1,3-bis-(p-iminobenzoik asit)indan Langmuir-Blodgett filmlerinin karakterizasyonu ve organik buhar duyarlılığı MURAT EVYAPAN *, RİFAT ÇAPAN *, HİLMİ NAMLI **, ONUR TURHAN **,GEORGE STANCİU *** * Balıkesir Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü, 10100 Balıkesir, Türkiye, ** Balıkesir Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Kimya Bölümü, 10100 Balıkesir, Türkiye, *** University Politehnica of Bucharest, Department of Physics, Bükreş/Romanya
O Langmuir-Blodgett ince film üretimi o Langmuir özellikleri o Film transfer işlemi O Filmlerin karakterizasyonu o Deposition grafiği o UV-görünür spektrumu o Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) o Kuartz kristal mikrobalans (QCM) O Organik buhar işlemi o Kuartz kristal mikrobalans (QCM)
Langmuir-Blodgett (LB) İnce Film Tekniği O Langmuir-Blodgett (LB) ince film tekniğinde, su-hava ara yüzeyinde yüzen organik moleküller katı bir yüzeye transfer edilerek ince film oluşturulur. Elde edilen ince filmler LB filmleri olarak adlandırılır. O LB film tekniğinde kalınlığı nanometre mertebesinde simetrik veya simetrik olmayan ince filmler üretilebilir. O LB film tekniğinde üretilen ince film tabaka sayısı kesin olarak kontrol edilebilir. O LB film tekniği kullanılarak üretilen ince filmlerin, üretimi basit ve maliyetleri düşüktür.
LB Film Maddeleri O LB ince film üretiminde kullanılan moleküller amfifilik moleküller olup iki kısımdan oluşur. Moleküllerin kafa kısmı olarak adlandırılan hidrofilik (suyu-seven) grup ve molekülün kuyruk kısmı olarak adlandırılan hidrofobik (suyu-sevmeyen) gruplara sahip moleküller monolayer maddesi olarak kullanılır.
Langmuir-Blodgett İnce Film Teknesi NIMA LB Trough 622 type
Moleküllerin su yüzeyine serpilmesi
Moleküllerin su yüzeyindeki davranışı O Moleküllerin su yüzeyi üzerindeki davranışlarının aydınlatılması onlardan düzenli yapıya sahip yüksek kalitede LB ince film üretimi için gerekli ilk koşuldur. O Moleküllerin su yüzeyi üzerinde birbirlerinden uzak dağıldığı ve etkileşmelerinin küçük olduğu duruma gaz fazı denir. O Bariyerler kapatıldıkça su yüzeyindeki moleküller birbirine yaklaşır ve yüzey basıncının artmasına sebep olur. Moleküllerin birbirine yaklaştığı ve basıncın arttığı bu durum sıvı faz durumudur.
Moleküllerin su yüzeyindeki davranışı O Su yüzeyindeki moleküller sıkıştırılmaya devam ederse moleküller arası etkileşmeler hızlı bir şekilde artar. Yüzey basıncının hızlı bir şekilde artmasına karşın, yüzey alanının sabit kalması su yüzeyi üzerinde düzenli ince tabaka oluştuğunun göstergesidir ve katı faz olarak adlandırılır. LB film genellikle bu fazda üretilir. O Katı faz durumundan sonra bariyerlerin daha fazla kapatılması düzenli yapının bozulmasına neden olur. Bu durum dağılma (collapse) durumu olarak bilinir.bu durumda LB filmi üretimi mümkün değildir.
İzoterm Grafiği O Su yüzeyi üzerindeki moleküllere ait yüzey basınç-alan grafiğine izoterm grafiği adı verilir. İzoterm grafiği yardımıyla moleküllerin su yüzeyi üzerindeki davranışlarının incelenmesine de moleküllerin Langmuir özellikleri denir.
Langmuir-Blodgett (LB) İnce Film Transferi Tek tabaka transferi O Langmuir-Blodgett (LB) ince filmleri, su yüzeyinde yüzen ince film tabakalarının katı bir yüzey (cam, kuartz kristal, plastik vb.) üzerine transfer edilmesi ile elde edilir. Hidrofilik (suyu seven) yüzey Hidrofobik (suyu sevmeyen) yüzey
Langmuir-Blodgett (LB) İnce Film Transferi Tek tabaka transferi
Langmuir-Blodgett (LB) İnce Film Transferi Çok katlı film üretimi O Çok katlı Langmuir-Blodgett ince filmi, tek katlı tabakanın transfer işleminin tekrarlanması yolu ile üretilir.
Langmuir-Blodgett (LB) İnce Film Transferi Çok katlı film üretimi X-Tipi LB filmi Y-Tipi LB filmi
Langmuir-Blodgett (LB) İnce Film Transferi Çok katlı film üretimi Z-Tipi LB filmi AL-Tipi LB filmi
DENEYSEL KISIM Bu çalışmada gaz sensör uygulamalarında kullanılabileceği tasarlanan, 1,3-bis-(p-iminobenzoik asit)indan maddesi kullanılmıştır. 1,3-bis-(p-iminobenzoik asit)indan maddesinin Langmuir özellikleri incelenmiştir. Uygun basınç altında transfer işlemi gerçekleştirilmiştir. > LB filmlerinin transfer edildiği katı yüzeyler: o Cam slayt o Kuartz kristal
Üretilen LB filmlerinin karakterizasyonu Cam slayt > Deposition grafiği > UV-görünür spektroskopisi > Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) Kuartz kristal > Deposition grafiği > Kuartz kristal mikrobalans sistemi (QCM) Organik Buhar İşlemi > Kuartz kristal mikrobalans sistemi (QCM)
Kullanılan Madde Maddenin adı Verilen kod Molekül ağırlığı (g/mol) Kimyasal formülü 1,3-bis-(p-iminobenzoik asit)indan HN29 384 C 23H16N2O4 Kullanılan madde Kullanılan çözücü Madde miktarı (mg) Çözelti miktarı (ml) Konsantrasyon Oranı (mg/ml) Yüzeye serpilen miktar ( l) HN29 Kloroform+metanol ~5 ~10 ~0,5 ~500
Yüzey Gerilimi. P (mn m -1 ) İzoterm Grafiği 35 30 25 20 15 10 Tipik bir LB film maddesi gibi dört faz geçişi de gözlenmektedir. Bunlar sırasıyla gaz, sıvı, katı ve dağılma (collapse) fazlarıdır. Bu çalışmada LB film üretimi katı faz aralığında gerçekleştirilmiştir. 5 0 0 100 200 300 400 500 Alan, A (cm 2 ) Bu değer 1,3-bis-(piminobenzoik asit)indan maddesi için 22,5 mn/m olarak tespit edilmiştir. HN29 Gaz fazı Sıvı faz Katı faz Collapse (Dağılma) Yüzey gerilimi ~0-1 ~1-18 ~18-30 >30 ( mn m 1 ) Yüzey alanı ~500-250 ~250-150 ~150-115 <115 2 ( cm )
Substrate pozisyonu Cam Yüzey Film Transfer (Deposition) İşlemi Transfer grafiğinde dikkat edilmesi gereken şekiller arasındaki benzerliktir. Bu grafikte alandaki her azalma bir tabaka sayısına karşılık gelir. Bu azalmaların birbirine olan benzerlikleri tabakaların düzenli olduğu anlamına gelmektedir. Şekilde HN29 maddesine ait birbirinin çok benzeri olan dört tane tabaka transferi görülmektedir. a: kaplamanın başlangıcı b: kaplamanın bitişi b a b a b a b a 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Alandaki azalma, (cm 2 )
Kuartzın pozisyonu Film Transfer (Deposition) İşlemi Kuartz Yüzey Şekilde kuartz yüzey üzerine iki tabaka LB ince filmine ait transfer grafiği gösterilmektedir. c a 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 b Alandaki azalma, (cm 2 )
Absorbsiyon Şiddeti Absorbsiyon şiddeti UV-görünür Spektroskopisi Sonuçları 4 314 nm 3,5 3 2,5 2 1,5 1 382 nm 590 nm 0,5 0 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Dalga boyu, l, (nm) 0,12 0,08 5 tabaka 10 tabaka 15 tabaka 0,04 0 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Dalga boyu, (nm)
Kuartz Kristal Mikrobalans (QCM) Sonuçları Kuartz kristal mikrobalans sisteminde metal elektrotlar uygun bir elektronik devreye bağlandığında kuartzın piezoelektrik özelliğinden dolayı belli bir frekans ile rezonans yapar. Rezonans frekansı denilen bu frekans, elektrotların alanına ve kuartz kristalin kalınlığına bağlıdır ve çok küçük kütle değişimlerine bile duyarlıdır. Bu tekniğin, çok küçük kütle değişimlerine hassas olması onun, çok katlı LB filminin üretilebilirliği ve yapılarının tabaka kontrolü için de kullanılmasına olanak sağlar. LB filmlerinde rezonans frekansı değişimi (Df), kuartz kristal üzerine transfer edilen tabaka sayısına (N) bağlıdır. Δf N
QCM Sonuçları Bu grafikteki lineer ilişki, kuartz kristal üzerine her bir tabakada eşit kütle kaplandığını göstermektedir.
Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) Sonuçları HN29 maddesi ile cam yüzey üzerine üretilen LB filmlerinin yüzey morfolojisi atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak incelenmiştir. Farklı tabakalarda üretilen LB filmlerinin AFM görüntüleri alınarak filmlerin düzeni ve tabaka sayısı ile değişen kalınlık miktarı incelenmiştir. AFM ölçümleri incelendiğinde üretilen LB filmlerinin düzgün, boşluksuz ve uniform olduğu görülmektedir. AFM ölçümlerinden elde edilen sonuçlarda film kalınlığının tabaka sayısı arttıkça lineer olarak arttığı görülmüştür.
15 Tabaka LB filmi
Organik buhar işlemi HN 29 maddesi ile QCM kristali üzerine üretin LB filminin çeşitli organik buharlara karşı tepkisi ölçülmüştür. Kullanılan organik buharlar: Benzen (C 6 H 6 ), Toluen (C 7 H 9 ), Etil alkol (C 2 H 5 OH) ve İzopropil alkol (C 3 H 8 O) Grafikte zamana bağlı frekans değişimi gösterilmektedir. 2 dakikalık periyotlarla arka arkaya ortama organik buhar ve daha sonra hava verilmiştir. HN29 maddesi ile üretilen LB filminin benzen buharına karşı diğer organik buharlardan daha hassas olduğu görülmüştür. Benzen buharına verilen tepki, bu buharın frekansta meydana getirdiği değişim diğer organik buharlara oranla daha fazladır. HN29 maddesi ile üretin LB filmi tüm organik buharlara karşı çok hızlı tepki vermektedir. Aynı zamanda ortama hava verildiğinde sistem eski halini almaktadır. Buda sistemin geri dönüşümlülüğünü göstermektedir.
Normalize frekasn tepkisi 0,5 0,4 Benzen Toluen İzopropil alkol Etil alkol 0,3 0,2 0,1 0 0 120 240 360 480 600 720 Zaman, t, (s)
Bu çalışma Characterization of a Novel 1,3-Bis(p-iminobenzoic acid)indane Langmuir- Blodgett Film for Organic Vapor Sensing R. Çapan, M. Evyapan, H. Namlı, O. Turhan, G. A. Stanciu ismiyle Journal of Nanoscience and Nanotechnology dergisince 2005 yılında basılmak üzere kabul edilmiş ve şu an basımdadır.