NANO TEKNOLOJİ VE UYGULAMALARI
1
1. GİRİŞ İnsanoğlunun geçmişinden günümüze do ğayı işleyebildiği oranda medenileştiğini ve refah
düzeyinin arttığını görmekteyiz. Özellikle yakın tarihimizde bilim ve teknolojilerde hızla kat edilen mesafeler eskiye nazaran akıl almaz bir seviyeye ula şmıştır. Önce 1800’lerde ya şanan sanayi devrimi, ardından 1900’lerin ba şında otomotivde yaşanan büyük geli şmelerle otomotiv devrimi, 1950’lerde ise fizikteki kuantum mekaniği kuramlarının ortaya çıkması ile beraber bilişim ve bilgisayarda görülen inanılmaz hızlanmalar, bili şim devrimi diyebileceğimiz derece önemli yeniliklerdir. Bu gibi gelişmeler oldukça insano ğlunun malzemeyle olan ilişkisi gittikçe artmış ve malzeme teknolojisinin uluslararası gelişmişliğin temel bir göstergesi haline geldiği gözler önündeki apaçık bir olgu olmuştur. Günümüzde yine devrim niteli ğinde olabilecek maddeyi atomik boyutlarda inceleyip i şlemek fikri ve uygulamaları, bilim ve teknolojiye yeni bir boyut kazandırmı ştır. İşte yeni devrim ve gelecek yüzyılın teknolojisi diye adlandırılan bu geli şmeler dönemi: dönemi: nanobilim ve nanoteknoloji dönemidir. dönemidir. Bilim ve teknolojilerde öncelikle var olanı anlamak ve incelemek, daha sonra ihtiyaca göre yeni düzenlemeler ve ke şifler yapmak temel bir içgüdüdür. Bu anlamda do ğal olarak var olan birçok sistem, eser ve olgu incelenmi ş ve mükemmel verilere ula şılmıştır, hatta ki sadece doğadaki ve canlılardaki incelemeler, birçok teknolojik geli şmenin yol göstericisi olmuştur. Zamanla daha hassas yapılan ölçümler ve uygulamalar sonucunda malzemelerin çok farklı ve değişik sırları ortaya çıkmıştır. Özellikle biyolojik anlamda insan vücudunun mükemmel bir çalışma ve işleme prensibine sahip olması, örne ğin; vücut tarafından etkin silahlar olarak hazırlanmış antikorlar; bu antikorların vücudu yabancı ve zararlı bir dü şmana ‘antijene’ karşı kanı korumaları, kendi kendini yenileyen sistemler gibi do ğal olan mükemmel proseslerin anlaşılması malzemelerin nano boyutta incelenmesiyle ortaya çıkmı ştır ve bu olağanüstü dizayn’ın moleküler boyutlardaki tasarımlarla meydana geldiği anlaşılmıştır. Aynı şekilde doğada arıların kilometrelerce uzaklardan tekrar aynı yoldan dönmeleri, ipek böce ğinin ipeği hassas bir şekilde dokuması gibi birçok kusursuz i şlem yine bu boyutlardaki gizemle açıklanabilmektedir. Bu gibi örneklerden yola çıkarak üretti ğimiz malzemeleri mikro altı boyutlarda incelemek merakı nanobilim ve nanoteknoloji kapısını sonuna kadar aralamı ştır. İnsanlık, 60 yıl içinde metre-milimetre büyüklüğünde malzemeyi kesici takımlarla i şleyen ya
da yüksek sıcaklıklarda kalıplara dökerek ya da döverek şekillendiren imalat teknolojisinden, atomsal düzeyde malzemeyi tasarlayıp yeni moleküller oluşturmaya yönelik bir imalat yöntemine geçti ve nanoteknolojiyle tanı ştı. 2
1. GİRİŞ İnsanoğlunun geçmişinden günümüze do ğayı işleyebildiği oranda medenileştiğini ve refah
düzeyinin arttığını görmekteyiz. Özellikle yakın tarihimizde bilim ve teknolojilerde hızla kat edilen mesafeler eskiye nazaran akıl almaz bir seviyeye ula şmıştır. Önce 1800’lerde ya şanan sanayi devrimi, ardından 1900’lerin ba şında otomotivde yaşanan büyük geli şmelerle otomotiv devrimi, 1950’lerde ise fizikteki kuantum mekaniği kuramlarının ortaya çıkması ile beraber bilişim ve bilgisayarda görülen inanılmaz hızlanmalar, bili şim devrimi diyebileceğimiz derece önemli yeniliklerdir. Bu gibi gelişmeler oldukça insano ğlunun malzemeyle olan ilişkisi gittikçe artmış ve malzeme teknolojisinin uluslararası gelişmişliğin temel bir göstergesi haline geldiği gözler önündeki apaçık bir olgu olmuştur. Günümüzde yine devrim niteli ğinde olabilecek maddeyi atomik boyutlarda inceleyip i şlemek fikri ve uygulamaları, bilim ve teknolojiye yeni bir boyut kazandırmı ştır. İşte yeni devrim ve gelecek yüzyılın teknolojisi diye adlandırılan bu geli şmeler dönemi: dönemi: nanobilim ve nanoteknoloji dönemidir. dönemidir. Bilim ve teknolojilerde öncelikle var olanı anlamak ve incelemek, daha sonra ihtiyaca göre yeni düzenlemeler ve ke şifler yapmak temel bir içgüdüdür. Bu anlamda do ğal olarak var olan birçok sistem, eser ve olgu incelenmi ş ve mükemmel verilere ula şılmıştır, hatta ki sadece doğadaki ve canlılardaki incelemeler, birçok teknolojik geli şmenin yol göstericisi olmuştur. Zamanla daha hassas yapılan ölçümler ve uygulamalar sonucunda malzemelerin çok farklı ve değişik sırları ortaya çıkmıştır. Özellikle biyolojik anlamda insan vücudunun mükemmel bir çalışma ve işleme prensibine sahip olması, örne ğin; vücut tarafından etkin silahlar olarak hazırlanmış antikorlar; bu antikorların vücudu yabancı ve zararlı bir dü şmana ‘antijene’ karşı kanı korumaları, kendi kendini yenileyen sistemler gibi do ğal olan mükemmel proseslerin anlaşılması malzemelerin nano boyutta incelenmesiyle ortaya çıkmı ştır ve bu olağanüstü dizayn’ın moleküler boyutlardaki tasarımlarla meydana geldiği anlaşılmıştır. Aynı şekilde doğada arıların kilometrelerce uzaklardan tekrar aynı yoldan dönmeleri, ipek böce ğinin ipeği hassas bir şekilde dokuması gibi birçok kusursuz i şlem yine bu boyutlardaki gizemle açıklanabilmektedir. Bu gibi örneklerden yola çıkarak üretti ğimiz malzemeleri mikro altı boyutlarda incelemek merakı nanobilim ve nanoteknoloji kapısını sonuna kadar aralamı ştır. İnsanlık, 60 yıl içinde metre-milimetre büyüklüğünde malzemeyi kesici takımlarla i şleyen ya
da yüksek sıcaklıklarda kalıplara dökerek ya da döverek şekillendiren imalat teknolojisinden, atomsal düzeyde malzemeyi tasarlayıp yeni moleküller oluşturmaya yönelik bir imalat yöntemine geçti ve nanoteknolojiyle tanı ştı. 2
2. NANOTEKNOLOJİ
Nano bir ölçek, nanoteknoloji de o ölçekte geli ştirilen teknolojiler anlamına geliyor, bu yüzden nanobilim ve nanoteknoloji ile u ğraşmak çok disiplinli bir durumdur; hedefi belirli bir konu değil; işbirliği gerektiren, birçok araştırmayı içine alan geniş bir kapsama alanını oluşturur. Nano milyarda 1 demek ve milyarda 1 ölçekle çalı şmak demektir. Atomlarla ve onların dizilişleriyle; malzemede, üretim tekniklerinde, yenilik yapmak ve ihtiyaca uygun üstün özellikli yeni ürünler geliştirmek anlamına geliyor.
Nano sadece bir ölçü derecesi oldu ğu için nanoteknolojinin malzeme üretiminden ba şlayarak, elektronik, manyetik, optik, mekanik, ve biyomedikal amaçlı i şlemler gibi birçok disiplini de kapsayan geni ş bir uygulama alanı bulunmaktadır. Günümüzde kullanılan mühendislik malzemelerinin birçok özelliği mikrometreden büyük boyuttaki iç yapılarından (tane, kristal) kaynaklanmaktadır. Nano malzemeler ise, üstün özelliklerini, mikrometreden 10 ile birkaç yüz kat daha küçük boyuttaki yapılara borçludurlar. Yakın zamanda bu alanda yapılan çalışmalar, nano boyutlu malzeme, aygıt ve sistemlerin üretimi, karakterizasyonu ve uygulamaları üzerinde yo ğunlaşmıştır.[1] Artık nanoteknoloji sayesinde süper kompüterlere mikroskop altında bakılabilecek, bir mil yon sinema filmi alabilen DVD’ler yapılabilecek, insan vücudunun içinde hastalıklı dokuyu bulup iyileştiren, ameliyat yapan nano robotlar kullanılabilecek, insan beyninin kapasitesi ek nano hafızalarla güçlendirilebilecek, birim ağırlık başına şuandakinden 50 kat daha hafif ve çok daha dayanıklı malzemeler üretilebilecek. Yine günlük ya şamda kullanılan tekstil ürünleri gibi ürünlerin değişebileceği gibi, uzay araştırmalarında ve havacılıkta da yeni roket ve uçak tasarımlarının ortaya çıkması mümkün olacaktır. Bütün bu gelişmeler dünyayı yeniden şekillendirebilecek bilimsel ve teknolojik devrim niteliğindedir. Yani yeni dönem, nanobilim
ve nanoteknoloji dönemi olarak ba şlamıştır.[1] Nanoteknoloji nano ölçeklerde malzeme tasarlayıp üretmeyi, bu malzemelerden yeni yöntemlerle aygıt, alet üretmeyi amaçlar. Bu bağlamda nanoteknolojide kullanılan yöntemler, bilinen yöntemlerden çok farklı olabiliyor.
3
2.1 Nanoteknolojik Gelişmeler
Nanoteknoloji, malzemelerin, sistemlerin ve cihazların nano ölçekte şeklini ve boyutlarını kontrol ederek tasarımının, simülasyonunun ve imalatının yapılması demektir. Atomik ölçeklerde hassas mühendislik anlamına da gelen nanoteknoloji bu ölçeklerde i şlenmiş nesnelerin, insanların kullanabileceği bir hale gelebilmesi için sayıca çok olması gerekmektedir. Bir ölçek olan nanometre, yakla şık olarak yan yana gelen 3-4 atomdan meydana gelir ve yine yakla şık 100-1000 tane atom bir araya gelerek nano ölçeklerde bir nesneyi oluşturur.[2] 20. yüzyılın başlarında maddenin temel yapı taşları, elektrik, elektronik ve optiksel özellikleri hakkında farklı felsefik yorumlar ortaya atıldı. Bu konuda ba şta N. Bohr olmak üzere A. Einstein, W. Heisenberg ve E. Schrödinger gibi bilim adamları bazı kuramlar ortaya attılar. Kuantum fiziği olarak adlandırılan bu ön görülere göre maddeyi olu şturan parçacıklar, örneğin elektronlar hem parçacık hem de dalga gibi davranırlar. Bu şekilde atom altı ölçeklerde belirsizlik kuramının geçerli olduğu ortaya çıktı. Bu temel öğelerden doğan kuantum mekaniği sayesinde atom ve moleküller hakkındaki bilgi ve yorumlar daha gerçekçi bir şekilde algılanıp yorumlandı. Dolayısıyla bilim ve ilgili teknolojiler hızla yükselen bir ivme ile gelişme gösterdi. Kuantum mekani ği sayesinde katıların klasik parçacık kuramı kullanarak hesaplanan bazı temel elektronik ve manyetik özelliklerinin neden gözlemlerden büyük sapmalar gösterdi ği açık bir şekilde görülmüş oldu.[13] Klasik mekaniğin geçerli olduğu imalat proseslerinde malzemelerin atomsal yapısı, mekanik, elektronik ve manyetik özellikleri ancak kuantum fizi ğinin temel öngörüleri anlaşıldıktan sonra daha net bir şekilde çözümlenmeye başlandı. Bu bilgiler ışığında daha hassas üretimler yapılmaya başlandı. Yarı iletken malzemeler, özellikle silisyum teknolojisi önem kazanıp, mikro elektronik sanayi hızla gelişme sağladı. Bilgisayarların ve bilişim teknolojilerinin hayatın vazgeçilmez birer parçaları haline gelmeleri, mikroelektronik başta olmak üzere, optoelektronik, fotonik gibi teknolojilerin gelişmesinde de önemli bir rol üstlendi. Ancak bütün bu gelişmelerin yanında, bilgisayarın her alanda insan hayatına sundu ğu imkân ve teknolojik kolaylıklarla beraber, bu teknolojinin uygulanması farklı ve yeni problemleri de ortaya çıkardı. Bu problemler; aygıtlarda meydana gelen gereksiz ve zararlı ısılar, yetersiz bilgi depolama ve işleme kapasiteleri, aygıt ve cihaz elemanların boyutlarındaki büyük hacimler sayılabilir. Bu durumda hem bu eksikliklerin iyile ştirilmesi hem de daha hızlı ve daha küçük bilgisayarları elde etme çabaları hızla devam etmekte.[3] 4
Günümüz uygulamalarında bilgisayarlarda kullanılan aygıtların boyutları 50 nanometrenin altına kadar inerken nanoteknoloji; daha küçük boyutlara inildikçe elektronik aygıtların işleyişindeki yarı-klasik fizik kuramlarının geçerliliğini yitirmesiyle, atom altı boyutların önemini gün yüzüne çıkarmaktadır. Yeni teknolojilerin birçok alanda başarıyla uygulanması, bilimle uğraşan insanları gün geçtikçe daha küçük boyutlara inmeye, daha az yer kaplayan, daha az enerji harcayarak daha hızlı çalışabilen aygıtlar ve sistemler geliştirmeye mecburi kılan bir durum haline gelmiştir. Dolayısıyla atomları teker teker dizerek şekillendirme fikri nanoteknolojiyi tetiklemiştir.[4]
Şekil 2.1 Bir yüzey üzerine atomların teker teker dizilerek Atom Adam’ın yapılması[4]
Yapılan araştırmalar bir malzemenin boyutu küçüldükçe malzemeye ait yeni özelliklerin ortaya çıktığını göstermektedir. Boyutlar nanometre ölçeklerine yaklaşırken malzemenin fiziksel özellikleri kuantum mekaniğinin kontrolüne girmekte, elektron durumlarının fazı ve enerji spektrumunun kesikli yapısı daha belirgin bir hal almaktadır. Daha da önemlisi, malzemeyi oluşturan atom sayıları 100’ler düzeyine inince, atomsal yapının geometrisi, hatta atom sayısının kendisi bile fiziksel özelliklerin belirlenmesinde etken rol oynuyor. Nano ölçeklerdeki bir yapıya yeni eklenen her atomun fiziksel özelliklerde neden oldu ğu değişiklikler, bu atomun cinsine, nano yapının türüne ve geometrisine ba ğlı olarak farklılık gösteriyor. Örneğin, nano yapının iletkenliği, o yapıya tek bir atom eklense bile değişebilmekte. Benzer şekilde, nano ölçeklerde atomlar arası ba ğ yapısı da değişikliğe uğrayabilmekte; mekanik olarak malzeme güçlenirken ya da zayıflarken, elektronik olarak iletkenlik özelliği tümüyle değişebilmektedir.[5] Yine yarıiletken olarak bilinen ve çağımızın en önemli malzemesi olan silisyumdan yapılan bir telin çapı nanometreye yakla şırken tel iletken bir karakter sergilemeye başlamaktadır. Diğer ilginç bir malzeme de karbon elementi.[5] 5
Karbonun organik maddelerdeki yaygınlı ğı ve vazgeçilmezliği düşünüldüğünde ve bütün canlıların karbon esaslı bir hayata sahip oldu ğunu düşündüğümüzde, naoteknoloji açısından karbon atomunun ne kadar önemli oldu ğu açıkça görülür. Karbonun nanoteknolojideki yeri ve önemi ile ilgili ayrı bir başlık altında detaylı bilgi verilecektir. Karbon uzun zamandır grafit ve elmasın alltropları arasındaki büyük farklılıklardan dolayı merak uyandırıcı bir elementti. Yapıtaşını karbon atomunun oluşturduğu elmas kristali, bilinen en sert ve yalıtkan malzemedir. Kurşun kalemlerden tanıdığımız grafit ise karbon atomunun yumuşak ve iletken bir yapısı.[6] Bu iki ürün arasındaki tek farkın atom dizili şlerinin olduğu düşünülürse, nanoteknolojinin farklı dünyası anlaşılacaktır. İşte teknolojinin yeni taleplerine yanıt verebilen bu olağanüstü özellikler, nanometre boyutlarında yapay malzeme sentezlenmesinin önemini gösteriyor. Nanobilimin en büyük amacı, nanometre ölçekli yapıların analizlerini yaparak bu boyuttaki nesnelerin, cihazların ve sistemlerin fiziksel özelliklerinin saptanması ve bu fiziksel özelliklere göre nanometre ölçekli yapıların imalatı, bu yolla malzemelerin yenilenmesi ve geliştirilmesi, nano ölçekli ve duyarlı cihazların geliştirilmesi, uygun yöntemler bulunarak nanoskopik ve makroskopik dünya arasındaki ba ğın kurulmasıdır. [4] Nano boyuttaki yapıların özelliklerini, makroskobik ölçekteki yapıların özelliklerini inceleyen, ölçen yöntemlerle tam olarak belirlemek mümkün değildir. Nano ölçekteki yapıların farklılıkları sadece ebatlarının küçüklü ğü ile ilgili değil, ayrıca küçük ebatlarda farklı fiziksel özelliklerin ortaya çıkması ile de ilişkilidir.[2] Atomik ölçülere inildikçe kuantum özellikler daha belirgin bir hal almaktadır. Bunun en önemli sonuçlarından birisi atomların geometrik yapılarının ve dizili şlerinin maddenin bazı fiziksel özelliklerini etkilemesidir. Daha önce de ğindiğimiz gibi elmas ile kömürü birbirinden ayıran özellik, elmasta karbon atomlarının düzlemsel bir tabaka yerine üç boyutlu bir kristal oluşturacak şekilde dizilmeleri ve pozisyon almalarındandır. Dolayısıyla atom yapısı ve atom sayıları aynı olan bu iki maddenin fiziksel özelliklerinin tamamen farklı olmasının sebebi atom dizilişlerinin farklı olmasından kaynaklanmaktadır. Aynı şekilde başka elementlerden oluşmuş yapıların da boyutları küçülünce benzer şekilde makro yapıya göre çok farklı özellikler göstermektedir.
6
Başka bir örnekte bizmut kristali ile bizmut nano teli incelendi ğinde; bizmut kristali makroskopik ebatta yarı metal bir malzeme karakteri gösterirken nanotel halinde bizmut yarı iletken bir malzeme özelliği göstermeye başlamaktadır.[2] Aynı atomlardan oluştuğu halde geometriler değişince biribirinden apayrı davranışa sahip iki farklı malzeme karşımıza çıkmaktadır, üstelik her iki yapıda da atomların birbirlerine bağlanma şekilleri de aynıdır. Bu örnekler bize maddenin elektronik özellikleri, optik özellikleri gibi özelliklerinin boyutla değiştiğini göstermektedir. Bundan; malzemelerin nanoölçekteki yapılarını kontrol etmeyi başarmakla birçok özelli ği ve dolayısıyla işlevleri de kontrol edilebilmiş olacağımız sonucunu çıkarabiliriz.[2] 2.2 Nanoteknolojinin Tarihçesi
Nano boyutta bir dünya oldu ğunu ilk defa ünlü Amerikalı fizikçi Richard Feynman (19181988) ortaya atmıştır. Feynman 1959 yılında bir konferansta ‘‘There is plenty of room at the bottom’’ (Aşağıda daha çok yer var) ba şlıklı konuşmasında ilk defa nano boyutlardaki gizeme değinmiştir. Feynman eğer atom ve molekül büyüklüklerde imalat yapılabilirse birçok yeni keşiflerin ortaya çıkacağını bildirmiştir. [1] Nanoteknolojinin başlangıcı olarak kabul edilen bu konu şmada nano boyutlarda u ğraşların olabilmesi için, öncelikle nano ölçekte ölçme ve üretim yöntemlerinin geli ştirilmesi gerektiği vurgulanmıştır. Feynman’ın konuşmasından bazı dikkat çeken hususlar;
24 ciltlik Britannica ansiklopedisi bir toplu i ğne başına yazılabilir
Küçük ölçeklerde motorlar
Biyolojik yapılardakine benzer üstün özellikli yapı ve sistemler
Minyatür bilgisayarlar
Atomlara hükmetme, onları yeniden düzenleme
Gibi ilk defa duyulup daha sonra ke şfedilecek birçok yeni görüşlerden bahsetmiştir.
7
Şekil 2.2 Deve, toplu i ğnenin deliğinden niye geçemesin? Micreon GmbH şirketinin yaptığı 2
mm boyunda, 300 mikron geni şliğindeki bir deve figürü dikiş iğnesinin deliğinde[18]
Feynman’ın ön gördü ğü düşünceler ışığında 1980’li yılların başında nano yapıların bazı fiziksel büyüklüklerini ölçmek ve nano ölçekte üretim yapmak amacıyla bazı optik cihazlar ve buna uygun yöntemler üzerinde çalı şılmaya başlandı. Bu çalışmalar hem nanometre ölçeklerinde saklı yeni davranışları ortaya çıkarmak, hem de atomu görüp onu istedi ğimiz yere taşıyabilmemize imkan sağlamak içindi. Nitekim birçok yeni bilgiler ve ke şifler bu çalışmalarla beraber açığa çıktı. Yine bu çabaların sonucu olarak en önemli geli şme, karbon nanotoplar ve ardından karbon nanotüplerin ke şfedilmesi oldu ve bu ba şarılar nanoteknoloji dönemini aktif olarak başlatmış oldu.[29]
Maddelerde büyüklükler nanometre düzeyine inince elektron enerjinin kuantumla şmasının malzemede elektrik ve ısı iletkenliği gibi fiziksel özelliklere yansıyacağını ve yeni kuantumlaşmaların ortaya çıkaracağını yapılan araştırmalar göstermiştir.[1]
Bütün bu gelişmelerle beraber eskiden oldu ğu gibi yapılacak araştırmalar artık bizzat laboratuar ortamında yapılmak zorunda değildi. Atomsal ve moleküler boyutlarda deneyler yapmaktaki güçlükleri aşmak için geliştirilen bilgisayar simülasyon programları, yapılmak istenen deneyin veya uygulamanın gerçek ortamdaymı ş gibi önce simülasyonu yapılmaya başlandı. Bu sayede gerçekçi deneyler hızlı bir şekilde yapılmakta ve uygulanan prosesler sağlıklı bir şekilde gözlemlenmektedirler.
8
Nanobilimin ve nanoteknolojinin gelişmesinde en önemli etmen; nano ölçekte ölçme ve inceleme yapabilen mikroskoplar ve bu boyutlarda i şlemler yapabilmek için oluşturulan yöntemlerdir. Bunlar:
Saçılma Yöntemleri
Taramalı Elektron Mikroskobu
Transmission Elektron Mikroskobu (TEM)
Taramalı Sonda Mikroskobu
Taramalı Tünellemeli Mikroskop
Atomik Kuvvet Mikroskobu
Yakın Alan Taramalı Optik Mikroskop, gibi yöntemlerdir.
Bu uygulamaların hepsi ayrı bir başlık altında detaylı bir şekilde incelenecektir.[2]
2.3 Nanobilim ve Nanoteknolojinin Kronolojik Geli şimi
1959: Richard Feynman’ın me şhur konferansı. 1974: Aviram ve Seiden ilk moleküler elektronik aygıt için patent aldı. 1981: G.K. Binnig ve H. Rohrer atomları tek tek görüntüleyebilmek için Taramalı Tünellemeli Mikroskobu (STM) icat ettiler. 1985: R. Curl Jr. , H. Kroto, R. Smalley C60 ’ı keşfettiler. 1987: İletkenliğin kuantum özelliği ilk defa gözlendi, T.A. Fulton ve G.J. Dolan ilk defa tek elektron transistorünü yaptılar. Moleküler transistör yapımının başarılması, Bell Laboratuvarları’nda 1940’lı yıllarda Shockley, Bardeen ve Brattain tarafından yapılan ve bir yumruk büyüklüğünde olan katı hal transistorün boyutunun, yakla şık yüz milyonda bir küçülmesi anlamına gelmekte. Ancak, moleküler tansistörlerin birbirlerine iletken tellerle bağlanmaları ve bu transistörlerden bütünleşik devre yapılması, çözümü zor problemleri de beraberinde getirdi. 1988: W. De Grado ekibiyle beraber suni protein yapmayı ba şardılar. 1989: Scweizer ve Eigler IBM logosunu nikel bir yüzey üzerinde duran zenon(35 Xe atomu) atomlarının yerlerini yenşden düzenleyerek yazdılar.
9
Şekil 2.3 Nano boyutta IBM yazısı[24]
1991: Japon Lijima çok duvarlı karbon nanotüpleri keşfetti. 1993: Lijima ve Bethune tek duvarlı karbon nanotüpleri keşfettiler. 1997: N. Seeman ilk kez DNA molekülünü kullanarak nanomekanik aygıt yaptı ve aynı yıl içinde Rice Üniversitesinde (ABD) Nanoteknoloji laboratuarı kuruldu. 1999: M. Reed ve J.M. Tour ilk defa tek organik molekül ile elektronik anahtar yaptılar. 2001: ZnO nanotel laseri yapıldı. 2002: Süperörgü nanoteller yapıldı. 2005: Dört tekerlekli nano araba modeli hareket ettirildi.[2]
Şekil 2.4 Motorize bir nano araba[17]
2.4 Ölçülendirme Prensipleri ve Nanoboyutlarda Ölçü
Ölçü, dejenerasyonsuz, belirleyici bir kurala göre herhangi bir şeye sayısal bir de ğer atanmasıdır. Başlı başına bir disiplin olan ölçü, teknik bilginin en temel ve zorunlu uzantısıdır ve ölçü olmadan herhangi bir teknoloji de dü şünülemez. Herhangi bir konuya objektif bir yaklaşım sadece ölçü ile sa ğlanabilir.[3] 10
Ölçünün metodolojisi, cetvelleri, sistemleri (ingiliz, metrik), ve her konuya özel birimleri ve sembollleri vardır. Buna temel teşkil eden anahtar anlaşma 1875 yılında Paris'te imzalanan ‘‘metre’’ anlaşmasıdır. Bugün tüm dünyada geçerli olan Uluslararası Ölçüm Sistemi (SI) 1960’taki ‘‘Ağırlıklar ve Ölçümler’’ genel konferansında tanımlandı ve buna resmi bir statü verildi. Bu sistem bilimde ve teknolojide kullanmak üzere önerilmiştir. Ana birimler: Uzunluk birimi “Metre”, Kütle birimi “Kilogram”, Zaman birimi “Saniye”, Elektrik akımı birimi “Amper”, Sıcaklık birimi “Kelvin”, Madde miktarı birimi “Mol”, ve Işık şiddeti birimi “Candela”’dır.[21] Nano terimi ölçü birimleri için kullanılan bir ön-ektir. Ancak nanoteknolojik i şlemler denildiğinde genellikle uzunluk birim ön-ek’i olarak kullanılmaktadır. Nanoyapılar uzunluk olarak düşünüldüğünde yaklaşık olarak 10-100 atomluk sistemlere karşılık gelmektedirler. Nano uygulamalar, hesaplamalar ve işlemler 10-200 nm boyutlarında gerçekle ştirilen uygulamalardır. Dolayısıyla yapılan nanoteknolojik bir araştırma ve incelemeler bu ölçülerde yapılıyor demektir. Yapılan gözlemler nano boyutlardaki sistemlerin fiziksel davranı şlarının makro boyuttaki sistemlere kıyasla çok daha farklı olduklarını ortaya koymu ştur. Zaten nanoteknolojiye bu kadar ilgi duyulmasının, büyük umut ve beklentiler içerisinde olunmanın esas kayna ğı da bu boyutlarda malzemelerin özelliklerinin akıl almaz derece de ğişmesi; genel itibarla da bu değişimlerin çok verimli olmasındandır. [4]
KATSAYI ÖN-EKLERİ
Standartlaştırılmış uluslararası (SI) birimlerinin geniş çapta her türlü duruma uygulanabilmesini sağlamak üzere 1991 yılında yapılan a ğırlıklar ve ölçüler 19. genel konferansı metrik katsayı öneklerini 1024 ’den, 10-24 ’e (yotta’dan yokto’ya) kadar genişletti.
11
Çizelge 2.1 Ölçü birimlerinin katları için kullanılan SI tarafından onaylanmış ön-ekler Faktör İsmi deka 10
Sembolü Anlamı da on
Faktör 10-1
İsmi
desi
Sembolü Anlamı d onda
bir 102
hekto
h
yüz
10-2
santi
c
yüzde bir
103
kilo
k
bin
10-3
mili
m
binde bir
106
mega
M
milyon
10-6
mikro
µ
milyonda bir
109
giga
G
milyar
10-9
nano
n
milyarda bir
1012
tera
T
trilyon
10-12
piko
p
trilyonda bir
1015
peta
P
katrilyon
10-15
femto
f
katrilyonda bir
1018
eksa
E
kentilyon
10-18
atto
a
kentilyonda bir
1021
zetta
Z
sekstilyon
10-21
zepto
z
sekstilyonda bir
1024
yotta
Y
septilyon
10-24
yokto
y
septilyonda bir
Nanometreyi şöyle örneklendirebiliriz: 1 Nanometre metrenin milyarda biri, insan saçının kalınlığı ise yaklaşık olarak yüz bin nanometredir. Bu kar şılaştırma nanometrenin boyutlarını daha net bir şekilde göstermektedir. Nanometrik boyutta malzemeler hem atomik hem de makroskobik özellikler göstererek, hiç bilmedi ğimiz yeni bir dünyayı bize sunmaktadır. Bununla beraber nano boyutlara gelinince hem makro özellikler hem de mikro(kuantum) özelliklerin etkilerinin aynı anda etkin olmaları, bazı zorluk ve problemlerin do ğmasına sebep olmaktadır.[6]
12
Bir milyon nanometre Binlerce nanometre
Nanometre
Nanometreden küçük
Şekil 2.5 Nanometrenin ölçüsünün fiziksel kar şılaştırılması
Bir karıncanın başının genişliği bir milyon nanometre, vücuttaki bir kan hücresinin büyüklüğü bin nanometre, DNA molekülleri yaklaşık 2.5 nanometre, atomların çapları ise nanometrenin onda biridir. Özellikle DNA molekülü nano boyutlarda olan doğal bir nano üründür ve bu ölçeklerdeki tasarımın mükemmelliğini göstermektedir. 2.5 Malzemelerde Boyut
Malzemelerin iç yapıları, boyutlarına göre farklı şekillerde sınıflandırılmaktadırlar ve malzemenin nasıl bir yapıda oldu ğu boyutuna göre belirlenir. Boyutlara göre malzemelerin birçok özelliği değişim göstermektedir. Malzemelerde boyut; malzemenin serbest elektronlarının hareket edebilme serbestlikleri ile belirlenen bir olgudur. Malzemenin yapısındaki elektron akımı serbestlik derecesine göre şekillenir.[2] Eğer serbest elektronlar eksenel olarak üç yönde de hareket edebiliyorlarsa malzeme 3D (üç boyutlu) yapı olarak adlandırılır, katı madde olarak bilinen yapılar 3D’lu yapılardır. Serbest elektronlar sadece iki yönde hareket edebiliyorlarsa o zaman malzeme 2D (iki boyutlu) yapıya sahip malzemedir. Bütün katmanlı yapılar iki boyutlu malzemeler sınıfındandırlar. Katmanlı yapılarda bir kat, bir cins atomdan olu şurken, başka bir kat da farklı bir atom cinsinden oluşur. Elektron serbestlikleri tek yönde olan malzemeler ise 1D (bir boyutlu) yapılar olarak adlandırılır. Nanotel, nanotüp gibi yapılar bu gruptaki yapılardır. Ayrıca bu yapılarla beraber; serbest elektronları bulunduğu halde, üç yönde de sınırlanmı ş olan bir yapıya sahip olduğu için hareket kabiliyeti olmayan yapılar da vardır ki bu yapılara da 0D (sıfır boyutlu) yapılar denilmektedir. Nanotop, kuantum nokta ve topaklar bu sınıftandır. Bu tür yapılar kuantum
13
bilgisayarlar da dahil, birçok elektronik işlevli uygulamalarda mutlaka kullanılan bileşenidir.[2] Malzemelerin elektronik özellikleri ve elektronik işlevleri, boyutu ile doğrudan doğruya ilgilidir. Herhangi bir boyutta olan bir malzemenin tek yapı örne ği olmayabilir. Örneğin bizmut elementine bakacak olursak; 1D’lu bizmutun üç farklı yapısı vardır; çubuk yapısı, tüp yapısı ve atom dizisi yapısı. Çubuk yapının iç kısmı kristal yapı özelli ğindedir, tüp yapının içi boştur, atom dizisi şeklindeki yapılar ise bir kristal yüzeyine dizilmiş atomlardan oluşmuştur ve bu örneklerin hepsi nanotel çeşitleridir. [2]
3
NANOBOYUTLARDAKİ İŞLEMLERİ ETKİLEYEN ETMENLER
Bu bölümde karakteristik olarak boyut azaldığında malzemenin özelliklerinin ve davranışlarının nasıl değiştiği üzerinde durulacaktır. Nanotaknoloji atomsal ve moleküler düzeyde bir uğraş alanı olduğu için, çalışmalar bu boyutlarda yapılmakta olup nihai nanoimalat da yine bu ölçeklerde olacaktır. Nano seviyelere inildi ğinde azalan ölçü değerlerinin; malzeme, cihaz, sistem, malzeme iç ve dı ş kuvvetleri, ürün tasarımı gibi faktörler üzerindeki etmenleri de son derece önem kazanmaktadır.[7] 3.1 Küçük Boyutlarda Malzemeler
Makro boyutlarda bir nesnenin sınırları elle tutulur gözle görülür bir durumdadır ve sınırları çizilmek suretiyle belirlenebilir. Nesneyi daha küçük parçalara ayırmanın maddenin fiziksel özellikleri üzerinde farklı etkileri vardır. Örneğin r yarıçapına sahip küresel bir elemanın iç dinamikleriyle ısıtıldı ğını düşünelim ve ısı miktarının da elemanın hacmiyle do ğru orantılı olduğunu varsayalım;
Küresel elemanın hacmi:
Elemanın çevreye verdi ği ısı miktarı ise kürenin yüzey alanı ile do ğru orantılı olacaktır. Küresel elemanın yüzey alanı:
[1] 14
Eğer küresel elemanı n tane küçük parçacı ğa ayırırsak toplam yüzey alanı artacaktır. Dolayısıyla küçük parçacıkların dışarıya ilettiği ısı miktarı da orantılı olarak artacaktır. Bu da bize boyutlar küçüldükçe i şlem hızlarının arttığını göstermektedir. Nanoboyutlarda çalışıldığında karşımıza daha karmaşık bir uğraş alanı çıkacağı ortadadır.[1]
Kimyasal Reaktivite: Malzemenin iç ve dı ş atomlarının durumları farklı olmaktadır. Makro
ölçeklerde bir nesnenin yüzey atomları ile iç atomları niteliksel olarak farklılık gösterirken, boyutsal olarak aşağılara inildiğinde nesne artık sadece yüzey atomlarından ibaret olmaktadır. Kimyasal reaktiviteleri göz önünde bulundurursak yüzey atomlarının iç atomlardan daha çok bağlanma ihtimalleri vardır. Dolayısıyla nanoölçeklerde madde tamamen yüzey haline geldiğinde büyük değişimlerin oluştuğunu gözlemleyebiliriz.[7] Nesneleri nanoölçekte bir, iki veya üç boyutta kümelemek, yeni bir çe şit süper kafes veya süper atom sınıfının meydana gelmesini sa ğlar. Taşıyıcıların iki, bir veya sıfır boyutta sınırlandırlması ile sırasıyla nanoplakalar, nanofiberler ve nanoparçacıklar olu şur, bu nanoyapılar, bir nanocihazın yapımında kullanılırlar.[11]
Elektrik İletkenliği: nanoboyutlara inildiği zaman karşımıza çıkan nanotaneciklerin
elektriksel davranışlarının nasıl olduğu son derece önemlidir. Küçük dünyaya indi ğimiz zaman şaşırtıcı özellikler gün yüzüne çıkabilmektedir. Elektriksel özellikler de genellikle iyi olmakla beraber, bazı malzemelerde bu boyutlara inildi ğinde, elektrik özelliğinin düştüğü nadiren de olsa gözlemlenebilmektedir. Ancak büyük bir oranla nanoölçeklerde malzeme elektriki durumu iyileşme göstermektedir diyebiliriz.
Nanoboyutlarda elektriksel etkileri anlayabilmek için öncelikle temel elektrik bilgilerine bir göz atalım; Elektrik:
Elektrik enerjinin bir şeklidir. Maddenin en küçük yapı taşını oluşturan atom, kendi içerisinde bulunan parçacıkların etkisiyle elektriğin oluşumunda ve iletilmesinde büyük rol oynar. Atomu oluşturan parçacıklar: 15
Şekil 3.1 Atomun Yapısını Oluşturan Tanecikler
Atom çekirdeğinin etrafında negatif yüklü elektronları vardır. Bir dı ş kuvvet tarafından bir atomun elektron ve protonu arasındaki denge bozuldu ğu zaman o atom bir elektrik yükü kaybeder ya da kazanır. Bir atomdan elektrik yükleri kaybolduğu zaman, bu negatif yükler serbest kalır ve bu elektronların serbest hareketiyle madde içinde bir elektrik akımı meydana gelir. Yapısında serbest elektron bulunduran bu maddelere iletken madde denir. [13]
Şekil 3.2 Atomun Parçacıkları
Elementlerin cinslerine göre atomlarındaki elektron sayıları da de ğişir. İletken maddelerin atomlarının son yörüngelerinde 4’den az elektron bulunur. Atomlar bu elektronları 8’e tamamlayamadıkları için serbest bırakırlar. Bundan dolayı bir İletken maddede milyonlarca serbest elektron bulunur. Bu maddeye elektrik uygulandı ğında elektronlar negatif (-) ’den pozitif (+) yönüne doğru hareket etmeye başlar. Bu harekete ‘‘Elektrik Akımı’’ denir. İletkenin herhangi bir noktasından 1 saniyede 6,25x1018 elektron geçmesi 1 Amperlik akıma
eşittir.[13] 16
Serbest Elektronlar
çekirdeğe yakın yörüngelerdeki elektronlar kuvvetli bir çekimle çekirde ğe bağlıdırlar. Atomların dış yörüngelerindeki elektronlara valans elektron ya da serbest elektron denir. Bunlar çekirdeğe zayıf bir bağ ile bağlı olduklarından ufak bir enerji ile atomu terk edebilirler. Serbest elektronlar bu hareket özelliklerinden dolayı elektrik iletiminde önemli rol oynarlar.[22]
Şekil 3.3 Silisyum Atomunun Son Yörüngesi
İletken: Atomların dış (valans) yörüngelerindeki elektron sayısı dörtten az (1-2-3) olan
elementlere iletken denir. Bu elementler elektrik akımını iyi iletirler. Tü metaller iletkendir. İnsan vücudu iyi bir iletkendir. İyonlara sahip sıvılar iyi bir iletkendir ve bunlara elektrolit adı
verilmektedir. Saf su yalıtkan, günlük hayatta kullandı ğımız içme suyu iletkendir. Toprak içerisinde su olduğu için iletkendir. Gazlar genelde yalıtkandırlar; fakat iyonlarına ayrılmı ş gazlar iletkenlik kazanırlar
Yarı İletken: Atomların dış yörüngelerindeki elektron sayısı 4 olan elementlere yarı iletken
denir. Silisyum, germanyum gibi maddeler örnek olarak verilebilir. Yalıtkan: Atomların dış yörüngelerindeki elektron sayısı 8 olan tüm elementlere yalıtkan
denir. Yalıtkan gereçler elektriği iletmezler. Son yörüngelerindeki elektron sayısı 5,6,7 olan elementler ise bir noktaya kadar yalıtkandırlar. Yalıtkan cisimlerde serbest elektronlar yok denecek kadar azdır. Cam, kauçuk, pamuk, ya ğ ve hava yalıtkan maddelere örnek olarak verilebilir.[13]
17
Ferromanyetizma: Bazı elementlerde birbirine komşu iyonlarda bulunan elektronlar
arasındaki değişim etkileşimleri elektronların spinleri arasında büyük bir çiftleşmeye yol açar, spinler belli bir sıcaklığın üzerinde birbirleriyle rastgele hizaya geçerler. Ferromanyetik maddelerin nanoparçacıklarını sentezlemeye yönelik yöntemler uygulandı ğında, parçacıkların tipik olarak birkaç on nanometrenin altında olduklarında, bir elektrik alanının varlı ğında hala manyetik hassaslık gösterdiklerinin ancak ferromanyetizmanın karakteristik bir özelliği olan artık manyetizmdan da yoksun oldukları ke şfedilmiştir. Bu duruma süper para-manyetizma denir. Bu şekilde veri depolamaya yönelik nanoyapılı manyetik malzemelerin manyetik elementlerinin büyüklüğüne yönelik bir alt limit olduğu ortaya çıkmıştır. Mıknatıslanma histerisisi(geri dönüş) bu limitle alakalı olarak değişmektedir.[22] Optiklik: Nanofiberin veya plakanın ı şığın dalga boyundan daha kısa bir yarıçapı olabilir.
Ancak tipik olarak ışığın dalga boyunun yakla şık üçte biri kadar olan kalınlığın veya çapın altında ışığın yayılması mümkün değildir. Işığın ince yapılardaki bilim ve teknolojisine entegre optikler, fiber optikler ve bazen da nanofotonikler ismi verilmektedir. Burada limit uzunluğu birkaç yüz nanometredir, dolayısıyla bazen nanoboyutların üzerinde kalabilmektedir.[10] Safsızlık: Eğer p bir atomun yerini bir safsızlığın alması ihtimali ise ve q=1-p ise n tane atom
içindeki k tane safsızlığın olma ihtimali: b(k; n, p) = (n/k).pk.qn-k Eğer n.p= m çarpımı ortalama bir büyüklüğe sahip ise (~1’e yakla şıyorsa), dağılım poisson yaklaşımının sadeleştirilerek binom dağılım haline getirilmesi şeklinde yapılabilir: b(k; n, p) ~ (mk /k!). e-m =p(k ; m) Böylece cihaz küçüldükçe, kusursuz olma ihtimali daha büyük olmu ş olur.[1] Mekanik özellikler: Nanomekanik cihazlar yüksek mukavemet dayanımlarına sahiptirler.
Özellikle yüksek vakumda kalite faktörü, geleneksel cihazlardakinden daha büyük de ğerlerde olabilir.[9]
18
3.2 Kuvvetler
Makro seviyelerde nesneler arasında çe şitli çekim kuvvetleri etki etmektedir. Yer çekimi kuvvet, elektrostatik kuvvet, mıknatıslanma özelliği gibi kuvvetler bu etkilere örnektirler. Bu kuvvetlerin büyüklükleri genel görelilik kuramına göre temel olarak; nesnelerin büyüklüklerine ve aralarındaki mesafeye ba ğlıdır. Örneğin bir cismin yerçekimi kuvveti, cismin kütlesine ve cismin yerin merkezine olan uzaklı ğına bağlıdır. Kütleler arasındaki çekim kuvvetiyle ilgili olarak Newton, günümüzde de geçerli olan Genel Çekim Yasası’nı bulmuştur. Bu yasaya göre, herhangi iki cisim birbirini, kütleleri çarpımıyla do ğru orantılı, kütle merkezlerini birleştiren uzaklığın karesiyle ters orantılı bir kuvvetle çeker.[9] Nanoölçekte ise yerçekimsel kuvvetler ihmal edilecek kadar zayıftır ve güçlü çekirdek kuvvetinin çekim menzili ise çok küçük oldu ğu için, çekirdek kuvveti de ihmal edilebilir. Ancak nanoboyutlarda temelinde elektrostatik olan çe şitli kuvvetler özel bir öneme sahip olmaktadır. Nötral atomlar ve moleküller arasında mevcut olan, uzun erimli ve çekici van der Waals kuvvetleri bu kuvvetlerden biridir. Van der Waals kuvvetleri nonaimalatın yapılabilmesi için son derece önemlidirler.[10] Casimir kuvveti: Yaklaşık 50 yıl önce fizikçi Hendrik Casimir tarafından ortaya atılan
casimir kuvveti de nanoölçülerde etken bir kuvvet olaca ğı düşünülmektedir. Hendrik casimir mikro-makinelerden birleşik doğa teorilerine kadar her şeyi etkileyebilen, bir vakumda (Vakum, bir kabın tüm parçacıklarının, içindeki gazın bo şaltılıp sıcaklığının mutlak sıfıra indirildiği durumdur) iki yüzey arasındaki çekme kuvveti olabilece ğini önerdi. Casimir’e göre vakum ortamında iki aynayı bir biriyle yüz yüze ve küçük aralıklı duruma getirirseniz, her iki ayna, basit vakum sonucu birbirini kar şılıklı olarak çekerler, iki ayna arasındaki bu çekim kuvveti Casimir kuvveti olarak, bu fenomen ise Casimir etkisi olarak bilinir.[13]
Şekil 3.4 İki ayna arasında bir bo şluk, dalgalar aynalar arasında yansır, casimir kuvveti[22]
19
Casimir kuvveti birkaç metre uzaklıktaki aynalar için son derece küçük olarak gözlenirken, uzaklık mikronluk düzeyde iken ölçülebilir basmaktadır . Örneğin, alanı 1 cm2 ve aradaki uzaklık 1 µm olan iki ayna yaklaşık 10-7N’luk bir Casimir kuvvetine sahiptir, ki bu kuvvet çapı yarım milimetre olan bir su damlasının ağırlığı kadardır. Bu kuvvet her ne kadar küçük gözükse de, bir mikrometrenin altındaki uzaklıklarda, iki nötr obje arasında çok güçlü olur. Gerçekten de, 10 nm (nanometre) aralıklı, tipik bir atom boyutunun yaklaşık 100 katı, Casimir etkisi 1 atmosfer basınsının e şdeğeri basınç üretir. Dolayısıyla nanoyapılı ölçekler ve mikroelektromekanik sistemlerde casimir kuvveti önemlidir.[22]
Bazı fizikçiler, nanoölçeklerde plakalar birbirine çok yakın yerle ştirildiğinde ve casimir etkisi kullanıldığında hiçlikten enerji elde edilebileceğini iddia etmektedirler.
Aralarındaki uzaklık d ve yüzey alanı A olan iki plaka arasındaki Casimir kuvveti: F=(πhc/480)(A/d4 ) bağıntısıyla hesaplanır. Burada: h = Planck sabiti ( 6,62.10 -34J.s ), c = ışığın boşluktaki hızı ( 3.108 m/s ) Bu küçük kuvvet, 1996 yılında Steven Lamoreaux tarafından %5 deneysel hata ile ölçülmüştür.[24]
Alan Radyasyon Basıncı: Her alan-vakum alanı bile-enerji taşır ve tüm elektromanyetik
alanlar uzayda yayılırken, akan bir nehrin etrafındaki ve önündeki şeylere basınç uyguladı ğı gibi, yüzeylere basınç uygular. Bu radyasyon basıncı ve elektromanyetik dalganın frekansı enerjinin artması ile artar. Casimir etkisindeki ayna örneğini tekrar ele alırsak, oyuk içindeki radyasyon basıncı, bir oyuk rezonans frekansında, dı ş kısımdakinden daha güçlüdür ve bundan dolayı aynalar bir birinden uza ğa itilirler.[13]
20
Rezonans dışında, tersine, oyuk içerisindeki radyasyon basıncı dı şarıdakinden daha küçüktür ve bundan dolayı aynalar birbirine do ğru çekilirler. Dolayısıyla nanoboyutlarda alan basınçları da önemli etkiye sahip olur gibi görünmektedir.[13]
3.3 Cihaz Performansı
Cihaz performansının analizi parametrelerin değişen cihaz boyutlarına göre nasıl ölçeklendiğini belirlemekle başlar: Alan(güç ve termal kayıplar) uzunluğun karesiyle; hacim ve kütle uzunlu ğun küpü ile; elektromanyetik kuvvet uzunlu ğun dördüncü dereceden üssü ile; do ğal frekans ise 1/uzunluk ile orantılıdır. Bu şekilde asıl sistemlerden çıkartılan daha çok türevsel terim sayılabilir. Bu veriler göz önünde bulundurularak cihazdaki boyut de ğişikliklerinin performansı nasıl değiştiği ve etkilediği hesaplanmış olur.[3] Nesneler çok küçük boyutlara gelince, muhatap olunan elemanların sayısı da azalmaya ba şlar. Kuantum bölgelere inildiğinde malzemeye ait bilgi taşınımında küçük sinyaller parazite kar şı oldukça hassa olmaya ba şlar ve son derece savunmasızdırlar. Dolayısıyla bilgi i şlemlerde bir mesajın tekrarlanması yoluyla bu problem çözülmeye çalı şılmaktadır. Nanoölçeklerde çalışılırken bu parazite durumlarının önemli problemler oluşturacağı ortadadır.[3] 3.3.1 Tasarım
Nanoteknolojinin en belirgin sonucu çok küçük parçaların icat edilmek istenmesidir. Bir başka ifadeyle nanoteknolojinin günlük yaşam için kullanılışlı hale gelebilmesi için nano nesnelerden çok sayıda olması gerekti ğidir. Eğer m göreli cihaz büyüklüğü ve M cihazların sayısı ise kullanışlılık için m.M~1’e ihtiyaç duyulur, bu şartın sağlanması için de 109 tane cihaz gerekecektir. Günümüzde elektronik devre elemanlarının tasarımı yakla şık 100nm boyutlarına kadar inilip yapılmakta olsa da kullanılabilir bir nanosistemin tasarlanması gerçekten sağlıklı bir şekilde nasıl yapılacaktır?[11]
21
Bu soruya cevap için birçok farklı tasarım ve imalat prosesi dü şünülmektedir. Buradaki problemin büyüklüğünü düşünmek için insan beynindeki nöronları ve çalı şmalarını ele alabiliriz; insan beyninde yaklaşık olarak 1011 tane nöron bulunmaktadır ve her nöron di ğer nöronlarla yüzlerce veya binlerce ba ğlantı yapabilmektedir. Dizayn edilecek nanosistemler bu mükemmelliklere ulaşabilecek mi? , düşündürücü bir durumdur. Makro boyutlardaki bir tasarımda bile birçok faktör göz önünde bulundurulurken, nanoölçeklerde çok daha karma şık algoritmaların kurulması söz konusudur.[11]
4 NANOÖLÇEKTE ÖLÇME ve İNCELEME YÖNTEMLER İ
Geliştirilen teknolojilerle; duyu organlarının algılama alanlarının genişletilmesi, sadece kızılötesi veya mor ötesi radyasyon kullanılarak görülebilecek renkleri, duyulamayacak kadar düşük veya yüksek bir alana ait sesleri ve parmaklarımızdaki sinirlerin hissedemeyeceği kadar küçük kuvvetleri de algılamamızı sağlar. Ancak duyu organlarımız içerisinde görme duyusunu hayatımızı kattığı değer açısından farklı bir yere koysak herhalde hata yapmı ş sayılmayız. Gözün bizzat görmesi birçok sorunu birincil derecede ortadan kaldırmaktadır. Bilim ve teknolojilerde de gizemleri ortadan kaldırmak, ilerlemeler kat etmek, daha derindekini, perdenin arkasındakini görebilmek için görüntüleme araçları üzerinde yo ğun bir şekilde, büyük mesailer harcanmı ştır. Dolayısıyla bilim adamlarına göre malzemenin içine
girmek, aşağıda olup bitenlere şahit olmak sadece teknik bir sorundan ibarettir ve atomları görüntülemek, gelişmeler için oldukça önemli bir durumdur. 4.1 Mikroskopların Tarihçesi
Yaşadığımız dünyada fiziksel olarak bir nesneyi görebilmek için gözlerimizin sa ğlıklı olması ile beraber, ışık gereklidir. Ancak daha a şağıları görebilme imkanı ise, ışık mikroskobu ile gerçekleştirilmiş oldu. Gözümüzün görme prensibi merceklerden olu şan bir sistemin çalışması şeklindedir. Bu durum küçük dünyaların görüntülerinin de tasarlanacak olan mercekler yardımıyla sağlanabileceği idi, ve gelişmeler sağlanıp küçük dünyaların ke şfi başlamıştı. Merceklerin gelişimi ve optikteki ilerlemeler küçüklerin dünyasına doğru atılan somut adımları sıklaştırdı. ilk defa Hollandalı Antonie Philips van Leeuwenhoek’un (1632 1723) yaptığı basit mikroskoplar yardımıyla aşağıda gördüklerini çizmesi, onu adeta başka bir dünyanın ilk ressamı yapmı ştı.[18] 22
Leeuwenhoek tasarladı ğı tek mercekli mikroskopla 270 kat büyütmeyi ba şarmıştı ve bu mikroskopla yaklaşık olarak 0,2 mikrometre boyutlarındaki yapıları görmek mümkün olmuştu. Ancak tıpkı gözümüzün görebildiğinin bir alt sınırının olduğu gibi, ışık mikroskoplarıyla da gördüklerimizden de küçük yapıların olabilece ği düşüncesi bilim insanlarını yeni arayı şlara sevk etti. Bu alt dünyaları görüntüleyebilmede ı şığın yeterli olamayacağını ve yeni yöntemlerin kullanılması gerektiğini araştırmacılar ortaya koymuştu.[17] Bu doğrultuda vakum, yüksek voltaj ve elektron ı şınlarının optik davranışları konusunda çalışmalar yapan Ernst Ruska (1906 – 1988) ilk defa ı şık olmadan daha da küçüklerin dünyasını görebileceğimiz bir yöntem geliştirdi. Ruska ışık yerine daha küçük dalga boylarına sahip elektronları kullanarak görüntü elde etmeyi ba şarmıştı. O zamana kadar elektronlar üzerinde yapılan araştırmalar elektronların(katot ışınlarının) manyetik alan tarafından saptırılabileceği veya bu ışınların yine manyetik alan tarafından odaklanabilece ği tespit edilmişti.[17] Ruska mercklerin ışığı odaklayarak görüntü verdi ği gibi, manyetik alanların da elektronları odaklayarak görüntü verece ğini düşündü. Bu düşünceden yola çıkan Ruska ve arkada şı Max Knoll (1897 - 1969) 1933’te elektron mikroskobunun ilk örne ğini yapmayı başardılar. Elektron mikroskobu ile ışık mikroskobunun verdiği iki boyutlu görüntünün yanında, üç boyutlu görüntüyü de sa ğlamıştı. Elektron mikroskoplarıyla elde edilen görüntülerin çözünürlüklerinin yüksek olması için elektron demetinin incelenecek malzeme üzerine yüksek hızlarla gönderilmesi gerekiyordu. Hızlandırılan elektronlar incelenen malzemenin ya içinden geçiriliyor ya da yüzeyinden yansıtılarak görüntü elde ediliyordu.[17] Elektron demetinin incelenen malzemenin yüzeyinden yansıtılarak görüntünün elde edildi ği mikroskoplar taramalı elektron mikroskobu (SEM-Scanning Electron Microscope), demetin malzemenin içinden geçirildiği mikroskoplar ise geçirmeli elektron mikroskobu (TEMTransmission Electron Microscope), olarak adlandırıldı.[16]
23
Şekil 4.1 TEM ve SEM çalı şması prensibi[18]
Max Knoll 1935’te ilk defa taramalı elektron mikroskobu(SEM) ile üç boyutlu görüntüyü elde etmeyi başardı. Üretilen ilk elektron mikroskobu, elektronların yüksek hızlara eri şmesini sağlamak için devasa boyutlarda idi.[8]
Şekil 4.2 İlk taramalı elektron mikroskobu(SEM)[18]
24
4.2 Nano Dünyanın Görüntülenmesi
Malzemeler üzerinde inceleme yapmak, deneyler tertip etmek, hesaplamalar olu şturmak; temelde görüntüleme yaparak görmek ile ilgili bir durumdur. Bu yüzden en çok, nano malzemelerin naometre hassaslığında nasıl görüntülenebilceği üzerinde duracağız. Lenslerdeki gelişim ve mikroskop tasarımındaki diğer yenilikler sayesinde yakla şık olarak 2000 kat büyütme sa ğlanmış durumdadır. Bununla beraber, çok hassas de ğerler (100 nm civarındaki büyüklüklere sahip nesneler) sadece mikroskoplar aracılı ğıyla dikkatli bir şekilde çalışıldığında görüntülenebilmektedir.[16]
Işıkla görüntü elde eden klasik bir mikroskobun uzaysal çözünürlük gücü ∆x, ışığın dalga özelliğinden dolayı ana bir sınırla karşılaşır. ∆x= λ /2(Y.A.)
Burada λ aydınlatan ışığın dalga boyudur ve Y.A. ise mikroskop yo ğunlaştırıcısının açıklığının sayısal ifadesidir. Bu problemi çözmek için;
Işığın dalga boyu azaltılabilir Uzak alandan ziyade yakın alanda çalı şılabilir Direk görüntelemeden vazgeçebilir
Ancak, kuantum mekani ğinin verilerine göre ışığın dalga ve parçacık özelliklerini beraber yorumlayan de Broglie bağıntısıdır: λ =h/p
Burada λ momentumu p= m.v olan bir parçacı ğın dalga boyu, m ve v sırasıyla kütlesi ve hızı h sayısal değeri 6,63x10-34 olan Planck sabitidir. Kütle ve hızı biliyorsak dalga boyunu hesaplayabiliriz.[16]
25
Işık ile görüntü veren mikroskopların çözünürlükleri her ne kadar dalga boyunu azaltarak veya yakın alanda çalı şarak arttırılmaya çalışılsa da, daha aşağı ölçeklerde nano boyutlarda görüntü elde etmek geli ştirilen elektron mikroskopları ile mümkün olabilmektedir. Elektron, belli bir kütlesi (me = 9,11x10-31kg) ve elektrostatik bir yükü (e) olan bir parçacık olarak bilinmektedir. Elektrikten, zıt yüklerin birbirine çekim kuvveti uyguladı ğını biliyoruz, bu yüzden elektron istenen hıza, bir elektrik alanının üzerine uygulanmasıyla ula ştırabilir. Yani manyetik alan yardımı ile elektron demeti odaklanabilir ve bu sayede üç boyutlu görüntü elde edilebilir.[16] Boyut Büyütme: Malzemeden istenen performansı insan kullanımına uygun hale getirecek şekilde boyutları büyütmek büyük bir paralelleştirme meselesidir. Örneğin bilgi işleyicilerde
problem kullanıcı ara yüzündedir; bir görüntü ekranı, kullanı şlı miktarda bilgiyi gösterecek kadar büyük olmalıdır, komutları girmek için klavye olmalıdır ve veri insan parmakları için yeterince büyük olmalıdır. Nano uygulamalarda da görülebilir net bir sonuç için boyut büyütme işlemi gerçekleştirilmektedir.[1] Şimdi nano ölçeklerde görüntü elde edilebilecek elektron mikroskopları ve bu
mikroskoplardan edinilen görüntüler üzerinde duraca ğız:
4.2.1 Elektron Mikroskopları
Işık ile görüntü veren mikroskoplarda, bir cisimdeki ayrıntıları görmede kullanılan ı şığın dalga boyunun sınırlayıcı etmen oldu ğunu, modern opti ğin kurucularından Ernst Karl Abbe(1840 – 1905) tarafından ileri sürüldü. Oysa daha a şağıda başka dünyaların olduğu düşüncesi çok sa ğlamdı ve ileride kanıtlanacaktı. İşte bu kanıt; ışık yerine elektron demetlerinin numune parçaya gönderilmesi sonucu görüntü elde etmeyle ortaya çıktı. Temel işleyiş mantığı ışık mikroskobuna benzeyen bu yeni mikroskoplarda, görünür ı şıktan çok, daha küçük dalga boylu elektron ı şınlarıyla görüntü elde edilecekti. Elektron gönderme işlemleri, saçılma yöntemleri olarak bilinmektedir.[18]
26
Bu yöntemde elektronlar veya fotonlar malzeme ile çarptırılarak malzeme hakkında görüntü elde edilir. Görüntüleme işlemi elektronların veya fotonların(x-ışnları) saçılmalarıyla sağlanmaktadır. İncelemelerde farklı saçılma yöntemleri kullanılmaktadır. Saçılma yöntemi ile kristal yapılı malzemelerin tabakaları arasındaki mesafe hassas bir şekilde ölçülür. Hassasiyet derecesi nanometrenin onda biri seviyelerindedir. [17] Saçılma yöntemlerinde elektron-malzeme çarpışması söz konusu oldu ğundan dolayı bu çarpışmalar hakkında önce bazı fiziksel olaylardan bahsetmek faydalı olacaktır. Bir elektron demeti bir malzemeye ile çarpı ştığı zaman; bazı radyasyon(ışınlar) ve elektronlar yayar. Bu elektron ve ışınları şöyle sınıflayabiliriz; X-ışınları: Malzeme atomlarının iç kabuk elektronlarının geçi şleri sonucunda meydana gelen
ışınlardır ve malzeme atomlarının cinsleri ve bileşimleri hakkında bilgi verir. X-ışınları yüksek enerjili elektronların yavaşlatılması veya atomların iç yörüngelerindeki elektron geçişleri ile meydana gelen, dalga boyları 0.1-100Å arasında de ğişen elektromanyetik dalgalardır. X-ışınları, görünür ışıktan çok daha kısa dalga boylarına sahiptirler. X-ışınlarını 1895'te Röntgen isimli Alman makine mühendisi bulmuştur. Röntgen; bir Crooks tüpünü indüksiyon bobinine ba ğlayarak, tüpten yüksek gerilimli elektrik akımı geçirdi ğinde, tüpten oldukça uzakta durmakta olan cam bir kavanoz içindeki baryumlu platinsiyanür kristallerinde bir takım pırıltıların oluştuğunu gözlemiş; bu tür pırıltılara neden olan ışınlara, o ana kadar bilinmemesinden dolayı "X-ışınları" adını vermiştir.[13] Katot Işımaları: Malzeme atomlarının dış kabuk(valans) elektronlarının, geçi şleri sonucunda
oluşan ışınlardır, malzeme atomlarının elektronik yapısı hakkında bilgi verir. Katot Işınları çok düşük basınçlı bir cam borunun içindeki katottan dik olarak çıkan elektronlar. Katot ışınları gözle görülmez, katot karşısına konan bir fluoresans camında ı şıklı noktalar meydana getirirler. Katot ı şınlarının, elektrik alanı vasıtası ile saptırılması, yüklü parçacıklar olduğunu; yalıtılmış bir levhada birikmeleri sonucu levhanın negatif elektrikle yüklenmesi de, taşıdıkları yükün negatif olduğunu gösterir. [13] 27
Auger Elektronları: Malzeme atomlarının iç kabuklarından gelen elektronlardır, malzeme
atomlarının bileşimi hakkında bilgi verir. Geri Saçılan Elektronlar(backscattered electrons): Elektron demetine ait elektronlardır,
Malzeme atomları ve yüzey yapısı hakkında bilgi verir. Geri saçılan elektronlar ile elde edilen görüntüler, incelenen numunedeki atomların atom numaraları hakkında bilgi verir. Atomik numarası küçük olan elementler daha az sayıda elastik elektron yansıtır(düşük parlaklık) ve atom numarası büyüdükçe elastik bir şekilde yansıtılan elektronların sayısı artar (yüksek parlaklık). Atom numarasına bağlı olarak ortaya çıkan bu durum SEM foto ğrafında bir kontrast meydana getirir. [13] İkincil Elektronlar(secondary electron image): Malzeme atomlarından gelen elektronlardır,
malzeme yüzeyi hakkında bilgi verir. ikincil elektronlar düşük enerjili elektronlardır. Detektöre 100-300V arasında bir pozitif voltaj uygulanması ile kolaylıkla toplanabilirler. Bu yolla ikincil elektronların %50-100 arasındaki kısmı toplanabilir. Böylece incelenen bölgenin 3 boyutlu görüntüsü elde edilmi ş olur. Çukurda kalan bölgelerden kaynaklanan ikincil elektronlar sayısı, tümseklerden kaynaklanan elektronların sayısından farklıdır. Bundan dolayı fotoğrafta değişik bölgeler için kontrast görülür. [25]
Şekil 4.3 Elektron-madde çarpı şması sonucu meydana gelen olaylar[16]
28
4.2.1.1 Taramalı Elektron Mikroskobu (Scanning Elektron Microscope - SEM)
Temel olarak Taramalı elektron mikroskobu, mikroskobu, Tungsten, Lantan hekza hekza borit katottan veya alan emisyonlu (FEG) gun’dan ortaya çıkan elektronların, incelenecek malzeme yüzeyine gönderilmesi sonucu olu şan etkileşmelerden yararlanılması esasına dayanır. SEM’ler genel olarak bu elektron enerjisi 200-300 eV dan 100 keV a kadar de ğişebilir. Bu amaçla, yoğunlaştırıcı elektromanyetik mercekle (condenser lense) toplanan, objektif mercekle odaklanan elektron demeti, demeti, yine elektromanyetik elektromanyetik saptırıcı bobinlerle örnek yüzeyinde tarama i şlemini (scanning) gerçekleştir. Bir taramalı elektron mikroskobunda görüntü oluşumu temel olarak; elektron demetinin incelenen örne ğin yüzeyi ile yaptığı fiziksel etkileşmelerin (elastik, elastik olmayan çarpışmalar ve diğerleri) sonucunda ortaya çıkan sinyallerin toplanması ve incelenmesi prensibine dayanır. [17]
Bunlardan ilki, gelen elektron demetindeki elektronların, malzemedeki atomlarla yapmı ş olduğu elastik olmayan çarpı şma sonucu (yani, örnek yüzeyindeki atomlardaki elektronlara enerjilerini transfer ederek) ortaya çıkan ikincil elektronlardır (secondary electrons). Bu elektronlar numune yüzeyinin yakla şık 10 nm’lik bir derinliğinden ortaya çıkarlar ve bunların tipik enerjileri en fazla 50 eV civarındadır. İkincil elektronlar foto çoğaltıcı tüp yardımıyla toplanıp, örneğin tarama sinyali konumuyla ilişkilendirilerek yüzey görüntüsü elde edilir. [17]
29
Şekil 4.4 Taramalı elektron mikroskobunun mi kroskobunun şematik gösterimi[16]
Elektron demeti ile incelenen numune yüzeyindeki malzeme, arasındaki etkile şmede ortaya çıkan diğer bir elektron grubu ise geri saçılma elektronları (backscattered electrons) adı verilen elektronlardır, bu elektronlar, yüzeye gelen elektron demeti ile yakla şık 1800 açı yapacak biçimde saçılırlar. Geri saçılma elektronları, yüzeyin derin bölgelerinden (yakla şık 300 nm’ye kadar) gelen daha yüksek enerjili elektronlardır. Bu enerjideki elektronlar bir foto çoğaltıcı tüp tarafından tespit edilemeyecek kadar yüksek enerjiye sahip olduklarından, genellikle quadrant foto dedektörlerle (yani katıhal dedektörleri) yardımıyla tespit edilir. [13] Gelen elektron demetinin incelenen numune yüzeyi ile yapmı ş olduğu di ğer bir etkileşme ise (yaklaşık 1000 nm derinlik civarında), karakteristik X-ı şınlarının çıktığı durumdur (enerjileri keV mertebesindedir). Buna göre örneğe çarpan elektron, örnekteki atomun iç yörüngesinden bir elektron kopmasına neden olunca, enerji dengelenmesi dengelenmesi gere ği bir üst yörüngedeki elektron bu seviyeye geçer ve geçerken de ortama bir X ı şını yayar ve buna da karateristik X ı şını adı verilir. Bu X ışını mesela 10 mm çapındaki bir Si (Li) dedektörle algılanır, ortaya çıkan sinyal yükselticiye, oradan çok kanallı analizöre ve daha sonra da SEM sisteminin bilgisayarına gönderilir. 30
Sonuçta ortaya çıkan karakteristik X ışını (ki bu ışının enerjisi her atoma özeldir), SEM’de, incelenen malzemenin element bakımından muhtevasının nitel ve nicel olarak tespit edilmesine yardımcı olur.
aikincil elektronlardan elde edilen görüntü, b- Gerisaçılan G erisaçılan elektronlardan elde edilen görüntü Şekil 4.5 Kursun-Kalay alaşımı. Geri saçılan elektronların kullanıldığı fotoğrafta beyaz
bölgeler Kurşun konsantrasyonunun yüksek oldu ğu bölgelerdir. (SEM görüntüleri)[12] Elektron demeti ile incelenecek malzemenin olu şturduğu düzenek vakumlu bir ortamda bulunmalıdır, çünkü elektronların içinden geçti ği boşluğun içinde ve numunenin etrafında gaz molekülleri kalırsa, elektronların saçılmalarına yol açarlar. Hızlı hareket eden elektronlar tarafından iyonla ştırılarak numunenin görüntüsünü bozarlar. Bunun için düzene ğin hassas bir vakum ortamında olması şarttır.[2]
Şekil 4.6 a. Nanofiberlerin SEM görüntüsü, bir çubu ğun uzunluğu = 1000 nm.(Sheikh akbar
Ph. D. , Purdue University, 1985) [11]
31
Taramalı elektron mikroskobu ile iletken malzemelerin incelenmesi gerçekle ştirilir. İletken numune ayrıca topraklanarak tarama işlemi gerçekleştirilir. Özellikle ağır atomlardan oluşmuş malzeme yüzeyleri bu yöntemle çok iyi görüntülenebilir(altın yüzeyi v.b), hafif atomlardan oluşmuş malzeme görüntüleri pek hassas sonuç vermez.
Şekil 4.7 Nikel nanotel SEM görüntüsü [34]
Elektron-malzeme çarptırılması yönteminde elektron demeti ne kadar hassas olursa elde edilecek görüntü de o derece hassas olur. Dolayısıyla çok dar bir bölgede olu şturulan elektron demeti (1nm civarında) ile çok hassas görüntü elde edilebilir. Ayrıca elde edilecek görüntünün hassas bir şekilde alınabilmesi için; malzeme yüzeyinin çok temiz olması, elektron demetindeki elektronların enerjisi kontrol altında olmalı ve hatta vakum sistemindeki kirlilik bile görüntünün bozulmasına neden olabilir. Dolayısıyla bu faktörler hep hassas bir şekilde ayarlanmalıdır.[16]
32
4.2.2 Transmission Elektron Mikroskobu (TEM)
Geçirmeli elektron mikroskobu (GEM) diye de isimlendirilen TEM 19382’de ilk defa ticari olarak Siemens tarafından üretildi. Transmission elektron mikroskobu, atom seviyesinde görüntü elde edebilen hassas bir yöntem ve cihazdır. Bu yöntemin ‘‘taramalı elektron mikroskobu(SEM)’’ yönteminden farkı, TEM’de elektron demetinin numune malzemenin içinden geçerek yol almasıdır. Elektron demeti kaynaktan yayıldıktan sonra mercekler aracılığı ile numuneye odaklanır. Numuneye gelen elektron demeti malzemenin içinden geçerek malzemenin yapısı ile ilgili görüntü oluştururlar. [18] Bu mikroskopta elektron demeti incelenmek istenen numunenin içinden geçirildi ğinden, numunenin çok ince olması gerekiyor. İncelenen malzeme çok ince oldu ğu zaman da malzemenin temel özelliklerini yansıtmayabiliyordu. Bununla birlikte bir ba şka sorun da numuneden geçen elektron demetinin çok kısa bir sürede so ğruluyor olmasıydı. Bu sorunların çözümü için yüksek voltajlı elektron mikroskopları yapıldı. 1959’da G. Duppoy ve arkadaşları ilk yüksek voltajlı elektron mikroskobunu tasarladılar. Bu mikroskoplarda istenilen kalitede görüntü elde edilebilmesi için çok yüksek gerilimler(1-3 milyon volt gibi) kullanılmaktaydı. [18] Bu yöntemde kullanılan elektron demetindeki elektronların enerjisi 100 ~ 500 kilovolt civarlarında değişir. Yüksek enerjili elektron demeti, birtakım manyetik mercek sistemlerinden geçtikten sonra numune üzerine odaklanır, malzemeden geçtikten sonra yine manyetik mercek sistemlerinden geçer ve ekrana yansıtılır. TEM’in yapısı şematik olarak şekilde gösterilmiştir. Şekil 4.8.’de gösterilmiştir.[18]
Geçirmeli elektron mikroskobunda elektronların, numunenin içinden geçip gidebilmesi için malzeme kalınlığı birkaç yüz nm’yi geçmemelidir. Dolayısıyla TEM görüntüsü alınacak numuneler özenle hazırlanmalıdır. TEM mikroskobu günümüzde kullanılan en güçlü elektron mikroskobudur. Kolay bir kullanımının yanında görüntüleme kararlılığı ve 100 ~ 500 kilovolt faz aralı ğı ile birçok araştırma laboratuarının birinci tercihidir. Cihaz 0.14 nanometreye kadar gösterim gücüne sahiptir. Bu yöntemde elektronların da ğılımına bakılarak malzemenin manyetik yapısı hakkında bilgi edinilir. [17] 33
Şekil 4.8 TEM’in çalışma prensibi[35]
Şekil 4.9 TEM nanofiber görüntüsü, ölçü = 200 nm.( Sheikh akbar Ph.D., Purdue University,
1985)[35]
34
Şekil 4.10 Kolojen(protein) fiberleri, TEM[34]
TEM’in elektron enerjisi kaybına göre veri elde eden spektroskopi yöntemi ve mikroskopta numuneden geçip giden elektronların da ğılımına bakarak numunenin manyetik yapısı hakkında bilgi veren Lorenz yöntemleri vardır.
Şekil 4.11 FEI firmasının ürettiği TEM[23]
35
4.3 Taramalı Sonda Mikroskobu
Taramalı sonda mikroskobu, sonda adı verilen i ğne şeklinde bir ucun tarama yapabilen piezoelektrik bir kola tutturulması ile moleküler ölçeklerde görüntü elde eden yöntemdir. Sonda uç, numunenin yüzeyine çok yakın bir mesafede yüzeyi tarayarak görüntü verir. Taramalı sonda mikroskobu, iki farklı yöntem şekilde uygulanmaktadır. Bunlardan biri taramalı tünellemeli mikroskop, diğeri ise atomik kuvvet mikroskobudur. Taramalı sonda mikroskopları yardımı ile gerçek manada göremeyeceğimiz atomların nasıl dizildikleri hakkında resim elde ederiz.[17] 4.3.1 Taramalı Tünelleli Mikroskop (Scannig Tunneling Microscope- STM)
Geliştirilen teknolojilerle beraber yakın zamanda tasarlanan tarama mikroskobudur. G.Binnig ve H.Rohrer tarafından 1981'de bulundu. STM yanal çözünürlü ğü 0.1 nm, derinlik çözünürlüğü 0.01 nm çözünürlükle işlem yapar. Bu yöntemde piezoelektronik uç kullanıldı ğı için önce bir cisim ne zaman piezoelektronik olur onu belirtelim; cismin uçlarına stres uygulandığı zaman, elektrik yükleri oluşuyorsa; ya da cisim elektrik alanına sokuldu ğu zaman, cisim üzerinde bir stres oluşturulabiliyorsa bu cisim piezoelektroniktir denilir.[16]
Piezoelektronik uç uygulanan voltaja göre uzayıp, kısalabilir. Yöntem sadece iletken yüzeylerde kullanılabildiği için(çünkü ölçüm akım varlığında oluyor), taranan yüzey çok temiz olmalıdır. İletken uç ile iletken numune yüzeyi arasında yakla şık 1 Voltluk bir ön gerilim uygulanır. Sivri uç, olabildiğince sivri olmalıdır. Tarama yapıldığı için, tarama işlemleri yavaştır. Aynı zamanda elde edilebilecek maksimum görüntü büyüklü ğü de küçük olmaktadır.[23]
36
Şekil 4.12 STM’nin Şematik gösterimi[23]
Taramalı tünellemeli mikroskop ile, geribildirim mekanizması sayesinde sivri ucun sübstratla arasındaki mesafenin değişmemesi sağlanır. Uç mesafeyi korumak için yukarı çıkarsa, bu bilgi sayesinde bölgede bir tümseklik oldu ğunu anlaşılmış olur. Yine aynı şekilde, uç aşağı inerse çukur, sabit kalırsa düz bir yüzey oldu ğu bilgisini verir. [17]
STM yönteminde kuantum mekaniğine göre; normalde bir parçacık potansiyeli yüksek bir engeli aşamazken (mesela top duvarın içinden geçemez), kuantum fizi ğine göre bu durum mümkündür. İşte bu geçebilme özelliği tünelleme olarak adlandırılıyor.[23]
37
Tünelleme ile sivri uç ve yüzey arasında bir akım geçi şi meydana gelerek yüzey atomları hakkında bilgi edinilir. Kullanılan piezoelektrik sivri uç olarak, genellikle volfram ya da platinyum-iridyum kullanılır. Yakın zamanda karbon nanotüpler de uç olarak kullanılmaya başlanmıştır.[1]
Şekil 4.13 Volframdan yapılmış bir sivri uç[23]
STM’de sivri piezoelektrik uç, bir tünelleme etkisinin gözlemlenebileceği mesafeye kadar incelenecek numune yüzeyine yakla ştırılır. Tünelleme sağlanınca, sivri uçla yüzey taranır. Ucun yüzeye olan uzaklı ğının, konuma göre fonksiyonu çizilirse topografik bir görüntü elde edilmiş olur. Uç ile yüzey arası mesafe, aralarına voltaj uygulandı ğı zaman oluşan elektrik tünelleme akımı sayesinde ölçülür.[23]
Şekil 4.14 Sabit akım veya sabit yüksekliğe göre STM[23]
38
Sabit akımda uç ile yüzey arası mesafe sabittir. Bu ise geribildirim sistemi sayesinde sa ğlanır. Sabit yükseklikte ise geribildirim mekanizması yoktur. Sivri uç ilk başta belirlenen yükseklikte bütün yüzeyi tarar ve tünelleme akımını ölçer. Akımdaki de ğişime göre yüzeyin topografik görüntüsü çıkarılır. Akım azalırsa, demek ki uç ile yüzey arası mesafe artmı ştır, o zaman yüzeyin bu kısmı çukurdur. Benzer şekilde, akımın arttığı yerde yükseklik vardır. Ancak sabit yükseklikte, sivri uç yüksek bir bölgeye geldi ği zaman, yüzeyi zedeleyebilir. Fakat, sabit yükseklikte elde edilen görüntülerin çözünürlü ğü yüksektir ve daha hızlıdır. O yüzden, yüzey ba şta sabit akım modunda tarandıktan sonra bir de sabit mesafe modunda taranırsa daha güzel görüntüler elde edilebilir. Başta sabit akımla taramamızın nedeni, sivri ucun yüzeye zarar vermesini engellemektir. Sabit akımla taradıktan sonra, uç ile yüzey arasındaki mesafeyi, yüzeye zarar vermeyecek şekilde ayarlayabiliriz.[16]
STM sayesinde numune malzemelerde, bölgenin elektronik durumu hakkında bilgi edinilir, Yüzey pürüzlülüğü ölçülebilir ve metal yüzeylerin üç boyutlu görüntülerini elde edilir. Ancak mikroskop düzeneğinin vakumlu ortamda olması gerekirken, ölçümler de dü şük sıcaklıkta yapılmaktadır.(Helyum gazı sıcaklığında ~ 4.2 Kelvin) [16] Taramalı tünellemeli mikroskop yönteminin de birkaç çe şidi vardır. Bir tanesi polarize spinli taramalı tünellemli mikroskop türüdür. Bu yöntemde mıknatıslı uç kullanılarak manyetik yüzeylerin incelenmesi yapılabilir. Diğer bir çeşidi de balistik elektron yayınlayan mikroskop türüdür. Bu yöntemde numune katkılı yarıiletken ince film ise, uç ile numune arasında balistik elektron akımı oluşturur. Balistik elektronlar saçılma olmadan ilerleyen elektronlardır. Böylece balistik elektron akımı ölçümü ile numune içindeki saçılma olayları hakkında bilgi edinilmektedir.[1] 4.3.2 Atomik Kuvvet Mikroskobu (Atomic Force Microskope-AFM)
Taramalı sonda mikroskobunun bir di ğer uygulama yöntemi de AFM’dir. Bu mikroskoba taramalı kuvvet mikroskobu da denilmektedir. 1980'lerde geli ştirilen atomik kuvvet mikroskobu, göreli olarak kolay kullanımı, üzerinde çalı şılan numunelere zarar vermemesi gibi avantajlarıyla sıkça tercih edilmektedir. [2]
39
Atomik boyutlara kadar sivriltilmiş bir iğne ucu yardımıyla, yüzeyin yüksek çözünürlükte, üç boyutlu görüntülenmesi sağlanır. Görüntüleme, iğne ucunun yüzey ile etkile şiminin incelenmesi sonucunda gerçekle ştirilir. Değişik amaçlar için farklı iğne uçları kullanılır.
Taramalı alan mikroskobunda üç farklı teknik kullanabilmektedir. Bunlar; i ğnenin yüzeye temas ettirilerek uygulandığı temas yöntemi(çekici mod), iğnenin yüzeye temas etmedi ği temassız
yöntem(itici
mod)
ve
iğnenin yüzeye vurularak uygulandı ğı
vurma
yöntemidir(tıklatma modu). Örnek yüzeylerinin görüntülenmesi yanı sıra faz, elektrik iletkenlik ve manyetik farklılıklar da saptanabilmektedir. Çözünürlük yüksek. Atomik seviyede görüntüler bu modda elde edilir.[18]
Şekil 4.15 AFM tarama ucu(Özgür ŞAHİN Stanford Üniversitesi/California)[35]
Atomik kuvvet mikroskobu, uç ile yüzey atomları arasında olu şan kuvvetlere göre yüzey hakkında görüntü verir. Uç bir destek koluna ba ğlıdır. Atomik kuvvetteki kastımız, kullanılan ucun en uç atomu ile numune yüzeyindeki atom arasında olu şan kuvvettir. Uç genellikle silikon, silikon oksit, silikon nitrit malzemelerinden üretilmektedir. Üretiminde fotolitografik teknikler kullanılır. [17]
40
Şekil 4.16 AFM ucuna lazerle kuvvet uygulama[35]
Atomik kuvvet mikroskobunun bir di ğer uygulanma yönteminde ise ucu taşıyan kolun üstü bir metal kaplama yardımı ile ayna özelliği kazandırılır ve kol’a bir lazer kaynağından lazer demeti gönderilerek kol’a kuvvet uygulanır(kilogramın trilyonda biri kadar kuvvet). Uygulanan kuvvete göre kolda e ğilme meydana gelir. Eğilme miktarına göre atomik kuvvet ölçülür. Koldan yansıyan demetler iki fotodiyottan olu şan bir sisteme çarpar. Eğer kolun konumu değişmiş ise bir diyot daha fazla akım üretir, akımdaki bu de ğişime göre koldaki sapma değeri belirlenmiş olur.[18]
Taramalı tünellemeli mikroskopta değindiğimiz sabit yükseklik veya sabit kuvvet durumu Atomik kuvvet mikroskobunda da uygulanmaktadır. Birinci durumda mesafeler sabit tutulurken, geri bildirim sistemi ile kuvvet de ğişimleri tespit edilir. Sabit kuvvet durumunda ise kuvvet sabit olup mesafe değişikliklerine göre yüzey atomları hakkında bilgi edinilir.[35] Standford Üniversitesinde çalışmalar yapan Dr. Özgür Şahin atomik kuvvet mikroskop üzerindeki çalışmalarında şu yeniliği ortaya koymuştur; geliştirmiş olduğu yönteme göre tarama yapan sivri ucu taşıyan kol küçük titreşimlerle hassas bir şekilde yüksek frekanslarda titreşime maruz bırakılıyor. 41
Her salınışta kol yüzeye hafifçe çarpar. Yöntemde kol saniyede yüzbinlerce kez salınacak hassasiyettedir, ve kol yüzeye hiçbir zarar vermemektedir.[35]
Üretilen bu hassas kol sayesinde numunenin yüzeyinin mekanik ve kimyasal özellikleri kol üzerinde büyük sayılarda titreşimlere sebep olduğu görüldü. Fakat bu titreşimlerin çok cılız olduğunu fark eden Şahin, kolun üstünde yapılacak küçük bir de ğişiklikle, bu titreşimlerin 1.000 kat daha etkili hale gelebilece ğini bulunca, yeni tasarıma dayanan bu küçük kolları(cetvelleri) üretti ve yaptığı deneyler, bu yüksek frekanslı titre şimlerin gerçekten de yüzeydeki moleküllerin kimyasal yapısına ili şkin bilgiler taşıdığını gösterdi.[36]
Bu yöntem, sivri ucun yüzeye vurup geri çekilmeye ba şlaması sırasında geçen sürenin ölçülmesi ile veri elde edilmesine dayanıyor. Malzemelerin sertlik ve yumuşaklıkları; malzemelerin kimyasal yapılarındaki farklılıklardan kaynaklanmaktadır. Dolayısıyla incelenene yüzeyin sertlik veya yumu şaklığına göre yüzey malzemesinin kimyasal yapısı hakkında bilgi elde edilir. Örneğin ucun temas ettiği yüzey sert bir yüzeyse uç hemen geri dönüyor ve geçen süre çok az oluyor, ama ucun temas etti ği yüzey yumuşak bir yüzey ise uç daha fazla batıp öyle çıkıyor ve bu esnada tabiî ki daha fazla zaman geçirmi ş oluyor. İşlemdeki zaman farkları saniyenin milyarda bir seviyelerindedir. Bu zaman farkları kolun
üstündeki yüksek frekanslı titreşimler aracılığıyla ölçülebiliyor.[36] Atomik kuvvet mikroskoplarının bazı farklı uygulanma yöntemleri: Manyetik kuvvet mikroskobu: Yüzeyin manyetikliği hakkında bilgi elde etmek için
mıknatıslı sonda kullanılarak yüzeyin taranması i şlemidir. Elektrostatik kuvvet mikroskobu: Bu yöntemde de anlaşılacağı üzere mıknatıslı uç
kullanılarak, uç ile yüzey arasında gerilim meydana getirilir ve bu sayede numune yüzeyinin potansiyel görüntüsü hakkında bilgi elde edilmi ş olur. Kimyasal kuvvet mikroskobu: Yüzeyin kimyasal tepkimeleri hakkında bilgi sahibi olmak
için mikroskop sondasına bir takım moleküller tutturularak, sonda ile yüzey arasında etkileşim sağlanmış olur. Bu etkileşim sayesinde veri elde edilmiş olur.[16] 42
Manyetik rezonans kuvvet mikroskobu: Numunenin yüzeyindeki polarize çekirdek
spinlerini tespit etmek için bu yöntem kullanılır. Çalışma prensibi; Titreşen mıknatıslı kol ile çekirdek spinlerinin rezonansa gelmesi ilkesine dayanır.
Şekil 4.17 Nanoyüzük[21]
Nanoyüzük: atomik kuvvet mikroskop ucu kullanılarak 2 boyutlu elektron gazının (2DEG)
yerel anot oksitlenmesi sonucu olu şan 4 terminalli bir nanoyüzük. Yükselmi ş beyaz çizgiler 2DEG'i ihtiva eden heterojen bir yapı olan GaAlAs yüzeyindeki oksitleri temsil ediyor. Bu oksit çizgilerinin yükseklikleri ortalama 15 nm ve yüzeyin içine do ğru giriyor ve elektron gazının orada hendekler olu şturuyor. Yüzüğün çapı yaklaşık 1 mikron. (Dr Andreas Fuhrer, Prof. Ensslin Nanofizik GrubuETH Zürih/ İsviçre)[24]
43
Şekil 4.18 AFM ile tasarlanan en küçük Türk bayra ğı
Bilkent Üniversitesi Fen Fakültesi, Fizik Bölümü ve DPT destekli Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezinde, Dr.Ahmet Oral liderliğinde Münir Dede Özgür Karcı Özge Girişen Hülya Ayan Mehrdad Atabak ve Sevil Özer'den oluşan araştırma grubu daha ikinci denemelerinde çizgileri 100 nanometre geni şliğinde ve 2 nanometre yüksekli ğinde olan dünyanın en küçük Nano-Türk Bayra ğını çizmeyi başardılar. Araştırma görevlileri silikon bir çipi tuval olarak kullanarak yüzeyi kendi geliştirdikleri çok hassas mikroskop ile tararken atomik düzeyde sivriltilmiş bir iğneden voltaj darbeleri gönderip silikon yonganın oksitlenmesini sağladılar. Nano-Bayrağın yüksekliği yaklaşık olarak 10 atomik tabaka silikon oksitten oluşmaktadır.[4]
4.4 Yakın Alan Taramalı Optik Mikroskop
Optik mikroskoplarından sonra geliştirilen ilk yöntem, yakın alan taramalı optik mikroskobudur. Yakın alan taramalı mikroskopta numune yüzeyine gönderilen ı şık dalgalarına göre numune hakkında görüntü elde edilir. Bu yöntemde nano ölçeklerde hassas bir şekilde bilgilerin elde edilmesi için şerit şekline getirilmiş optik fiberle(~ 100nm kalınlığında) atomik kuvvet mikroskoplarının çalışma prensibine benzer şekilde yüzeyde gezdirilerek tarama yapılır.[16]
44
İşlem esnasında yüzeyin fiberden gelen ı şınlara tepkisi fiber uç boyutları ölçüsündeki
hassasiyette görüntülenerek yüzey hakkında veri elde edilir. Yöntemde kullanılan optik fiber ne kadar hassas olursa elde edilecek bilgiler de o derece hassas olmaktadır.[18] 4.5 Nanomanyetik Algılama
Nano ebattaki malzemelerin manyetik özelliklerini belirlemek için atomik kuvvet mikroskoplarındaki manyetik kuvvet mikroskobu ve manyetik rezonans kuvvet mikroskoplarının yanında iki ayrı yöntem ve mikroskop çeşidi de vardır. Bunlar süper iletken kuantum girişim aygıtları ve Hall manyetometrelerdir.[12] Süper İletken Kuantum Aygıtı: Süper iletken bir halkadan geçen manyetik akının
kuantumlaşması durumudur. Bu halkalar sayesinde nano ebattaki numunelerin manyetik özellikleri incelenir. Süper iletken malzeme kullanıldı ğı için çalışmalar çok düşük sıcaklıklarda yapılmaktadır(~30 Kelvin seviyelerinin altıda). Ayrıca bu tür aygıtlar çok hassas olduğu için dış manyetik etkilerden çok iyi korunması gerekir, aksi takdirde ölçülen de ğerin verilen manyetik seviyeye göre olup olmadı ğı anlaşılamaz.[12] Hall Manyetometre: Katmanlı yarıiletken bir malzeme kullanarak Hall sondası yapılır, böyle
katmanlı bir yapıda elektronlar iki boyutta hareket edebilirler(2B’lu elektron gazı elde etmenin en uygun yöntemi). Hall sondası atomik kuvvet mikroskobu gibi bir düzenekte kol ucuna yerle ştirilerek numune üzerinde gezdirilir veya sabit bir yerde tutularak numune Hall sondasının üzerinde gezdirilir. Hall sondasındaki Hall gerilimi ölçülerek numunenin manyetik özelli ği hakkında bilgi edinilir. Bu yöntemin duyarlılığı süperiletken kuantum girişim aygıtındaki kadar değildir.[12]
45
5 NANOTEKNOLOJİNİN HAMMADDELERİ 5.1 Nanobilim Açısından Karbon
Tarihin başından beri insanlar ihtiyaçları doğrultusunda gelişmeler yapmıştır. Ancak zamanla çevresine baktı ğı zaman, kendi vücuduna baktı ğında, doğal şekilde var olan sistemlerin, malzemelerin ne kadar kusursuz olduklarını keşfetmesi uzun zaman almamıştır. Doğallıktaki bu güzellikleri ihtiyaçları doğrultusunda irdeleme normal bir içgüdü olmuştur. Nitekim özellikle son birkaç yüzyılda teknolojilerde ya şanan inanılmaz ilerlemeler malzeme ile olan ilişkileri de iyice ileri safhalara taşıdı. Günümüzün son teknolojisi nanoteknoloji sayesinde, malzeme ile iyiden iyiye iç içe girdik. Özellikle doğal yapı ve sistemleri nicelerken kar şımıza karbonun çıkması çok ola ğan bir durumdur, çünkü bütün canlıların hayat temelleri karbona dayalıdır(Yapısında karbon içermeyen hiç bir canlı varlık yoktur). Organik maddelerdeki en yaygın ve vazgeçilmez element haliyle karbondur. Bileşiklerin %94'ü (4 milyondan çoğu) karbon içerir. Dolayısıyla nanobilim ve teknolojiler için de karbon elementinin ayrı bir önemi ve yeri vardır.[14] Nanoteknolojideki en büyük avantaj moleküler seviyelerde dizayn yapabilme heyecanıdır. Bu durum tarihlerdir DNA’larımızda işlerken, çok klasik karbonun allotropları olan elmas ile kömürün arasındaki tek farkın atom dizilişlerinden kaynaklandığını da biliyorduk. Ancak buradaki gizem nanoteknolojiyle aralanmaya çalı şılmaktadır. İlk olarak 1985 yılında altmış tane karbon atomunun futbol topu şeklinde bir kafes yapısı halini alarak olu şturduğu C60 molekülünün, deneysel olarak ilk defa elde edilmesinin, nanobilimin kapısını iyice araladığını söyleyebiliriz.[14] C60’ın keşfinden hemen sonra, 1991 yılında yine deneysel olarak ilk defa karbon nanotüp yapılarının elde edilmesi bu alandaki deneysel ve kuramsal çalı şmaları hızlandırdı. Nanoyapı olarak karşımıza ilk çıkan bu karbon nanoyapılar küçük ölçeklerde tasarımların yapılabileceğini somut olarak ortaya koymuş oldu. Daha sonraki ara ştırmalarda farklı malzemelere de yönelmeler olsa da esas a ştırma ve geliştirme alanları şimdilik karbon üzerinden ilerlemektedir. Çünkü bu alanda ilk ke şfedilen element karbondur ve do ğal malzemelerin birçoğunun içeriği de karbon esaslıdır.[14]
46
Karbon: Karbon atomlarından oluşan malzemelerin karbon atomlarının bağlanma
geometrilerine göre çok farklı fiziksel ve kimyasal özellikler göstermektedirler. Yaşamın dayandı ğı temel işlevleri yerine getirmek için yeterli çeşitlilikte ve karmaşıklıkta düzenlemeler oluşturarak başka elementlerle birleşme yeteneği, yalnızca karbonda vardır. Karbon atomunun böyle bir özelliğe sahip olmasının sebebi yapısında altı tane elektronunun olmasıdır. Serbest karbon atomunun 1s kabu ğunda iki elektron, 2s ve 2p kabuklarındaysa ba ğ oluşturmaya hazır dört değerlik elektronu bulunur. Metallerden ve ametallerin birçoğundan farklı olarak, karbonda bağ oluşumu, kovalent (ortaklaşa) niteliktedir. Bunun nedenlerinden biri, karbonun atom sayısının küçük olması, bu nedenle de, atom çekirde ğine yakın olan değerlik elektronlarını çok sıkı tutmasıdır. Karbonun bu özelliklerinden dolayı do ğada tek olması, karbonu rakipsiz yapmakta ve belki de dünyada hayatın karbon esaslı olması bu sebepten ötürü olmaktadır. [12]
Şekil 5.1 Karbon atomlarının bağlanma şekilleri
Karbon esaslı malzemeler aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir:
Karşıımza çıkan en önemli ve ilgi çekici karbonlar, elmas ve grafit allotroplarıdır. Kimyasal yapıları aynı olmasına rağmen geometrik dizilişlerinin farklı olmasından dolayı apayrı özellikler göstermektedirler. Buradaki her bir farklı şekil farklı bir malzeme anlamına gelir. Karbon elementi her üç bağlanma geometrisini gösterebilen tek element olması bakımından istisnai bir özelliğe sahiptir.[12]
47
Elmas: Saf elmas, bilinen en sert do ğal maddedir. Normalde renksiz ve saydam iken, ba şka
minerallerle arılığı bozulduğu zaman, pastel renklerden mat siyaha kadar uzanan çe şitli renklerde bulunabilir. Elmas ısıyı ileten en iyi malzemedir ve elektrik yalıtkanıdır.
Şekil 5.2 Elmasın geometrik yapısı
Elmasın üstün özellikleri, birbirine kenetlenmiş dörtyüzlü karbon atomlarının oluşturduğu kristal yapısından kaynaklanır; bu atomların her biri, en yakın dört kom şusuna ortaklaşa bağlanmıştır. Karbon-karbon bağının olağanüstü dayanıklılığı ve ortaklaşa bağlarla kenetlenmiş yapısı, elmasın sert ve eylemsiz olmasını sağlamaktadır.[12] Grafit: Grafit, karbonun diğer bir allotropudur. Kurşun kalemden bildiğimiz grafit; yumuşak,
yağlı, kâğıtta iz bırakan, siyah renkli bir katı maddedir. Grafitte her bir karbon atomu aynı düzlemde bulunan di ğer üç atoma altıgen halkalar oluşturacak şekilde bağlanır. Oluşan ağ iki boyutludur ve bu şekilde meydana gelen tabakalar birbirine zayıf Van der Waals kuvveti ile bağlanır. Bu yüzden, tabakala birbirlerinin üzerinde kolayca kayar. Grafit, yağ haline getirilip makinelerde, çalışan parçaların birbirine sürtünürken aşılmasını azaltmak ya da engellemek amacıyla yağlayıcı olarak kullanılır. Grafitin günlük hayatta birçok kullanım alanı bulunmaktadır. Son dönemlerde, uzay kapsüllerinin ısı kalkanlarının yapımında da grafitten yararlanılmaya başlanmıştır.[12]
Şekil 5.3 Grafitin geometrik yapısı
48
Karbon şiberler: Özellikle yüksek mukavemet dayanımı gereken yerlerde kullanılırlar, grafit
özellikli, silindir şeklinde ve farklı kesit yapıları olan bir malzemedir.[13] Camsı karbon: Daha çok polimerimsi ve gözenekli yapıda olan bu malzemeler hazırlanı ş
durumlarına göre farklı özellikler gösteren sert bir malzemedir.[13] Siyah karbon: Özellikle hidrokarbonlardan hidrojen çıkartılması ile elde edilen karbon
topaklarıdır. Üretilme şartlarına göre farklı isimlendirilirler. Endüstride bazı malzemelerin mekanik, elektrik ve optik özelliklerini düzenlemek için dolgu maddesi olarak kullanılan karbon türüdür.[14] Karbin ve karbolitler: Zincir veya polimer şeklindeki bu yapılar genellikle hızlı so ğutma
işlemlerinden sonra meydana gelir, kristal yapıda da olu şan karbinler sert bir yapıya sahiptirler.[14] Amorf karbon: Uzun mesafeli düzeni olmayan, bazen kısa mesafeli düzeni olan, genellikle
düzensiz yapıda olu şan karbon malzemedir. Hazırlanı ş şartlarına göre fiziksel özellikleri değişebilir. Amorf yapıda atomlar birbirleriyle (%90) sp3 ve (%10) sp2 şeklinde bağlanırlar.
Şekil 5.4 Amorf karbon geometrik yapısı
Sıvı karbon: Elmas, grafit veya başka bir yapıdan ergitilerek (4450 K)elde edilen ve metal
özelliği yüksek olan bir malzemedir. 49
5.1.1 Karbon Nanoyapılar
Karbon; elmas ve grafit gibi,ve yukarıda sıraladı ğımız örneklerinden başka, sonlu boyutlarda (nanometre ölçülerinde) sağlam yapılara sahip olması bakımından da ilginç bir elementtir. Son dönemde yapılan araştırmalarda C60 topunun ve ardından da karbon nanotüpün ke şfi karbon nanoyapılara olan ilgiyi yo ğunlaştırdı. Karbonun nanoyapıları genellikle top, tüp, çubuk ve halka şeklinde sınıflandırabiliriz.[7] Karbon esaslı malzemelerin sp, sp2, sp3 şeklinde bağ yapmaları aynı zamanda bu malzemelerin boyutu ile de ilişkilendirilebilir. Karbon periyodik tabloda mevcut elementler içerisinde sıfır boyuttan 3B’a kadar izomerleri olan tek elementtir. İlginç bir şekilde, 3 boyutlu karbon, yarı iletken elmas yapıdan, 2B’lu yarımetalik grafite, 1B’lu iletken ve yarıiletken nanotüplere ve sıfır boyutlu nanotoplara kadar farklı kararlı yapıları ve birçok farklı özelliği olan harikülade ve yegane elementtir.[7] Karbon nanoyapılar 1B’lu ve 0B’lu karbon yapılarıdır ve bunlara nanotüpler ve nanotoplar denilmektedir. Bu yapılar nanometre ölçülerindedir. Dolayısıyla karbon toplar, tüpler ve çubuklar karbon nanoyapıların asıllarını oluşturmaktadırlar. Nanoteknoloji çağının başlamasında en önemli rolü oynayan karbon, nanoyapılarda; daha şimdilerden nanomakinelerin, nanorobotların vazgeçilmez elemanı olmaktadır. Hatta bu nanoyapılar, nanosistemlerin yapılmasında, şimdilik tek aday durumundadır. [9]
5.1.1.1 Karbon Nanotoplar
Fulleren de denilen karbon nanotoplar, birkaç karbon atomunun, aralarında ba ğ oluşturarak, top şeklinde kafes yapıları meydana getirmeleridir. 1984 yılında R.E. Smalley ve arkada şları, Grafit kristalini lazerle eritip buharlaştırırken, karbon atomlarının, topaklar halinde ve farklı büyüklüklerde top biçimli kafes yapılar olu şturduğunu farkettiler. Bu toplar, 20-130 kadar karbon atomu içeriyordu ve bu buharla ştırma esnasında oluşan topların, yaklaşık olarak %75 kadarını 60 atomlu toplar (C60), %23 kadarını da 70 atomlu toplar(C70) oluşturmaktaydı. Kalanı ise farklı atom sayılarındaki fullerenlerden oluşmaktadır.( C70, C 76 ve C 84 molekülleri gibi)[14] 50
Fullerenler bir karbon allotropu ailesidir. Şekilleri bir futbol topnun andırdığı için ve bir mimar olan Richard Buckminster Fullerin de mimari yapıları hep bu şekilde olduğu için ona atfen bu isim verildi. Küre yapılılara buckyball denir. Fullerenler tamamen karbon atomundan oluşur ve küre, ellipsoit veya tüp şeklinde olabilirler. Bazen de bu yapılar silindirik şekilde olabilmektedirler ve bunlara da karbon nanotüp denilmektedir.[9]
Şekil 5.5 Karbon nanotop, fulleren (C60)
Fullerenler içinde en yüksek mekanik dayanıma sahip olan C 60 toplarıdır. Bu topta atomlar birbirleriyle sp2 şeklinde bağlanmaktadırlar. Bu bağ, Grafit atomlarının yaptığı bağ şekline benzemektedir. Karbon nanotopların, en çok üretilen ve yaygın olarak kullanılan biçimi, (C 60) atomudur. Bundan elde edilen küre şeklindeki C60; 12 yüzlü simetri, 12 adet be şgen ve 20 adet altıgen yüzden olu şur.[9] Karbon nanotoplar, genellikle küre şeklinde bir kafes yapısına sahiptir. Bu ise karbon atomlarının, beşgen ve altıgen yüzeyler olu şturmalarından kaynaklanıyor. Tek duvarlı olabildikleri gibi, iç içe geçmiş yapıda olanları ya da ikili gruplar (dimer) halinde bulunanları da mevcuttur.(9) Karbon nanotoplar, hem saf olarak, hem de katkılandırılmı ş olarak da elde edilebiliyorlar. Karbon toplar, yerleştirildikleri kristal yüzeylerinin, elektronik ve optik özelliklerini değiştiriyorlar. İki yüzey arasında zıplayarak hareket edebilen topların, bu özelli ğinden faydalanarak, nano transistörler ve hatta tek elektron transistörleri yapmak mümkün olmaktadır.[7] 51
Nanoteknolojik olarak fullerenlerin birçok yerde kullanılaca ğı tahmin edilmektedir. Örneğin Mart 2008'de fullerenlerin içinde a ğırlıklarının %8'i kadar hidrojen depolayabilecekleri bulunmuştu, bu buluş hidrojenin yakıt olarak kullanılmasındaki en büyük sorunu te şkil eden hidrojeni depolama sorununa çözüm olacak gibi durmaktadır. Bunun yanında, fullerenlerin ısı direnci ve süperiletkenlik özellikleri üzerinde de çok durulmaktadır. [23]
Fullerenlerin bazı özellikleri:
Fullerenler çok reaktif yapılardır.
Ayrıca fullerenlerin molekül tanıma düşünülmektedir( HIV virüsü tesbiti gibi)
uygulamalarında
da
kullanılması
C60'ın fiziksel özellikleri: Ağırlık bakımından yoğunluk: 1.72 g/cm3,
Moleküler yoğunluk: 1.44 x 1021/cm3 İki karbon arası ortalama uzaklık: 1.44 Å
Dış Çap: 10.18 Å Atom başı bağlanma enerjisi: 7.4 eV Kaynama noktası: 800 K'da süblimle şiyor v.b. [ybnc]
Fullerenler birçok çözücüde çözünebilmektedirler. En yaygın olanları toluen ve karbon disülfittir. Fullerenler bu sıvılarda çözüldüğü zaman; saf C60 fulleren mor rengi, C70 kırmızı kahverengi rengi alır. Fullerenler oda sıcaklığında bir çok çözücüde çözünebilen tek karbon allotropudurlar[nntrky] Bazı top fulleren çeşitleri: Buckminsterfullerene ve Bor buckyball'u Tüp fulleren çeşitleri: Nanotomurcuk ve Nanotüp
52
Karbon Nanotopların Kullanım Alanları:
Nanotoplar, kaplama elemanları olarak malzemeleri fazla ve zararlı ı şıklardan korurlar.
Karbon toplar içeren polimerler, foto-iletkenlik özelliği gösterir. Bu nedenlede, Karbon nanotoplar, fotodiyot, transistor olarak ve ayrıca güne ş pillerinde kullanım alanı bulmaktadırlar.
Bunların yanı sıra, fullerenler; oksitlenmeye kar şı iyi bir koruyucu görevi yaparlar.
Bir diğer dikkat çeken önemli özelli ği kendi ağırlığının 300 milyon katı kadar bir ağırlığa dayanabilecek sa ğlamlıkta olmalarıdır.
Suda çözülebilen karbon topu türevlerinden oluşturulan bir maddenin, HIV virüsünün faaliyetlerini sınırladığı deneylerde gözlemlenmiştir.
Yine günümüzün büyük problemi olan enerji yönetimi ve çevre kirlili ği konusunda büyük bir çözüm olan hidrojen yakmada en büyük kısıtlayıcı etmen olan hidrojeni depolama işlemi, fullerenler sayesinde çözülebilecek gibi görünüyor. Bunu yanında yüksek enerjili pil yapımında da kullanılmaktadır.[6]
5.1.1.2 Karbon Nanotüpler
İlk defa Japon bilim adamı Lijima 1991’de yaptığı çalışmalarda karbonun tüp şeklinde yapılar
meydana getirdiğini gözlemledi. Karbon grafit’ten "arc-discharge" buharlaştırma yöntemiyle yapılan deneylerde, grafit plakasının kıvrılarak silindir şekline gelmesiyle içi boş boru halinde tüplerin oluştuğunu Lijima gözlemledi. Karbon nanotüpler üç farklı yönde oluşurlar; 1- Zigzag geometri 2- Sandalye kolu geometri 3- Çapraz geometri
53
Şekil 5.6 Karbon nanotüp olu şumları
Karbon nanotüpler, geometrilerine bağlı olarak yarı-iletken ve metalik özellik gösterirler. Hiç bir katkı maddesi olmaksızın, nanotüpün, geometrik parametrelerinin de ğiştirilmesiyle, elektronik özellikleri de değiştirebilir. Tüplerin elektronik uygulamalarda, önemli bir yeri vardır. Çok esnek ve sa ğlamdırlar. [27]
Şekil 5.7 Tek duvarlı karbon nanotüp[27]
54
Küçük çaplı (yaklaşık 1-2 nanometre) tüplerden olu şturulmuş bir demeti, koparabilmek için uygulanan çekme kuvveti, yakla şık 36 gigapaskaldır. Kovalent ba ğ ile bağ yaparlar. Buna göre, nanotüp fiberle, gerilmeye kar şı en sağlam malzeme özelliğini taşımaktadır.[27]
Nanotüp yapısında, Grafit plakalarında olduğu gibi sadece altıgen şekiller bulunuyor ve her atomun sadece üç kom şusu var. Düzgün karbon nanotüp yapılarda, atomlar, birbirleri ile sp 2 şeklinde bağlanıyor. Her ne kadar nano boytularda tüpler çok sa ğlam bir yapıya sahip olsalar
da bu tüplerdeki önemli bir sorun, makroskopik ölçülere gelindi ğinde tüpün kırılgan bir yapıya dönüşmesidir. [26] Nanotüpler tek katlı(duvarlı) oldukları gibi çok katlı da olabilmektedirler.
Şekil 5.8 Çok katlı bir karbon nanotüp modeli[26] İletken ve elektrik alanına duyarlı oldukları için, elektronik malzeme olarak manyetik ve optik
nanoaygıt yapımında; ayrıca hafıza elemanı, kapasitör, transistor, diyot, mantık devresi ve elektronik anahtar yapımı gibi geni ş bir elektriksel uygulama alanı bulunmaktadır.[26] Karbon nanofiberler, çok geni ş yüzey alanına sahiptir. Nanofiberin kütlesiyle alanı arasındaki oran, normal malzemelere göre çok büyüktür. Örne ğin kütlesi 1 gr. olan bir karbon nanotüp fiberin alanı, 300 m2 yi bulabiliyor. [14] Karbon nanotüp fiberlerin bu özelliği sayesinde, nanometre düzeyinde süper kapasitörler; dolayısıyla da yapay kas üretimi mümkün olabilecek. Hidrojen depolamaya da olanak sağlayan geniş yüzey alanı, Karbon nanotüp fiberleri, potansiyel enerji depolama malzemesi haline getiriyor. [26] 55
5.1.1.3 Karbon Nano Çubuklar
Karbon nano çubuklar iç içe geçmi ş çok duvarlı nanotüplerin aralarındaki mesafe belli bir değerin altına indiği zaman tüp atomları birbirleriyle bağ yaparak nanoçubuk yapılarını meydana getirmektedirler. Dolayısıyla çubuklar, içi tamamen veya kısmen dolu tüp yapılardan oluşuyor. Çok duvarlı tüplerde tüpü olu şturan karbon atomları arasındaki mesafe genellikle, bağ uzaklığından fazladır. Eğer bu mesafe, karbon atomlarının bağ yapmalarına olanak verecek kadar küçülürse(< 0.15 nm), o zaman karbon atomları birbirleriyle (sp3 gibi), bağ kurarlar. Bu şekilde her atomun, dört bağlı komşusu bulunmuş olur. Karbon nanoçubuklarda tüpler birbirini etkiledikleri için esneklik tüplere göre daha zayıftır. Özellik olarak ta birçok yönden tüplerden farklılıklar gösteririler.[30]
6 NANOİMALAT
Nanomalzemelerin var olabileceği ilk önce düşünce safhasındaydı, 1959 yılında Feynman’ın aşağıda daha çok yer var öngörüsü, bu ça ğın başlangıcı olurken, ortada henüz somut bir gelişme yoktu. Ancak bu düşüncelerden yola çıkılarak yapılan inceleme ve araştırmalarda gerçektende böyle bir dünyanın oldu ğu, hatta daha önceleri yapılan gen çalı şmalarının da bu ölçeklerle alakalı olduğu saptandı. En önemli gelişme olarak; 1984 yılında R.E. Smalley ve arkadaşlarının grafit kristalini lazerle eritip buharlaştırırken bu esnada tesadüfen, C 60 fullerenini bulmaları ve ardından da karbon nanotüplerin deney yoluyla elde edilmesi bir çığır oldu. Bu gelişmelerle beraber, paralel bir şekilde mikroskop teknolojilerindeki ilerlemeler de, artık küçük âlemleri gözlemleyip inceleme kolaylıklarını sa ğlamış oldu. Bu doğrultuda önce düşünce aşamasında tasarlanan ve bilgisayar ortamlarında simülasyonları gerçekle ştirilen, nanoaleme ait dizaynların gerçekten üretilebilmesi için nanoimalat yöntemleri üzerinde çalışmalara sebep oldu. Yapılan çalı şmalar sonucunda nanoüretimi esas olarak, iki ana yöntem şeklinde ifade edebiliriz; [8] 1- Yukarıdan-Aşağıya doğru (top down) 2-Aşağıdan-Yukarıya doğru (bottom up) 56
Bu ana yöntemlerin isimlerinden de anla şılacağı gibi, yukarıdan-aşağıya yönteminde katı bir maddeden, onu yonta yonta yeni bir parça elde etmeye benzetilebilirken, a şağıdan-yukarıya üretimde ise parçaları birleştirerek büyük bir sistem yapmaya benzer. Bazı durumlarda da her iki yöntem birbirine karışabilmektedir ki, buna da hibrid üretim diyebiliriz.[8] Genel olarak yukarıdan-aşağıya imalat külfetli ve zaman alıcıdır, ancak a şağıdan-yukarıya imalatta ise atom veya molekül seviyesinden başlayarak, nanoyapılara ulaşılır ve bu yöntemle imalat nispeten daha ekonomiktir. 6.1 Yukarıdan-Aşağıya Üretim(Top-down)
Yukarıdan-aşağıya yaklaşımı, makineler, asitler ve benzeri mekanik ve kimyasal yöntemler kullanılarak nanoyapıların fabrikasyonu ve imal edilmesi yöntemlerini ifade eder. Yukarıdan-aşağıya(büyükten küçüğe) üretim yöntemi kapsamında birçok farklı yöntem uygulanmaktadır. Bu yöntemler; mekanik yöntemler(ö ğütme, sıkıştırma, ısıl prosesler v.b.), yüksek enerji yöntemi, ısıl (termik) yöntem, kimyasal yöntem, litografik (baskı) yöntem ve doğal yöntemler gibi genellikle fiziksel esaslara dayanan yöntemlerdir.[10] 6.1.1 Mekanik yöntemler
Mekanik üretim yönteminde, makro boyutlardaki malzemelere mekanik i şlemler uygulanarak mikro ve moleküler boyutlara indirgeme süreçleridir. Kesme, haddeleme, dövme, sıkı ştırma ve püskürtme (atomizing) gibi bilinen klasik mekanik yöntemlerle nanoparçalar elde etmek için uygulanan belli ba şlı üretim yöntemleridir. Mekanik üretim yöntemlerinde genel olarak fiziksel bir uygulama vardır, kimyasal de ğişim söz konusu de ğildir. [10]
57
Sanayide kullanılan farklı öğütme prosesleri uygulanmaktadır(bilyeli öğütücüler, titreşimli öğütücüler, ince mekanik ö ğütücüler, pnömatik Mekanik
Öğütme
Yöntemi:
öğütücüler gibi), burada yapılan i şlem mekanik öğütücü bir makine ile, malzemeyi makro ölçülerden atomal ölçülere indirgeme i şlemidir. İşlemlerin hassas bir şekilde uygulanması, öğütücü kazanların olabildiğince temiz olması ve öğütme işlemini yapan (bilyeler gibi) aparatların özenle seçilip hazırlanması önemlidir.[10]
Şekil 6.1 Öğütücü ve kırıcı tipleri
Öğütme işlem sonucunda meydana gelen tozlardan, çe şitli nanoboyuttaki malzemeler oluşur. Bunların içinden nanoboyuttakileri ayırmak gerekir. Ö ğütme yöntemleri ile 20 nm’ye kadar parçacıklar elde edilmektedir.[10] 58
Isıl (termik) Yöntem: Yukarıdan-aşağıya imalat yöntemlerinde, ilaveten belirlenmiş sıcaklık
değerleri uygulanırsa izlenen yönteme ısıl yöntem denir. Buradaki ısıtma, klasik ısıl işlemlerdir olup, lazerle ısıtma gibi yüksek enerji yöntemlerini bu yöntemden ayırmak gerekir.[28] Dönen Soğuk Yüzeyde Katılaştırma Yöntemi: Bu yöntemde ergitilen malzeme bir nozül
vasıtasıyla dönen soğuk bir yüzeye püskürtülür. Bu i şlemde yüksek hızlarda püskürtme ile malzeme küçük boyutlara inerken, dönen yüzeyde de ani so ğuma ile katılaşma meydana gelmiş olur. Yüzey üzerinde yo ğunlaşan bu malzeme nanoboyuttadır.[28] Gaz Atomizörü: Bu yöntemde yüksek hızlardaki asal gaz, metal ergiyik huzmesine
püskürtülür. Meydana gelen çarpı şma sonucu nanoboyutta metal parçacıkları olu şur. Katılaşma sonucu nanoboyutta taneciklerden olu şan toz elde edilir.[28] Yüksek enerji yöntemi: Yüksek akım arkı, lazer ve güne ş enerjisi altında buharlaştırmada,
sırasıyla yüksek elektrik akımı, monokromatik radyasyon ve güne ş radyasyonu katı bir plakaya yönlendirilerek nanoparçaçıklar elde edilir. Deneysel olarak karbon nanotüpler bu yöntemle elde edilebilmektedir. Bu işlemlerde katalitik demir, molibden veya krom parçaları içeren plaka üzerindeki grafit’ten karbon nanotüpler meydana gelir. Yöntemde ayna sistemlerinden yararlanılarak güneş enerjisinden yaklaşık olarak 3000-4000°C civarında sıcaklık sağlanabilmektedir.[21] 6.2 Aşağıdan Yukarıya Üretim Yöntemleri
Aşağıdan yukarıya üretim yönteminde temel olarak küçükten büyü ğe bir sistemi oluşturmak, bir ürünü meydana getirmek anlamındadır ve pratik olarak birçok üstün özellikleri bünyesinde barındırır. Çünkü bu yöntemde sistemin elemanlarını tek tek ele alıp, onlar üzerinde çalı şılıp öyle imal edilir ve dolayısıyla hassas bir şekilde işlenen elemanlardan meydana gelen sistem de aynı derecede hassas ve istenilen özelliklerde olacaktır.[28] Nanoteknoloji’deki üretimlerde ise aşağıdan yukarıya imalat demek; atomları, molekülleri tek tek işleyip bir nanoyapı meydana getirmek demektir. Burada da atomlara hükmedip onları tek tek tasarlayıp yönlendirmek şüphesiz birçok mükemmel özellikleri elde etmek anlamına gelecektir. Hayatımızdaki doğal nanoboyutlardaki işleyişler de hep bu şekilde aşağıdanyukarıya imalat yöntemi ile meydana gelmiştir.[7] 59
Dolayısıyla aşağıdan-yukarıya üretim yöntemleri genellikle organik malzemelerde görülür. Kimya ve biyoloji dünyasına ait faaliyetlerdir. Doğal sistemlerdeki özelliklere baktığız zaman kendi kendini yenileme, en iyi üretim ortamlarında meydana gelme gibi durumlar aşağıdan-yukarıya yöntemlerinde görülmektedir. İlk bakışta aşağıdan-yukarıya yöntemi daha çok biyonano’yu daha çok ilgilendiriyor gibi dursa da, nanomalzeme üretiminde de önemli bir yöntemdir.[7] Aşağıdan-yukarıya üretim yönteminde maddenin içinde bulundu ğu faz halin önem kazanmaktadır. Dolayısıyla Gaz fazı yöntemi, Sıvı fazı yöntemi, Katı fazı yöntemi şeklinde kategorize olmaktadır. 6.2.1 Gaz fazı yöntemi
Bu yöntem, gaz fazında malzemeleri şekillendirme olarak düşünülebilir. Gaz fazında yapılan işlemlerde enerji gideri düşük olmaktadır. Karbon nanotüpler elde etmek için en uygun olanıdır. Gaz fazı yöntemleri aşağıdaki şekilde gruplandırılabilir.[7] Buharlaştırma:
Buharlaştırma
yönteminde
metal
malzemeler
sıklıkla
buharlaştırılmaktadırlar. Malzeme bir vakum odasında buharlaştırılır ve gaz fazına geçen metal atomları, kaynaktan ayrılırken hızlı bir şekilde enerjilerini kaybederler ve çekirdeklenme ile gaz fazında atom kümeleri olu ştururlar. Bu kümeler gaz fazında yeni atomların eklenmesi ile büyürler. Oluşan kümeler sistemdeki “cold finger” üzerinde toplanırlar. Konveksiyon akımları (inert gaz ile ısınan; cold finger ile so ğuyan) yoğunlaşmış küçük parçacıkları toplama kabına ta şır. Birikenler kazınarak sıkıştırma cihazına gönderilir.[7]
Şekil 6.2 Buharlaştırma yöntemi ile imalat
60
Üretilen parçacıkların boyutu 1–100 nm arasındadır ve gaz basıncı ayarlanarak bu büyüklükler kontrol altına alınabilir. Daha sonra toplanan parçacıklar istenirse sinterlenerek katı nanomalzeme elde edilir. Kimyasal buhar çökeltmesi: Bu yöntemde malzeme veya kimyasal bile şikler buharlaştırılır ve sıcak bir yüzeyler üzerinde ayrı ştırılarak küçük boyutlarda malzeme üretimi gerçekle ştirilir. Kimyasal reaksiyonlar, sıcak yüzeylerin üzerinde veya yakınında meydana gelir ve olu şan ürünler, yüzey üzerine ince film olarak depolanır. Kimyasal; sıcak duvarlı reaktörler, so ğuk duvarlı reaktörler, dü şük basınçlı, atmosferik basınçlı, yüksek basınçlı reaktörler, ta şıyıcı gazlı veya taşıyıcı gazsız reaktörler gibi gruplara ayrılırlar. [7] Aynı zamanda, kimyasal buhar çökeltmesi geni ş bir enerji kaynağı çeşitleri de kullanmaktadır. Bu işlemlerde; plazmalar, iyonlar, fotonlar, lazerler, sıcak filamanlar veya depolama oranını yükseltici
yanma
reaksiyonları
gibi
birçok
enerji
kayna ğı
ile
işlemler
gerçekleştirilebilmektedir.[7]
Bu işlemde yüksek sıcaklık altında gaz fazında olan malzeme, bir plaka veya katalizör üzerinde nano malzemeye dönü şür. Bu sayede çok saf, yüksek performanslı katı nano malzemeler elde edilir.
Şekil 6.3 Kimyasal buhar çökeltmesi
Moleküler hüzme (beam) epitaxy: kimyasal buhar çökeltme yöntemindeki gibi, çökeltilecek
malzemelerin buharları, yüksek vakum altında, ısıtılan bir tabaka üzerine yönlendirilir. Tabaka üzerine çöken atom veya moleküller birbirleri ile ba ğ yaparak film oluşmasını sağlarlar. Bu film kalınlığı nano boyutlarda bir filmdir.[28] Atom tabaka çökeltmesi: yine kimyasal buhar çökeltmede oldu ğu gibi, bu yöntemde de
hazırlanmış yüzey üzerine buharla ştırılmış malzemenin çökeltilmesi durumu söz konusudur. 61
Bu yöntemde plaka üzerinde her defasında bir molekül kalınlıkta film tabakası olu şturulur. ZrCl4 ve H2O’nun yüzey üzerinde katman olu şturması şekilde gösterilmiştir.[10]
Sekil 6.4 Atom tabaka çökeltmesi
Yanma: Malzemenin özelliklerine göre yanma işlemi gerçekleştirilirse nanoboyutlarda
malzeme imalatı gerçekleştirilebilir. Örneğin karbon grafit uygun şartlarda yakılırsa, alevinde tek ve çok duvarlı nano tüpler olu şur. Yanma yöntemi nanokompozit malzemelerdeki çok duvarlı nanotüpleri oluşturmak için oldukça gelişmiş bir üretim yöntemidir.[7] 6.2.2 Sıvı Fazı Yöntemi
Kimyasal tepkimelerin çoğu sıvı fazda oluşur. Kimyasal olarak malzemelerin bira araya gelmesini birbiriyle rahatça etkileşime geçebileceği en optimum ortam, sıvı fazda oluşmaktadır. Çünkü sıvı fazı malzemelerin bir araya gelmesi, tepkimeye girmesi için en uygun ortamı sağlar.[21] Biyolojik olaylar da, çoğu zaman sıvı faz ortamında meydana gelir. Protein sentezi, nükleik asit sentezi, membran sentezi, inorganik biyolojik yapılar (örneğin sedef) gibi oluşumlar, aşağıdan-yukarıya üretim yöntemlerine doğal örneklerdir.[21] Çok çeşitli sıvı faz üretim yöntemleri vardır. Nanoparçacıkların da meydana geldi ği en iyi ortamlar sıvı faz ortamları olmaktadır. Sıvı fazda kimyasal tepkimeleri kontrol etmek çok daha kolaydır. Bazı önemli sıvı faz yöntemlerini şu şekilde sıralayabiliriz;
62
Sol-Jel Sentezi: Sol-jel üretim yöntemi son yıllarda üzerinde çalışılıp önemli ilerlemeler kat
edilen mikro boyutlarda üretim yöntemidir. Esasen bu yöntem, seramik üretiminde kimyasal bir yöntem olup, kelime anlamıyla solüsyon-jelleşme (solution-gelation) kelimelerinin kısaltılışı olarak kullanılmaktadır ve bir solüsyonun veya süspansiyonun jelle şebildiği tüm sistemleri içermektedir. [19] Bu yöntem özellikle toz, kaplama ve fiber üretiminde önemli bir potansiyele sahiptir. Genellikle sol-jel metodunda metal alkoksit, su ve alkol içeren çözeltiler kullanılır. Çözeltinin erken gelişen jelleşme reaksiyonlarını ve tanecik oluşum reaksiyonlarını ayarlamak üzere çok az bir miktar baz veya asit katalizörü kullanılır. Çözeltilerdeki tanecikler arasındaki uzaklıkların daraltılması, var olan uzaklıkların korunması için sol-jel iyi bir metoddur.[19] Sol; sıvı içerisinde kolloidal katı taneciklerinin kararlı bir süspansiyonudur. Kolloid olarak tanımlanan tanecikler ise 500 nm ve daha altındaki boyutlara sahip taneciklerdir. Jel, kolloidal parçacıkların çöktürülmesiyle elde edilen ve bol miktarda su içeren çökeleklere denir. Jel, katı ve sıvı faz arasında bir ara fazdır.[19 ] Sol-jel yönteminde işlemler şu basamaklardan olu şur; 1- Alkoksithidrolizi 2- Peptidleşme veya polimerizasyon 3- Jel eldesi 4- Kalsinasyon/ Sinterleme
Şekil 6.5 Jelleşme mekanizması[19]
Sol-jel yöntemi, nanoteknoloji için birçok olanak sa ğlamaktadır. Sıvı fazdan kolloidal nanoparçaçıklar elde etmek için geniş uygulama alanı vardır.
63
Son yıllarda ise ileri nano malzemeler ve kaplamalar üretmek için çok geli ştirilmiştir. Bilhassa metal oksit nanoparçaçıklar ve kompozit nanoparçaçıkların üretimi için çok uygundur. Düşük sıcaklık gereksimi büyük avantaj sa ğlamaktadır.[19]
Sekil 6.6 Sol–Jel kaplama Şekilde Sol-Jel tekniği ile metal oksit kaplama işlemi gösterilmiştir. Görüldüğü gibi kaplanan
plaka solüsyondan çıkarılırken kaplama i şlemi oluşmaktadır. Solüsyondan çıkarılış hızı kaplamanın kalınlığına tesir etmektedir.[19] Moleküler kendini yapma yöntemi: Bu yöntemde, uygun şartlar sağlandığında, moleküller
aniden bir araya gelerek belli özelliklerde kütle olu şturur. Yalnız reaksiyonun kontrol altına alınması gerekir. Aksi durumda dengesiz büyümeler görülebilir. Elektrolitik - elektriksiz çökeltme yöntemleri: Bu elektrolitik yöntem, elektrolitik
(galvanik) kaplama yöntemidir. Nano boyutundaki kalınlıklar için yöntem sıkı denetim altında uygulanır. Elektriksiz Çökeltme yönteminde ise kaplanacak yüzey bir metal tuzu içindedir ve metal atomları yüzeyin üzerine çökelir.[21]
64
7 NANOTEKNOLOJİNİN UYGULAMA ALANLARI
Nanobilim ve nanoteknoloji son dönemin popüler ilgi alanıdır. Geçen zamanla beraber insanların daha ileriye gitmek istemesi, daha rahat bir dünya olu şturma isteği her zaman tazeliğini korumaktadır. Bu konuda da insanın en çok muhatap oldu ğu olgu, şüphesiz malzeme ve malzeme bilimidir. Sağlıktan kıyafete, ulaşım araçlarından uzay ve havacılık sektörüne günlük hayatta kullandı ğımız bütün eşyalarda, hayatımıza pratiklik kazandıran her şeyde malzeme biliminin büyük bir önemi vardır.
Günümüzde birçok konuda önemli geli şmeler yaşanmış özellikle bilgisayar teknolojilerinin hayatımıza kattığı kolaylıkları yakinen yaşamaktayız. Bilgisayarlarla beraber haberleşmedeki hızlanmalar iletişimlerdeki mükemmellikler; azalan boyutla beraber etkisini göstermiştir. Yaşananlar gösteriyor ki genel itibarla malzemelerde, sistemlerde boyutun azalması büyük hızlanmalara sebep olmaktadır. Kuantum teorilerinden sonra nanoboyutlarda tasarımların yapılabileceği dü şüncesi ve çok geçmeden bunun birçok örnekle ispatlanması büyük bir çı ğır açmış durumda. Ancak boyutlar çok küçüldü ğünde veya çok büyüdü ğünde maliyetlerin de büyüyece ği ortadadır. Artık çevremizde nanoteknolojinin sesini daha çok duymakta, hatta üretim safhalarından geçip ticari bir kimlik kazanan nanoürünler de görebilmekteyiz. Henüz ba şında olduğumuz nanodönemin hayatımızda oluşturacağı birçok değişiklik şimdiden görülmektedir. Bir boyut birimi olduğu için nano birçok disiplini içine almaktadır, ancak nanoteknoloji hakkında yapılan deneyler, projeler, uygulamaları şu şekilde ele alabilirz; 7.1 Malzeme ve İmalat
Nanoteknoloji gelecekte yapılması beklenen malzeme ve aygıt üretim yöntemlerinin değişmesini; nano ölçekte işlevi olan malzeme ve aygıtların makroskobik boyutlardaki malzeme içine yerleştirilmesini ve bunların çok miktarda hatasız bir şekilde üretilmesi için yeni yöntemlerin geliştirilmesini gerekli kılmaktadır. Nanoölçekteki malzemelerin daha hafif daha sağlam programlanabilir malzemeler olması, daha az malzeme kullanımı, üretim proseslerinde daha az enerji gereksinimi, artık malzeme üretmemesi gibi avantajlar nano imalatta önemli hususlardır.[15]
65
Nanoölçekte imalat ‘‘yukarıdan – aşağıya’’ ve ‘‘aşağıdan-yukarıya’’ yöntemleri olmak üzere başlıca iki kısma ayrılabilir: Nanoüretim: 1-Yukarıdan-aşağıya yöntemi (Nanoyapıların makroyapılardan üretilmesi) 2- Aşağıdan-yukarıya yöntemi (nano yapıların atomların veya moleküllerin dizilmesiyle oluşturulması) Tabiatta mevcut olmayan yeni yapıların tasarlanması mümkün olabilir; biyolojik malzemeler de dahil olmak üzere dü şük maliyetli üretim yöntemleri geliştirilebilir. Muhtemel uygulama alanları: sonradan işlenmeye ihtiyaç duyulmadan tam istendi ği şekliyle nanoyapıda metal, seramik, polimer malzemeler, nanoölçekte parçacıklardan yapılmı ş boyalar, nanoölçekte kaplama yapılmış kesme aletleri, elektronik kimyasal uygulamalar, nanoölçekte yeni ölçüm standartları, yonga üzerinde nanoölçekte karma şık ve çok işlevli nanoüretimidir.[15] Örneğin bir otomotivde nanoteknolojinin ne gibi faydalarını görebiliriz: 1-Nano araba nesneleri ta şımanın dışında başka bir şeyi taşımakta faydasız olacaktır. 2-Motorun çeşitli parçalarının üretim süreçlerinin görüntülenmesi için gereken minyatür algılayıcıların sağlanmasında 3-Araba boyasında, boyaya iyi a şınma direncinin verilmesinde, kendini temizleme işlevinde ve beklide arabaya yeni estetik efektlerin verilmesinde 4-Ultra güçlü ve ultra hafif a ğırlıkta karbon nanotüplerin yeni kompozitler üretmek için yapısal parçalara yerleştirilmesinde 5-Şaseye yerleştirilmiş algılayıcılarda ve arabanın yapısal sa ğlığının görüntülenmesi için kasada ve bunun gibi uygulamalardadır. 7.2 Nanoelektronik ve Bilgisayar Teknolojisi
Nanoölçekte elektronik devre elemanlarının üretilmesiyle bilgisayar mimari tasarımında yeni gelişmeler beklenmektedir. Söz konusu elemanların üretimi henüz birbirleriyle uyumlu çalışacak bir şekilde birleştirme işlemleri tam olarak bilinmemektedir.
66
Nanoölçekte bilgi depolama elemanları ayrı bir önem kazanmaktadır. Nanoölçekte elektronik devre elemanları daha az enerji ile i şlevlerini yerine getirebildiğinden nanoteknoloji ürünü bilgisayarların günümüz teknolojisiyle üretilen bilgisayarlara kıyasla ebat olarak daha küçük hız ve kapasite olak çok daha büyük kullandı ğı enerji bakımından çok daha ekonomik olaca ğı aşikardır. Bu alandaki gelişmeler bilişim teknolojilerinin gelişmesini de sağlamış olacaktır. Nanoteller kullanılarak nanoölçekte ‘‘ve’’ ‘‘veya’’ gibi mantık devreleri için tasarım örnekleri yapılmıştır.[5]
7.3 Havacılık ve Uzay Çalışmaları
Uzay yolculuklarında gerekli olan yakıt hem a ğırlık bakımından hem de hacim bakımından günümüz teknolojileri ile sınırlı miktarda alınabilmektedir. Nano teknoloji ürünü malzemeler ve aygıtların kullanılması bu sahadaki zorluklara da çözüm getirecektir. Nanoyapılı malzemeler daha hafif daha sağlam sıcaklığa karşı daha dayanıklı olmaları sebebiyle roket ve uzay istasyonlarının yapımında önemli olmaktadır. Muhtemel uygulamalar: az enerji gerektiren, radyasyona karşı dayanıklı, yüksek verimli bilgisayarların yapımında; makroölçekteki uzay araçlarında kullanılabilecek nanoölçekte aletler: nanoyapılı algılayıcılar ve nano elektronik ile desteklenen uçu ş sistemleri yapımı ısıya dayanıklı nanoyapılı kaplama malzemeleri olabilir.[5] 7.4 Tıp ve Sağlık
Canlıların yapıtaşı hücreler nanometre ölçekteki moleküllerden olu şur. Nanoteknolojinin doğadaki işlevsel karşılığı olarak hücreyi göstermek mümkün, dolayısı ile bu konudaki anlayışımızı ilerlemek için canlıları ayrıntılı incelememiz kaçınılmazdır. Bu yapılara nanoölçekte bakıldı ğında fizik, kimya, biyoloji ile beraber (bilgisayar benzeti şimlerinin) ‘‘simülasyon, modelleme’’ de uygulandığı disiplinler arası bir araştırma sahası ile karşılaşılır. Böylece disiplinler arası iş birliği nanobiyoteknoloji gibi sahalarda önemli geli şmeler yapılmasını sağlayacaktır. Hayatın yapıtaşları proteinler, nükleik asitler, lipitler, karbonhidratlar, ebatları ile kıvrımları ile dizilişleri ile belirli özellikleri olan nanoölçekteki malzemelere örnek sayılabilir. Günümüzde gen çalı şmalarının zorluğunun nanoölçekteki aygıtlarla giderilebileceği görüşü yaygındır.Bu sahadaki geli şmelerin hem teşhiste hem de tedavide yeni yöntemlerin geliştirilmesini sağlayacağı düşünülmektedir.[4] 67
Ayrıca yeni biyolojik malzeme üretiminin gerçekleştirilmesiyle suni organ yedeklemenin mümkün olacağı inancı kuvvetlenmektedir. Bu alanda bilgisayar modelleme çalı şmaları ile gerçek ortamlardaymış gibi makro moleküllerin davranışları hakkında bilgi edinmek mümkün olacaktır. Böylece modellemelerin yapılması biyolojik malzeme geliştirilmesinde ve yeni ilaç tasarımlarında zorunlu hale gelmiştir.muhtemel uygulamalar: gen alışmalarının daha hızlı bir şekilde yapılması ile teşhis ve tedavide yeni geli şmeler olabilir, vücut içerisine yerleştirebilen farklı ölçüm cihazları hem daha hassas sonuç verebilir hem de daha ekonomik olabilir.ilaçların vücutta sadece gerekli olduğu bölgede kullanımını sağlayarak olası yan etkiler yok edilebilir,vücut tarafından reddedilmeye dayanıklı suni doku organ malzemesi üretilebilir.görme ve duyma işlevlerinde yeni gelişmeler sağlanabilir, tehlikeli hastalıkları haber veren algılayıcı sistemler vücuda yerle ştirilebilir.yakın vadede beklenen en önemli katkı. Nanoölçekte malzemelerin nasıl kendi kendini üretti ğinin anlaşılmasıyla ‘‘selfassemble’’ proteinlerin ve çe şitli organik maddelerin üretim şekli kopyalanabilir, nanoteknoloji çok daha iyi uygulanabilir ve kontrol edilebilir.[4] 7.5 Çevre ve Enerji
Nanoteknolojinin enerjinin verimli kullanılmasında, depolanmasında ve üretilmesinde önemli etkileri vardır. Çevre sorunlarının gözlenmesinde ve giderilmesinde kullanılabilir, çeşitli kaynaklardan gelen atıklar önlenebilir,daha az atık yapan üretim sistemleri geli ştirilebilir. Gelecekte yaşamsal bir ihtiyaç haline gelecek olan temiz
Hidrojen enerjisi konusunda üç önemli husus vardır: hidrojen gazının üretilmesi, hidrojen gazının depolanması ve gazın depoya doldurulması ve depodan geri çekilmesidir. Bu üç husus birbirinden ba ğımsız olarak araştırma yapılabilecek önemdedir. Henüz araştırmalar devam etmekte olduğundan özellikle hidrojen gazını depolama i şi şimdilik tamamen nanobilim ve nanoteknoloji konusu görülmekte, hidrojen gazını depolama i şine nanoölçekte çözüm aramak gerekmektedir.[20] 7.6 Biyoteknoloji ve Tarım
Biyosentezleme ve biyoişleme yeni kimyasal ve ecza malzemesi sa ğlayabilir. Biyolojik yapıtaşlarının suni malzemelerin ve aygıtların içine yerleştirilmesi ile biyolojik işlev ve istenen başka özelliklere sahip malzemeler üretilebilir. Tarımda da nanoteknolojinin kullanım alanları vardır. Örneğin bitkileri böceklere karşı korumak için moleküler seviyede kimyasalların geliştirilmesi hayvanlar ve bitkilerin genlerinin hayvanlar için ilaçların, DNA testleri için nanoölçekte kontrol yöntemlerinin geli ştirilmesi sağlanabilir.[23] 7.7 Savunma
Savunma sanayinde nanoteknolojinin önemli bir yeri vardır. Bazı uygulama alanları: Nanoelektronik yardımı ile haberleşme askeri açıdan çok önemlidir. Yine nanoelektronik yardımı ile çok karmaşık eğitim sistemleri yapılabilir. Robot sistemlerinin etkin kullanılması ile daha az insan gücü kullanımı sa ğlanabilir. Böylece insan vücudunun tahammül sınırları dışında da etkin kullanımı gerçekleştirilebilir. Nano malzemelerden yapılmış bazı aygıtlar daha hafif ve daha sa ğlam daha uzun ömürlü olabilir,nano algılayıcılar ile zararlı gazlar ve radyoaktif serpintiler tespit edilebilir.nano ve mikro mekanik aygıtların birle ştirilmesi ile nükleer savunma sistemleri kontrol edilebilir. Nanoteknoloji ürünü tekstil malzemeleri ile akıllı giyecekler yapılabilir.[5]
69
7.8 Bilim ve Eğitim
Nanobilim ve nanoteknoloji fizik kimya biyoloji gibi temel bilimler ile malzeme, elektronik, kimya makine bilgisayar mühendisliği gibi uygulamalı bilimlerin ortak ilgi alanına girdiğinden dolayı nanoteknoloji disiplinler arası işbirliği yapılarak sonuç alınabilinecek bir sahadır. Eğitim programlarında da bu geli şmeye uygun olarak yeni düzenlemeler yapılması gerekir. Birçok gelişmiş ülkede bu alandaki geli şmeler dikkate alınarak yeni programlar açılmaktadır. Türkiye de bu yönde gelişmelerin başarmış olması sevindiricidir.[22] 7.9 Başka Muhtemel Uygulamalar
Nanobilim ve nanoteknoloji yukarıda belirtilen uygulama alanları ile sınırlı değildir. Bunların yanında daha hafif ve daha emniyetli ta şıma sistemleri geliştirilebilir, kirlilik ölçümleri, kontrolü, azaltıcı yöntemleri geliştirilebilir. Güvenilir adli araştırmalar yapılabilir. Kaliteli baskı işlemleri yapılabilir. Kuantum özellikleri çeşitli işlerde özellikle yeni ve devrimsel bilgisayar uygulamalarında kullanılabilir. Örneğin elektronların spinleri bilgi iletimi için kullanılabilir. ‘‘spintronik’’ çeşitli maksatlar için kullanılabilecek nanometre boyutlarında mıknatıs yapılabilir.[5] Nanoboyutta makine veya robot yapmak ileri için dü şünülen en önemli ve heyecan verici konulardan birisidir. Yapılabilecek nanomakinelerin elemanlarını birçok ara ştırmacı şimdiden tasarlamaya başlamıştır. Böyle makine elemanlarına birçok örnek gösterilmiştir.
8 UYGULAMA HALİNDE OLAN NANOTEKNOLOJ İK ÜRÜNLER Sileceksiz Cam
Leonardo Fioravanti tarafından tasarlanan bu ürün dört katmandan olu şmakta. Birinci katman (havayla temas halindeki), güneş ışınlarını filtreliyor ve suyu uzaklaştırıyor. İkinci katman, cam üzerindeki tozların kenarlara do ğru itilmesini sağlıyor. Üçüncü katman, cam üzerindeki tozu algılayıp ikinci katmanın harekete geçmesini sağlıyor. Ve son olarak dördüncü katman ise tüm bu mekanizmanın elektrik enerjisini sa ğlıyor. Nanoteknoloji ürünü olan bu yeni tasarım seri üretimi 5 yıl içerisinde başlayacak gibi gözüküyor, ancak çalı şan bir örneği Hidra adlı bu prototip de kullanılmış.[24] 70
Şekil 8.1 sileceksiz cam[24]
Kendiliğinden Şarj Olan Nanoaletlere Doğru
Texas A&M Üniversitesi'nde yapılan nanoteknolojik ara ştırmada, ses dalgalarını %100 elektriğe çeviren piezoelektronik bir malzeme geliştirdi. Malzemedeki kristallerin boyutu 21 nm. Buluşla ile ilgili makale Ekim ayında Physical Review B dergisinde yayınlandı. Buluş küçük olsa da, etkisinin yüksek olması bekleniyor. Kullandı ğımız birçok elektronik eşyaların, dizüstü, fotoğraf makinesi, cep telefonu, en büyük sorunlarından biri, şarj süresi, eğer bu ürün hayatımıza girerse günlük kullanım cihazlarımızda büyük sorunları giderecek. Kullanıcının hiçbir müdahalesi olmadan, kendiliğinden şarj olan aletler yeni bir nesli başlatacak.[20] Piezoelektrik yeni bir olgu de ğil, araçlardaki çakmaklarda da piezelektronik kristaller var. Bu malzemeler mekanik bir kuvveti elektrik enerjisine çeviriyor."Ses dalgaları bile nano ve mikro aletleri çalıştırmaya yetebilir, yeter ki bu malzemeler bu amaç için üretilsin ve işlensin.( Tahir Çağın (1999 Feynman ödülü sahibi))[20] 71
Olimpiyat Logosunun Küçük Hali
Nortwestern Üniversitesi nanobilimcisi Chad A. Mirkin, 2008 Yaz Olimpiyatları logosunu nanoboyutlarda tasarladı. "Beijing 2008,” ibaresi 90 nm çapa sahip 20.000 nokta ile oluşturulmuş ve Mirkin'in oluşturduğu 15.000 logo sadece 1 cm 2 yer kaplıyor. Logoda, insan figürü ve Olimpiyat halkaları 600 nm çapa sahip 4.000 nokta ile olu şturulmuş.[24]
Şekil 8.2 Olimpiyatlar pekin logosu[24]
Hidrojen Yakıt Pili Kullanan İlk Uçak
Boeing şirketi hidrojen yakıt pilleri ile çalışan insanlı uçağın testlerini başarı ile bitirdiklerini açıkladı. İki kişilik Dimona, 16.3 meterlik kanat geni şliğine sahip pervaneli bir uçak. Diamond Aircraft Industries of Austria tarafından üretildi, BR&TE tarafından yakıt pili ve lityum pilinden oluşan hibrit sistemi yerleştirildi.[23]
Şubat ve Mart 2008'de Ocaña ( İspanya) semalarında 3 tane test uçu şu yapıldı. Testler
sırasında uçak deniz seviyesinden 1000 metre yükse ğe çıktı. Uçuş sırasında, pil gücü ve hidrojen yakıt pilinden üretilen elektrik kullanıldı.[23]
72
Şekil 8.3 Hidrojen yakıt pili kullanan uçak[20]
Yeterli yüksekliğe ulaşılınca pillerle bağlantı kesildi, pilot saatte 100 km hızla 20 dakika boyunca sırf yakıt pilinden gelen elektrikle çalıştı. Intel'den Yeni İşlemci: Atom
Intel® Atom™ işlemcisi, yeni düşük enerjili ve mobil İnternet araçları için tasarlanmış çip ailesinin ilk ferdi olacak. İşlemcinin yakın zamanda çıkaca ğı duyruldu. Şirket ayrıca, birden fazla çip içeren ve taşınabilir aletler için en iyi İnternet keyfini yaşatan MID platformları için de yeni bir işlemci teknolojisi olan Intel® Centrino® Atom™ 'u duyurdu.[24]
Şekil 8.4 işlemci (Kaynakta 11 tanesi 1 Amerikan Pennysine sı ğar diyor, 1 Amerikan
Pennysinin çapı 19 mm, 1 Yeni Kuru şun çapı 17 mm, hesap yapınca yaklaşık 10 çıkıyor)[22] 73
İşlemci (Atom), küçük ama güçlü aygıtlar için tasarlanmış yepyeni bir mikromimariye sahip.
Çipin boyutu 25 mm2, bu da Intel'in şu ana kadar yaptı ğı en küçük ve en güçlü i şlemcisi demek. 10 tane çip 1 yeni kuru şun üzerine sı ğabilir. İstikbal'den Nanoteknolojik Kuma ş İstikbal, elektromanyetik dalgalarını %98.5 oranında engelleyen nanoteknolojik kuma ş
geliştirdiğini duyurdu. Kumaşın hem ev ürünlerinde hem de endüstride kullanılması düşünülüyor. Ürünün inşaatta, askeriyede de kullanılması dü şünülüyor.
"Biocare" adlı verilen kumaş, cep telefonu, mikrodalga fırın, mikrofon, kablosuz ileti şim araçlarından gelen elektromanyetik dalgaları engelliyor. TÜBİTAK kumaşın 500 kHz ile 6 gHz arası dalgalarını %98.5 oranında engelledi ğini tescilledi. Geliştirilen kumaşın, yakın zamanda aktif olarak kullanılacağı bildirildi.[24] En Hızlı Grafen Tranzistörü
IBM silikon en yüksek frekansta (26 GHz) çalı şan grafen tranzistörünü yaptı ğını açıkladı. Grafen üzerinde son yıllarda birçok ara ştırma yapılmakta. Malzeme, elektronik uygulamalarda kullanacaklar.
Şekil 8.5 Grafen transistorü[24] Şimdilik geçit uzunluğu 150 nm'lik tranzistör için bir sonraki hedef geçit uzunlu ğunu 50
nm'ye düşürmek. 74
Karbon Nanotüpler Bu Sefer Ayakkabı Altlı ğında
Adidas, Lone Star adını verdi ği, dünyanın ilk karbon nanotüple kuvvetlendilmi ş tabana sahip ayakkabısını geliştirdiklerini duyurdu. Daha önce tenis raketi, beyzbol sopası gibi ürünlerde kullanılan karbon nanotüpler, bu sefer ayakkabı altlı ğında kullanılmış oldu.
Şekil 8.6 Adidas Lone Star [24]
Karbon nanotüplerin mekanik ve kimyasal ba ğları altlığın ömrünü ve bütünlüğünü artırıyor. Yeni altlık Adidas'ın daha önce tasarladı ğı 3 parçalık tasarımdan daha esnek. Eskisinin üçte biri kalınlığa ve yarısı kadar ağırlığa sahip yeni altlık Adidas'ın ürettiği en hafif altlık.
Nano Teknoloji İle Kanser Tedavisi
Amerikalı bilimadamları, nanoteknolojiyle, kansere yol açan toksinleri tespit edebilen çok küçük bir algılayıcı geliştirdi. Vücuttaki belirli kimyasal maddelerin izlenebilmesi imkânı sağlayan algılayıcı, kanser ilaçlarının canlı hücreler üzerindeki etkisini de takip edebiliyor. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden Michael Strano, "karbon nanotüpleri" olarak adlandırılan karbon moleküllerinin ince iplikçiklerinden yapılan ve DNA ile kaplanan algılayıcının insan vücudundaki canlı hücrelerden çok daha küçük oldu ğunu söyledi. Algılayıcı, yakın-kızılötesi ışık tayfında saptanabilen floresan ı şığı yayıyor. İnsan dokularının aynı tayfta ışık yaymaması sayesinde algılayıcı göze çarpıyor. I şığın sinyali, algılayıcı hücre içinde DNA ile etkileşime girdiğinde değişiyor. Bu değişimler, bilim adamlarının belirli molekülleri tanımlamasına yardımcı oluyor. Algılayıcının DNA ile kaplanmış olması canlı hücrelerin içine güvenle enjekte edilmesine imkan sa ğlıyor.[20] 75
Şekil 8.7 Algılayıcı protatipi[20]
Çok düşük miktardaki kimyasalların vücuda etkilerini saptamak için etkili bir araç olarak hemen kullanılmaya başlanabileceği belirtilen algılayıcının zamanla, insan vücudunun görüntülenmesinde alternatif bir yöntem olarak da kullanılabileceği kaydediliyor.
Hisseden Teknoloji
Hisseden teknoloji, Karbon nanotüp a ğı üzerine kurulmuş bir nanoelektronik tespit platformudur. Birbirinden ayrı bir veya iki tespit elemanına sahip ince bir tespit çipi içerir. Tespit elemanlarının her biri, özel hedefi (analizi yapılacak madde) çözümlemek için bağımsız olarak fonksiyonel haldedir. Karbon nanotüplerin kendine has özellikleri ve nanoyapı tescilli üretim tekniklerinin geliştirdiği bu cihaz, az enerji tüketimine sahip, boyutu küçük ve yüksek hassasiyete sahip bir cihazdır.
Şekil 8.8 Nanotüp ağlardan oluşmuş nanoelektronik tespit aleti[24]
76
Bu teknoloji, nano yapıların ayrı ayrı yönlendirilmesi yerine, Karbon nanotüplerin gelişi güzel ağ kurmasından faydalanır. Aygıt, analizi yapılacak madde ile etkile şime girer ve gerçekleşen değişimleri elektronik simgelerle izlenecek hale dönüştürür. Karbon nanotüpler, ' özgünlük, hassasiyet, dinamikler ve sınıflandırma' gibi pek çok karakteristik özellikleri ortaya çıkarabilmek için, çok değişik kimyasal tanıma yöntemleri kullanılarak fonksiyonel hale getirilirler.[24
Nano Lehimleme
Gitgide daha küçük ölçekte elektronik devre üretimi, nanodevrelere olan ilgiyi artırdı. Japon araştırmacılar nanoseviyede lehimleme olarak adlandırabilecek bir yöntem geli ştirdiler. Gümüş nanotelleri çapraz yerleştirmek, kararlı devre oluşturmaya yetmiyor. Nanotellerin nanoseviyede birleştirme yöntemi, düzgün devre yapılması için çok önemli.
Şekil 8.9 Nanotellerin lehimlenmesi[20]
Gümüş nanotelleri birleştirmek için kullanılan yöntem şöyle işliyor: nanoteller kloroaurik asit ile indirgenip, metalik altın nanotanecikler olu şturuluyor. Japon araştırmacılar, Toriyama ve Ishiwatari bu yöntemi denedikleri zaman, tellerin aşındığını gözlemlemişler. Teller önce tiyol tabakası ile kaplanıp, daha sonra kloroaurik aside maruz bırakılırsa, nanotellerde a şınma olmuyor ve aralarında kalıcı bir bağ oluşuyor.
Yağ Lekeleri İçin Yeni Nanotel Kağıt
Nanotel kağıt, yağ ve diğer organik kirleri temizlemekte kullanılacak yeni bir malzeme olabilir. Bilim adamlarının ürettiği bu kağıt, ağırlığının 20 katı kadar ya ğ emebiliyor ve tekrar tekrar kullanılabiliyor. 77
Kağıt sıcaklığa dayanıklı olduğu için, emilen yağ tekrar kullanılabiliyor. Yağ emmiş kağıt ısıtılıyor, yağ buharlaşıyor, buharlaşmış yağ başka bir kapta damıtılıyor Böylece ya ğ tekrar kullanılabiliyor. Kağıt ayrıca suya da dayanıklı. Birkaç ay suda bekletilmi ş kağıtlar fonksiyonlarını kaybetmiyor.
“Bulduğumuz şey nanotellerden oluşmuş ve yağ gibi hidrofobik sıvıları sudan emebilen bir kağıt." diyor Francesco Stellacci, Malzeme Bilimi ve Mühendisli ği doçenti, çalışmayı yürüten bilim adamı. Yağı emebilen ilk malzeme bu de ğil ama bu kağıdın verimliliği diğerlerine göre yüksek. Kullanılan nanoteller potasyum magnezyum oksitten yapılmı ş. Nanotel kağıtlar su temizlenmesinde de kullanılabilir.[24]
Şekil 8.10 Kağıdın yağı nasıl emmesi[24
Fiberlerden Elektrik Üretimi
14 Şubat 2008 tarihli Nature dergisinde çıkan bir habere göre bilim adamları tekstil fiberlerinden elektrik enerjisi üretmeyi başardılar. Yöntem şöyle işliyor: yukarıda altınla kaplı ZnO nanoteller, altlarında bulunan normal ZnO nanoteller var. Bu nanoteller fiber üzerine sarılmış durumda.
78
Şimdi altınla kaplı nanoteller çekilince bunlar altlarındaki normal nanotelleri e ğiyorlar.
Nanotellerin piezoelektronik özelliğinden dolayı yamulan kısımlar, (yani normal nanotellerin üstü) artı, diğer kısımlar (alt taraf) eksi özellikte oluyor ve böylece akım üretilmiş oluyor.[23
Şekil 8.11 Fiberler[23]
Yani üzerimizdeki giysilerin fiberleri biz hareket ederken birbirine sürtünecek ve elektrik üretip elektrikli aletleri şarj edebilecek. Tabi ki bu yöntemle biraz zor, çünkü ZnO yıkanmaya dayanıklı değil, böyle bir T-shirt'ün hiç yıkanmaması lazım!
Şekil 8.12 Pembe tellerden biri normal ZnO nanotel, di ğeri ise altınla kaplı.[23]
Şekilde açık bir şekilde sistemi görebiliriz. Fırça şeklindeki çubuklar biribirine sürtüyor ve
elektrik üretiliyor. (yeşil altın kaplı, diğerini kaplanmamış farz edin)Grubun bir sonraki amacı üretilen voltaj seviyesini (800 nanovolt - 20 milivolt) yükseltmek.[23]
79
Karbon Nanotüpleri Ayırma Yöntemi
Blogda 2 çeşit karbon nanotüpten bahsetmi ştik zamanında: tek katmanlı ve çok katmanlı. Güneş pillerinin önemli bir bileşeni olan saydam iletkenlerde kullanıldı ğı zaman avantaj sağlayan çift katmanlı karbon nanotüplerin de önemi artıyor. Çift katmanlı nanotüpler, adından da anlaşıldığı gibi, iki atom kalınlığındaki karbon nanotüpler. Karbon nanotüp üretim yöntemlerindeki en önemli eksik, reaksiyon sonucu olu şan farklı tip nanotüpleri birbirinden ayıracak bir sistemin olmaması. Nanotüp üretiliyor ama hepsi istediğimiz tipten olmuyor.[23]
Northwestern Üniversitesi'nden iki araştırmacı, çift katmanlı karbon nanotüp üretimi için bir çözüm bulmuşlar. Yöntemin ismi ise yoğunluk gradient ultrasantrifigasyonu! Yöntem tek katmanlı ve çok katmanlı nanotüplerden, çift katmanlıları yo ğunluk farkını kullanarak ayırıyor.
Şekil 8.13 Çift katmanlı nanotülerin çeşitli mikroskoplarda görüntüleri[23]
Makale Nature Nanotechnology dergisinde yayınlandı. Nanomalzemelerin özellikleri boyutlarına aşırı derecede bağlıdır. Bu malzemeleri bir uygulamada kullanıp, güzel performans sağlayabilmek için; kullandığınız malzemelerin boyutları benzer olmalı. Bizim buluşumuz da tam bu sorunu çözüyor. 80
DÜNYADA NANOTEKNOLOJ İ
Nanoteknoloji alanında filizlenen dünya çapındaki faaliyet sadece ‘‘a şağıdaki yer’’ den faydalanmak için mantıksal bir giri şim olarak açıklanamaz. Diğer iki önemli insan motivasyonu ise şüphesiz ki bir rol edinmektir. Biri öncesinde hiç ayak basılmamı ş bir zirveye çıkmak isteyen bir da ğcınınki gibi sadece ‘‘bu daha önce yapılmamı ştı’’ tarzı bir motivasyondur. Diğeri ise ‘‘doğayı ele geçirmek’’ için olan sürekli arzudur. Bunu a şina olunan makroskopik ölçekte bu şekilde yapmaya yönelik fırsatlar çok sınırlıdır, çünkü çok fazlası zaten yapılmıştır. Diğer yandan, uzay endüstrisinin roketin ta şıdığı yükleri olabildiğince küçük boyutlarda ve hafif yapmak için sürekli bir talebi vardır. Nanoteknolojik malzemeler, cihazlar ve sistemlerin yeterince eminyetli hale geldikten sonra uzay sanayine oldukça uymaktadır.[15] ABD’de mevcut teknolojiler doyum noktasına yakla şırken ve uluslararası rekabet karşısında kâr marjları düşerken, nanoteknolojide oluşabilecek pazar ve elde edilecek kârı çok iyi değerlendirebilen ekonomistler, Başkan Clinton’a baskı yapıp nanoteknolojiyi öncelikli alan olarak ilan ettirdiler. O günden bu günlere gelirken ABD’de kurumlar yeniden yapılanmaya giderek yeni yatırımlar yapıldı, çok sayıda laboratuvar kuruldu. 2015 yılında ABD’de nanoteknoloji ürünlerinin satışlarının 1-3 trilyon dolar dolaylarında gerçekle şeceği tahmin edilmekte. ABD’de üniversite ve ara ştırma merkezleri kendi aralarında örgütlenerek kaynakları daha etkin kullanmak üzere “ara ştırma üçgenleri” oluşturmuş bulunuyorlar. [16] Günümüzde ABD dışında Japonya, Avrupa Birli ği ülkeleri, israil, Çin ve Kore’de de nanoteknolojiye önem verilmekte. Çin’de nanoteknoloji konusunda bir milyon uzman ve araştırmacı yetiştirmek üzere yeni bir program ba şlatılmış durumda. Avrupa Birliği 2010 yılında ABD ve Japonya’yı yakalamak için 6. Çerçeve Programında nanoteknolojiyi öncelikli alan ilan etti. Son zamanlarda ABD ve Avrupa’da çok sayıda nanoteknoloji ara ştırma merkezi, ayrıca üniversitelerde bu alanda yüksek lisans programları açıldı. Nanoteknolojide Son Gelişmeler Nanoteknolojinin önümüzdeki 10- 15 yıl içinde yeni bir teknoloji devrimi olarak ortaya çıkacağına inanılıyor. [4] Teknolojide ilerlemiş ülkeler nanoteknolojiye odaklanarak, bu devrimin içinde yer almalarını sağlayacak programlar üzerinde ciddi çalı şmalar yapmaktalar. Bütün bu çabaların altında teknoloji yarışında geri kalma endişesi yatıyor. 81
20. yüzyılın başından beri gelişmekte olan ve her alanda, bilgi i şllemden işlemden akıllı malzemelere ve mikroelektroniğe kadar çok gelişmiş teknolojileri kullanan otomotiv endüstrisinde rekabet nedeniyle son yıllarda kâr marjları çok dü şmüş durumda. Gelişmiş ülkeler otomotiv sanayi ve benzer sanayileri daha az geli şmiş ülkelere bırakıp rekabetsiz bir ortamda yüksek kârlı teknolojilere yönelmekteler. Nanoteknoloji bu ba ğlamda (kozmetikte reflektan boyalardan tıp dalında kanser tedavisine kadar) geni ş bir alanı kapsayan uygun bir konu olarak ortaya çıktı ve bu nedenle de bütün önceliklere sahip oluverdi. [4] Günümüzde tekstil sanayi de benzer sıkıntıları ya şamakta. işçiliklerin çok yüksek olduğu gelişmiş ülkelerin tekstil sanayi, geli şmekte olan ülkelerin, özellikle Çin’in ucuz i ş gücüne dayalı rekabeti karşısında yok olmaya yüz tutmakta. şimdi ingiltere ve ABD’de yüksek teknoloji kullanılarak tekstil sanayilerinin yeniden canlandırılması için ciddi adımlar atılıyor. Ancak, Çin’de de tekstil sanayinde uygulanacak nanoteknoloji ürünleri hızla geli ştiriliyor. Çin’de geliştirilen kirlenmeyen kumaşlar ve dokuma ürünleri nedeniyle, çama şır makinesi üreten kuruluşların stoklarını eritip kapasite indirimine gideceklerinden bahsediliyor. Aslında nanoteknolojinin tekstil sanayinde çok önemli i şlevinin olacağı biliniyor.[4] Dokumada kullanılacak elektronik fiberler sayesinde, istenildi¤inde renk de ğiştirebilen, vücudumuzu zararlı ışınlardan koruyan, güne ş enerjisinden elektrik üreterek yazın so ğutan, kışın ısıtabilen giysilerin yakın bir zamanda vitrinlere çıkması beklenmekte. Özel polimerler sayesinde terin emilip vücudumuzun kuru kalmasını sa ğlayan, su tutmayan giysiler şimdiden geliştirildi. Nanobilim ve nanoteknolojide araştırma çalışmaları çok çeşitli alanlarda sürdürülüyor. Son zamanlarda nanometre boyutlarında ortaya çıkan çe şitli kuantum olaylar, ısı ve elektrik iletkenliğinin kuantumlaşması, spine bağlı elektron taşınması, faz tutarlılığı, kararlılık ve denge dı şı fiziksel olaylar çok sayıda kuramsal ve deneysel çalı şmalara konu oldu. Nanotellerde kuantum iletkenlikle tel kesiti arasında gözlemlenen ilginç ili şkiler, nanoölçeklerde tel çapının ve bir bakıma kesitte bulunan atom sayısının bile kesikli olarak değişeceğini gösteriyor. Böylece nesne büyüklüklerinin de kuantumla şabileceği sorusu gündeme geliyor.[15]
82
