Influence of interface structure on the nanotribological properties of exfoliated graphene
Arayüz yapısının mekanik soyma yöntemiyle elde edilen grafenin nanotribolojik özelliklerine etkisi
- Tez No: 434195
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. MEHMET ZEYYAD BAYKARA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
Nano ve mikro ölçekte sürtünmeyi en aza indirgemek amacıyla sıvı kayganlaştırıcıların kullanımı, yüksek seviyelerde gerçekleşen yüzey gerilimi ve ilgili etkilerden dolayı mümkün olmamaktadır. Bu kısıtlamayı aşmak için nano ve mikro boyutlu sistemlerde kullanıma uygun katı kayganlaştırıcılara ihtiyaç duyulmaktadır. Üstün mekanik özelliklere sahip iki boyutlu bir malzeme olan grafen, bu amaç için uygun bir aday olarak ortaya çıkmaktadır. Yukarıda sunulan argümanlar ışığında, bu yüksek lisans tezi, mekanik soyma yöntemiyle elde edilen grafenin nanotribolojik özelliklerinin atomik kuvvet mikroskopisi (AKM) vasıtasıyla incelendiği ve özellikle arayüz yapısının etkisine vurgu yapılan kapsamlı bir araştırma sunmaktadır. Mekanik soyma yöntemi ile tek- ve az-katman grafen numuneler oluşturulup Si/SiO2 alttaşlar üzerine aktarılmıştır. Optik mikroskopi ve Raman spektroskopisi kullanılarak, tek- ve çift-katman grafen numuneler teşhis edilmiş ve yerleri saptanmıştır. Ayrıca, AKM yöntemiyle elde edilen topografik haritalar ve ilintili kesitler kullanılarak 3- ve 4-katman grafen numuneler ile yığın grafit olarak tanımlanabilecek bölgeler bulunmuştur. Dahası, AKM uçları oda koşullarında temaslı kipte kullanılacak şekilde, hem hassas normal kuvvet ölçümleri almak, hem de yanal kuvvet ölçümlerinden kantitatif sürtünme kuvveti verileri elde edebilmek adına kalibre edilmiştir. Numune hazırlama, tanımlama ve AKM uç kalibrasyonunun ardından, uygulanan dikey kuvvetin tek-, 2-, 3-, ve 4-katman grafenin sergilediği sürtünme davranışına etkisini belirlemek adına deneyler gerçekleştirilmiş, elde edilen sonuçlar literatürde rapor edilen ve buruşma etkisiyle açıklanan mevcut verileri doğrulamıştır. Ek olarak, AKM uç yarıçapının ve dolayısıyla temas alanının grafenin sürtünme davranışına olan etkisi kantitatif olarak değerlendirilmiştir. Bu amaçla, ısıl buharlaştırma ve PECS (hassas dağlama ve kaplama sistemi) yöntemleri kullanılarak AKM uçları üzerine altın kaplanmış ve uç yarıçapları böylece büyütülmüştür. Bu şekilde elde edilen deney sonuçları, grafenin sürtünme özelliklerini etkileyen yeni bir değişkenin tespitini sağlamıştır: arayüz pürüzlülüğü. UC Merced bünyesinde çalışmalarını yürüten bilim insanlarıyla iş birliği sonucu elde edilen ve burada sunulan deneysel sonuçları destekleyen moleküler dinamik simülasyonları da kullanarak, alttaş pürüzlülüğünün grafenin sürtünme davranışına etkisi analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, bahsi geçen etkinin, buruşma etkisine ek olarak veya ona baskın olacak şekilde tezahür ettiğini ortaya koymaktadır. Sunulan deneysel sonuçlar, grafenin katman sayısına bağlı sürtünme davranışında, literatürde iyi incelenmiş olan buruşma etkisine ek olarak alttaş pürüzlülüğünün de etkisini vurgulayan yeni bir bakış açısı getirmektedir.
Özet (Çeviri)
On the nano- and micro-scale, conventional liquid-based lubrication cannot be utilized to minimize friction due to excessive surface tension and related effects. To overcome this limitation, solid lubricants suitable for use in nano- and micro-scale systems are needed. Being a two-dimensional material with outstanding mechanical properties, graphene emerges as a promising candidate for this purpose. Motivated as above, this M.S. thesis presents a comprehensive investigation of the nanotribological properties of mechanically-exfoliated graphene conducted via atomic force microscopy (AFM), whereby special emphasis is placed on the effect of interface structure. Graphene samples ranging from single- to few-layers were fabricated using the mechanical exfoliation method and transferred onto Si/SiO2 substrates. By utilizing optical microscopy and Raman spectroscopy, graphene flakes exhibiting single- and bi-layer regions were located and identified. Furthermore, using topographical maps and associated profiles obtained via AFM, 3-, 4-layer and bulk graphite regions were found. Moreover, AFM probes were calibrated both for accurate normal force readings, and for obtaining quantitative friction force data from lateral force measurements conducted via contact-mode AFM under ambient conditions. Following sample preparation, identification and probe calibration, experiments aimed at measuring the effect of applied load on friction of single- and 2-, 3-, 4-layers of graphene were performed, confirming previous results reported in the literature as explained by the puckering phenomenon. Additionally, the effect of tip radius and thus, contact area, on the frictional behavior of graphene was quantitatively measured. In particular, thermal evaporation- and PECS (precision etching coating system)-based coating of gold onto AFM probes were utilized to modify tip radii. Results led to the determination of a new parameter affecting friction on graphene: interface roughness. In collaboration with scientists from UC Merced who performed molecular dynamics simulations complementing the experiments presented here, the effect of substrate roughness, which may be in addition to, or dominant over, the puckering phenomenon, was analyzed in terms of the frictional behavior of graphene. Presented experimental results provide a new perspective towards the layer-dependent frictional behavior of graphene, underlining the influence of substrate roughness in addition to the phenomenon of puckering that is well-studied in the literature.
Benzer Tezler
- Improvement of interface in PVC and aluminium structures
PVC-alüminyum yapılarında ara yüzeyin iyileştirilmesi
DİDEM KALE
Doktora
İngilizce
2022
Kimyaİzmir Katip Çelebi ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ÖZGÜR SEYDİBEYOĞLU
- Fotovoltaik ve foto sensör uygulamalarda kullanılmak için hazırlanan metal/GO-SiO2-Polimer/n-Si/metal heteroeklem yapıların fotoelektrik ve elektriksel özelliklerinin incelenmesi
Investigation of photoelectric and electrical properties of metal/ GO-SiO2-Polymer / n-Si / metal hetero-joint structures prepared for use in photovoltaic and photo sensor applications
HALİL SEYMEN
Doktora
Türkçe
2024
Metalurji MühendisliğiKahramanmaraş Sütçü İmam ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞÜKRÜ KARATAŞ
- Synthesis of some functional conducting polymers, characterization, Mott-Schottky analysis and sensor applications
Bazı fonksiyonel iletken polimerlerin sentezi, karakterizasyonu, Mott-Schottky analizi ve sensor uygulamaları
TOLGA KARAZEHİR
Doktora
İngilizce
2017
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
PROF. DR. MURAT ATEŞ
- Effect of polymer architecture on structure and dynamics of polymer nanocomposites
Polimer mimarisi'nin polimer nanokompozitlerin yapısı ve dinamiği üzerindeki etkisi
SAEID DARVISHI
Doktora
İngilizce
2024
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERKAN ŞENSES
- Farklı fiberlerle güçlendirilmiş kompozit rezinin mine ve dentine bağlanma dayanımının makaslama testi metoduyla değerlendirilmesi ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmesi
Evaluation of bond strengths of different fiber reinforced composites to enamel and dentine with shear bond test method and scannig electron microscopy (SEM) observations
NURCAN ÖZAKAR İLDAY
Doktora
Türkçe
2010
Diş HekimliğiAtatürk ÜniversitesiDiş Hastalıkları ve Tedavisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN SEVEN