Depozisyon Teknikleri

Transkript

1 ELEKTROKİMYASAL SİSTEMLERDE DEPOLAMA VE YÜZEY KARAKTERİZASYONU Depozisyon Teknikleri MBE, CVD, MOCVD, PLD Elektrokimyasal Depozisyon Avantajları: 1. Oda sıcaklığı ve atmosfer basıncında çalışılabilir. Uygulanabilirliği ve ekonomik oluşu 3. Malzeme boyutunun kolaylıkla kontrol edilebilmesi 4. Katkılamanın kolaylığı 5. Kompleks yapıların ve nano yapıların depozisyonu vb. 1

2

3 3

4 ψ (M-M arası etkileşim kuvvetleri) ψ M S (M-S arası etkileşim kuvvetleri) M M Çekirdekleşme ve Büyüme M n + + ne + M ψ M S ψ M M η = E E M n+ 0 / M Volmer-Weber büyüme modu, Ada oluşumu ψ M S ψ Δ E = E E M M M n+ 0 / M Δ E = E E M n+ 0 / M Frank-van der Merwe büyüme modu, Tabaka-tabaka büyüme ψ M S ψ M M Δ E = E E M n+ 0 / M Stranski-Krastanov büyüme modu, Ada ve tabaka-tabaka büyüme M. Volmer and A. Weber, Z. Phys. Chem. 119, p. 77 (196). F. C. Frank and J. H. Van der Merwe, Proc. R. Soc. London, Ser. A 198, p. 05 (1949). N. Stranski and L. Krastanov, Ber. Akad. Wiss. Wien 146, p. 797 (1938). 4

5 Çekirdekleşme ve Büyüme Kinetiği, BFT modeli Kararlı çekirdek sayısı (N), yüzeydeki aktif bölge sayısı (N o ) ve elektrot potansiyeli ile orantılıdır { 1 ( At) } N( t) = No exp A çekirdekleşme hız sabiti (cm.s 1 ) Eğer At >>1 ise N (t) =N o (ani), Eğer At çok büyük değil ise N (t) =N o At (kademeli) olur πnfk hm Tek bir diskin büyümesi için gerekli akım, i = t ρ N oπnfk hm ANoπnFk hm = t (ani) = t (kademeli) ρ ρ Üst üste çakışma problemi Avrami teoremi, S = 1 exp( Sex) 3 πnfmhn k t πn M k t πnfmhan = o exp o ins = ok t πan om k t exp prog ρ ρ ρ 3ρ Bu denklemler daha basit formlarına m ve t m kullanılarak indirgenebilirler m t ( t t exp tm t m = m ani çekirdek oluşumu ve büyümesi m 3 3 t ( t tm exp 3t m = 3 tm kademeli çekirdek oluşumu ve büyümesi 5

6 Sülfürün elektrokimyasal depozisyonu Murat Alanyalıoğlu, Hilal Çakal, A. Emin Öztürk, and Ümit Demir*, J. Phys. Chem. B 001, 105, Kronoamperometrik Örnekler Üç boyutlu yığın oluşumu Üç boyutlu tabaka-tabaka büyüme Soru: İletken olmayan bir depozit için nasıl bir i-t eğrisi gözlenebilir? 6

7 Potansiyel Altı Depozisyon (UPD) E M/M n+ E upd Start S: M: M n+ + ne M SPM ile Yüzeylerin Morfolojik ve Yapısal Karakterizasyonu Taramalı Tünelleme Mikroskopi (STM) Gerd Binnig & Heinrich Rohrer, 1981 = V exp( cd) d ~ 5-10 Å Tip ile numune arasındaki bariyerde dalga fonksiyonlarının çakışması 7

8 STM in şematik olarak gösterimi Tipler: Tungsten tel Pt-r tel Sabit Akım Modu Numüne iyi iletken olmalı Taranan alan küçük olmalı veya düşük tarama hızında çalışılmalı Rezülüsyon: 0.1Å Numüne İletken veya yarı-iletken olmalı Sabit Yükseklik Modu Numune uüzeyi oldukça düz olmalı Soldan sağa, Au(111) yüzeyi ve atomik yapısı, Au(111) üzerinde S atomları ve çoklu S tabakalarının atomik görüntüsü. ZnS ün çekirdek oluşumuna (a) ve PbS ün D büyümesine ait STM görüntüleri (b). 8

9 Atomik Güç Mikroskopi (AFM) Gerd Binnig, Calvin Quate & Christoph Gerber, 1986 Kuvvetler: İtme ve çekme van der Waals Elektrostatik Magnetik Kapilary (a) Lennard- Jones moleküller arası enerji eğrisi (b) AFM de itme ve çekme kuvvetlerinin kentilever üzerine uzaklığa bağımlı etkisi. A AFM nin ve kentilever in şematik gösterimi Rezülüsyon tipin uç çapına bağlıdır: -3 nm AFM Çalışma modları: Contact Mod (itme kuvvetleri) Non-contact Mod (van der Waals kuveteleri) Tapping Mode (tipin yüzey üzerinde salınımı AFM ile her çeşit numüne görüntülenebilir 9

10 Görüntüleme Hataları İyi tip ve iki uçlu tip: Sivri uçlu ve sivri uçlu olmayan tip : Elekrodepozitlenmis PbS ün AFM görüntüsü (a) Bi Te 3, (b) (Bi x Sb 1-x )Te 3 ve (c) ZnS e ait AFM görüntüleri 10

11 Kaynaklar. 1. Milan Paunovic and Mordechay Schlesinger, Fundamentals of Electrochemical Deposition, John Wiley & Sons, New Jersey, Georgi Staikov (Editor), Electrocrystallization in Nanotechnology, Wiley-VCH, Weinheim, Ümit Demir, Scanning Probe Microscopy Sudies of Electrochemical nterfaces: CdS Monolayers and Thin Organic Films, Ph.D Thesis, Auburn-USA, T. Öznülüer, İ. Erdoğan, İ. Şişman, Ü. Demir, Chem. Mater. 17 (005) M. Alanyalıoğlu, F. Bayrakçeken, Ü. Demir, Electrochimica Acta 54 (009) İ. Şişman, M. Alanyalıoğlu, Ü. Demir, J. Phys. Chem. C 111 (007) T. Öznülüer, İ. Erdoğan, Ü. Demir, Langmuir (006)