemen tüm malzemelerde bu etki uygulamalar için çok zayıftır. Bunun nedeni Hill tarafından izah edilmiştir. Onun söylediği gibi, ferroelektrik düzeni ve polarizasyonu oluşturan iyonların merkezden kayma özelliği kısmen dolmuş d seviyesine sahip iyonlar için geçersizdir. Halbuki sözü edilen bu özellik manyetik düzenlemenin oluşumu için şarttır. Ancak, daha sonra araştırıcılar ME etkiler gösterecek yapay ferroelektrik ve ferromanyetik heteroyapıların üretilebileceğini gösterdiler (Ueda, 1999). Böyle yapılarda en önemli olgu manyetik ve elektrik özellikleri birbirine bağlayan başka bir aracı etkinin olmasıdır. Güçlü ME etkisinin, güçlü manyetostriksiyon ve piezoelektrik özelliklere sahip ferromanyetik ve ferroelektrik elemanlardan oluşan kompozit yapılarda mevcut olduğu görülmüştür. Böyle yapılarda ME etki magnetostriktif ve piezoelektrik elemanlar arasında esnek etkileşim aracılığı ile gerçekleşiyor. Genel olarak, böylece manyetoelektrik etkileşmenin bileşenleri şekildeki gibi gösterilebilir. Elektriksel ve manyetik etkiler arasındaki etkileşmeye bir de esnek özellikler Magnetoelektrik etkinin bileşenleri eklenmiş oluyor. Bunun da sonucunda farklı nitelikli (ferroelektrik ve ferromanyetik) malzemeler arasındaki etkileşim piezoelektrik ve magnetostriksiyon etkileri ve onların sonucu olarak ortaya çıkan deformasyon aracılığı ile gerçekleşir. Grubun çalışmaları çerçevesinde değişik nano-ölçekli ferromanyetik-nonmanyetik, ve/veya ferroelektrik-dielektrik malzemelere dayalı ince film, çok katlı filmler ve kompozitler, tek kristaller araştırılmakta ve çok fonksiyonlu spintronik-manyetoelektrik işleve sahip olacak yeni nesil cihazlar için etkin yapılar geliştirilmektedir. Bu malzeme ve yapıların yapısal, manyeto-direnç, manyetik rezonans, mıknatıslanma, elektriksel, dielektrik, ferroelektrik, manyetoelektrik özellikleri inecelenmektedir. 26