Malzeme Bilimi ve Nanoteknolojiye Giriş TARAMALI TÜNELLEME MİKROSKOBU ATOMİK KUVVET MİKROSKOBU YÜZEY KUVVETLERİ VE AKM 21301126 UĞUR BATUHAN PENEKLİ
Taramalı Tünelleme Mikroskobu
Giriş ve Tanım Taramalı tünellemeli mikroskop, iletken numuneler için çok uygun bir görüntüleme yöntemi ve aygıtıdır. G.Binnig ve H.Rohrer tarafından 1981'de bulundu. Bu buluşlarından dolayı 1986 Nobel Fizik Ödülünü kazandılar. Bu mikroskop genellikle bir yüzeyin karakteristiği öğrenmek istenildiğinde kullanılır. Yanal çözünürlüğü 0.1 nm, derinlik çözünürlüğü 0.01 nm olan TTM'ler iyi çözünürlüklü sayılırlar. İngilizcesi: Scanning Tunneling Microscope'dur.
Kullanımı İletken bir uç kullanılır, uç yüzeye nanometrenin onda biri beşte biri kadar yaklaştırılır, iletken uç ile iletken numune yüzeyi arasında yaklaşık 1 Volt kadar bir öngerilim uygulanır. Bu mesafede uç ile yüzey atomları arasında elektron tünellemesi olur (elektron akımı).
Kullanımı Tünelleme akımını sabit tutmak için uç ile yüzey arasındaki mesafe devamlı kontrol edilir (ayarlanır). Uç tarama sırasında iki boyutta (x,y yönünde) harekete sahiptir, aynı zamanda yüzeye olan mesafesi de değişerek (z yönünde) üç yönde de hareket edebilir.
Şekil 1: Taramalı Tünellemeli Mikroskop Şematik Gösterimi
Taramalı Tünelleme Mikroskobu Böylece taramalı tünellemeli mikroskop yardımı ile incelenen yüzeyin elektronik ve atom yapısı hakkında bilgi ve görüntü elde edilir.
Taramalı Tünelleme Mikroskobu Taramalı tünellemeli mikroskopta görüntü alabilmek için numunenin iletken olması bir çeşit sınırlama getirebilir. Yalıtkan yüzeyleri bu yöntemle incelemek mümkün olmamaktadır. Ayrıca mikroskop düzeneğinin vakumlu ortamda olması ve düşük sıcaklıkta ölçüm yapılabilmesi de bu yöntemin sınırlamalarındandır. Böyle sınırlamalardan dolayı bu yöntem biyolojik yapılar için (canlı doku incelemesi) uygun değildir.
Şekil 2: Taramalı Tünellemeli Mikroskobun verdiği görüntüler
Çeşitleri Taramalı tünellemeli mikroskop yönteminin de birkaç çeşidi vardır. Bir tanesi de polarize spinli taramalı tünellemeli mikroskop türüdür. Bu yöntemde mıknatıslı uç kullanarak manyetik yüzeylerin incelemesi yapılabilir.
Çeşitleri Diğer bir çeşidi de balistik elektron yayınlayan mikroskop türüdür. Bu yöntemde numune katkılı yarıiletken ince film ise, uç ile numune arasında balistik elektron akımı oluşur.
Uygulama Alanları Yüzeydeki atomların yerlerini değiştirmek. Bir bölgenin elektronik durumu hakkında bilgi toplanır. Metal yüzeylerin 3 boyutlu görüntülerini oluşturmak. Yüzey pürüzsüzlüğünü ölçmek. Yüzeydeki bozuklukları bulmak.
Kısıtlamaları Sadece iletken yüzeylerde kullanılabilir, çünkü ölçüm akım varlığında oluyor. Taranan yüzey çok temiz olmalıdır. Sivri uç, olabildiğince sivri olmalıdır. Tarama yapıldığı için yavaş bir süreçtir. Elde edilebilecek maksimum görüntü büyüklüğü küçüktür.
Atomik Kuvvet Mikroskobu
Tanım Atomik kuvvet mikroskobu (AKM) ya da taramalı kuvvet mikroskobu çok yüksek çözünürlüklü bir taramalı kuvvet mikroskobudur. Ulaşılmış çözünürlük birkaç nanometre ölçeğinde olup optik tekniklerden en az 1000 kat fazladır. AKM, nano boyutta görüntüleme, ölçme ve malzeme işleme konusunda en gelişmiş araçlardan biridir.
Temel Çalışma Prensibi AKM esnek bir maniveladan ve (yüzeyi taramak için kullanılan) buna bağlı sivri bir uçtan oluşur. Manivela genellikle silikon ya da silikon nitrürdür. Nanometre ölçeğinde eğrilik yarıçapı olan bir uç taşir. Uç, numune yüzeyine yakın bir mesafeye getirilince, uç ile yüzey arasındaki kuvvetler Hooke kanunu manivelanın bükülmesine yol açar. Genellikle maniveladaki bükülme, manivelanin bir ucundan dedektöre yansıtılan bir lazer ışını sayesinde ölçülür.
Temel Çalışma Prensibi AKM uygulamaya bağlı olarak çeşitli modlarda kullanılabilir. Bu görüntüleme modları statik (temas) ya da dinamik (temassız) olabilir. Dinamik modlar manivelanın akustik ya da manyetik yollarla titreştirilmesini gerektirir ve yumuşak yüzeyler icin daha yaygın olarak kullanılır.
Şekil 3: Atomik Kuvvet Mikroskobu Şematik Gösterimi
Özellikler Hassas bir iğnenin yüzeyi taramasıyla, yüzeyin yüksek çözünürlüklü 3d görüntüsünü verir. Örneğin iletken olma koşulu yoktur. Örnek hazırlama ve kullanım kolaylığı ve kapladığı hacim ile sem e alternatif bir mikroskobik tekniktir. Hava, sıvı, vakum ortamlarında görüntüleme yapılabilir.
Şekil 4: Atomik Kuvvet Mikroskobunun verdiği görüntüler
Çeşitleri Manyetik Kuvvet Mikroskobu: Mıknatıslı uç kullanılarak yüzeyin manyetikliği hakkında bilgi edinilir. Elektrostatik Kuvvet Mikroskobu: İletken uç kullanarak ve uç ile yüzey arasına gerilim uygulayarak yüzeyin potansiyel görüntüsü hakkında bilgi edinilir.
Çeşitleri Kimyasal Kuvvet Mikroskobu: Uca bir takım moleküller tutturularak işlev kazandırılır ve yüzey ile işlevlendirilmiş uç arasındaki etkileşmelerden yüzey hakkında bilgi edinilir. Bu yöntem özellikle biyoteknoloji çalışmaları için çok kullanışlıdır. Manyetik Rezonans Kuvvet Mikroskobu: Bu model yüzeydeki polarize olmuş çekirdek spinlerini tesbit etmede kullanılır. Titreşen mıknatıslı kol ile çekirdek spinlerinin rezonansa gelmesi ilkesine dayanır. Bu yöntemle tek bir spin bilgisi bile elde edilebilmektedir.
Yüzey Gerilimi
Tanım Yüzey gerilimi, fizikokimyada bir sıvının yüzey katmanının esnek bir tabakaya benzer özellikler göstermesinden kaynaklanan etkiye verilen addır. Bu etki bazı böceklerin su üzerinde yürümesine olanak verir. Bir gazla bir sıvının ya da birbirleriyle karışmayan iki sıvının temas yüzeyleri gerilmiş esnek bir zara benzer. Bu gerilim likidin serbest yüzüne ait ise buna yüzey gerilimi; iki sıvının sınır yüzeyine ait ise arayüzey gerilimi adını alır.
Tanım Bilimsel tanımla; sıvı yüzeyinde birim uzunluğu gergin tutan kuvvete yüzey gerilimi denir. Birimi dyne/cm'dir. Dar tüplerde gözlenen sıvı yükselme ve alçalması olan kapilarite olayının nedeni de yüzey gerilimidir.
Yüzey Gerilimini Etkileyen Faktörler Sıvının sıcaklığının artırılması veya sıvıya deterjan veya sabun gibi etkenlerin karıştırılması yüzey gerilimi azaltır. Bu durum iyidir çünkü temizlik yapılabilmesi için sıvının yüzey geriliminin düşürülmesi lazımdır. Yüzey gerilimi düşürülen sıvı içerisine kiri daha rahat almaktadır. Bu yüzden yüzey gerilimi düştükçe daha iyi temizlik yapılabilmektedir.
Bazı Maddelerin Yüzey Gerilimleri Bazı sıvıların dyn/cm cinsinden havadaki yüzey gerilimleri. Bu değerleri bine bölerek N/m cinsinden ifade edebilirsiniz. Sıvı Sıcaklık C Yüzey Gerilimi, γ Asetik asit 20 27.6 Asetik asit (40.1%) + Su 30 40.68 Asetik asit(10.0%) + Su 30 54.56 Aseton 20 23.7 Dietil ether 20 17.0 Ethanol 20 22.27 Ethanol (40%) + Su 25 29.63 Ethanol (11.1%) + Su 25 46.03 Glyserol 20 63
KAYNAKLAR Nanoturkiye Wikipedia - 1 Wikipedia - 2 Wikipedia - 3 Nanobilim ve Nanoteknoloji Şakir Erkoç Şakir Erkoç PDF