Atomic layer deposition of metal oxides on self-assembled peptide nanofiber templates for fabrication of functional nanomaterials
Kendıliğinden düzenlenen peptit nanolif kalıplar ve atomik katman kaplama yöntemiyle fonksiyonel nanomalzeme üretimi
- Tez No: 436338
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MUSTAFA ÖZGÜR GÜLER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 70
Özet
Nanomalzeme sentez yönteminde başlıca iki temel yaklaşım vardır. İlki yukarıdan-aşağıya bir yaklaşım ve daha yüksek hacimli malzemeden kimyasal, fiziksel, mekanik ya da termal yollarla malzeme uzaklaştırılmasını gerektirir; asit aşındırma, odaklanmış iyonlama, lazer ablasyon bu yukarıdan-aşağıya sentez teknikleri arasında yer almaktadır. Bu nano yapılı malzeme sentez yöntemi her ne kadar malzemenin yapı kontrolünde zayıf da olsa, basit bir yöntemdir. Günümüzün yüksek hacimli CMOS transistör üretme teknolojisinde yerini almaktadır. Öte yandan, aşağıdan-yukarıya yaklaşım ince ve uygun ayarlanmış küçük malzeme bloklarını kullanır. Aşağıdan-yukarıya yaklaşım doğrudan hedef nanoyapıların kendiliğinden düzenlenerek bir araya gelmesi veya sentetik veya doğal nanokalıpların kullanılarak doğrudan malzeme büyütme yoluyla gerçekleştirilmektedir. Aşağıdan-yukarıya malzeme sentez yöntemi hem elde edinmek istenen malzeme yapıları hem de yapısal hiyerarşileri oluşturmak için oldukça geniş bir yelpaze sunar. Birçok biyolojik sistem karmaşık kalıp tabanlı biyomolekül malzeme oluşturmak için benzer bir yaklaşım kullandığından bu yöntemle nano yapılı malzemelerin sentezi büyük önem taşımaktadır. Peptit amfifil (PA) moleküllere özgün olan bir araya kendiliğinden düzenlenerek oluşan yapılar olduğundan, anorganik malzeme kalıplamada çok yönlü bir araç sunmaktadır. PA malzemeler nano ölçekli anorganik malzemelerin üretimi için çeşitli çalışmalarda, yumuşak kalıplar olarak kullanılmıştır. Bu çalışmaların çoğunda kalıp yüzeyi üzerinde malzeme birikimi solüsyon tabanlı biriktirme yöntemi üzerinde yoğunlaşmıştır. Her ne kadar bu yöntemle başarılı malzeme biriktirme gerçekleştimek mümkün olsa da, malzeme kalınlığının hassas kontrolünü, malzeme kalınlığı bütünlüğünü ve yüksek konformluğunu tekrarlanabilir bir şekilde elde etmek zordur. Bu zorluğu aşmak için, bu tezde, atomik katman biriktirme (ALD) tekniği ile PA nanoağ kalıpların üzerine konformal bir şekilde malzeme büyütme gerçekleştirildi. ALD buhar fazından kendini sınırlayan bir biçimde düşük sıcaklıkta tekrarlı bir şekilde malzeme büyütme yöntemidir. Her bir yarım döngüde, Ti- ya da Zn- içeren uçucu metalorganik kompleksler kendi kendini sınırlayan homojen tek tabaka oluşturur ve hemen arkasından, bir oksijen öncüsü olarak su buharı (H2O) ile reaksiyona girerek yarım döngüyü tamamlar. Her bir yarım döngü arası temizleme döngüleri ile ayrıldığından, gaz fazında reaksiyonlar gerçekleşmez. Malzeme büyütmesi yalnızca yüzeydeki kimyasal ligand-yer değiştime reaksiyonları ile gerçekleşir. ALD yaklaşımı ayarlanabilir duvar kalınlığı ve yüksek kalıp konformalitesine sahip TiO2 veya ZnO nanoağların oluşmasını mümkün kıldı. Elde edilen metal oksit-peptit hibrid malzemeler farklı işlemlere tabi tutuldu. TiO2 malzeme içerisende bulunan organik kalıp 450 °C sıcaklıkta uzaklaştırılmıştır. Bu sıcaklık TiO2 malzemesini amorf yapısından anataz formuna dönüştürmüştür. ZnO malzemesi ALD işlemi sırasında hekzagonal kristal şeklinde büyüdüğünden, ZnO-peptit hibrid malzeme için herhangi bir ısıl işlem uygulanmadı. Prensip olarak, geniş bant aralıklı yarı iletkenler olan anataz forma sahip TiO2 ve hekzagonal yapıya sahip ZnO fotoanot malzemeleri olarak kullanılabilirler. Nanoyapılı anodik malzemeler yük taşıyıcı ayırma, yük taşıyıcı taşıma ve aktif yüzey alanınlarında önemli bir artış sağladığından hala büyük bir ilgi çekmektedir. Burada kendiliğinden düzenlenmiş yumuşak kalıplar üzerinde büyütülmüş nano yapılı TiO2 ve ZnO malzeme üretimini göstermekteyiz. Yöntemin kavramsal kanıtı olarak, TiO2 ve ZnO yarıiletken malzemeler boya duyarlı güneş hücrelerinde kullanıldı. Değişen malzeme kalınlığının açık devre gerilimi (Voc), kısa devre akımı (Jsc) ve dolgu faktörü gibi hücre parametreleri üzerinde etkisi olabileceğinden güneş hücreleri üzerindeki performansları incelendi. Farklı TiO2 (100, 150 ve 200) ve ZnO (100, 125 ve 150) katman döngülerine sahip üç grup fotoanot malzeme üretildi. Fotoanot içerisindeki TiO2 ve ZnO nanoağlar elektron transferini kolaylaştıracak şekilde birbirine bağlı bir nanotüp sistemi oluşturdu. Ayrıca, bu ağlar, gözenekli, yüksek yüzey alanlı malzemeler olup ve yarı iletken malzeme yüzeyine tututan boya moleküllerinin sayısını büyük ölçüde artırabilir.
Özet (Çeviri)
There are mainly two basic approaches in nanostructured materials synthesis. The first one is the top-down approach and requires material removal from a bulk substrate material by chemical, physical, mechanical or thermal means; acid etching, focused ion milling, and laser ablation are among these top-down synthesis techniques. It is a straightforward – albeit poor in material architecture control – method that has established its niche in today's high-volume CMOS transistor fabrication technology which already produces single-digit nanometer-scale device features. On the other hand, bottom-up approach exploits fine-tuned materials assembly. Bottom-up approach is realized via direct self-assembly of target nanostructures or material growth on synthetic or natural nanotemplates. Bottom-up nanostructured materials synthesis offers considerably wider spectrum of achievable material architectures and structural hierarchies. Synthesis of nanostructured materials on self-assembled soft nanotemplates is of significant importance because many biological systems utilize this very similar approach to construct complex biomolecule-templated materials. Peptide amphiphile (PA) molecules with their intrinsic property to self-assemble into nanostructures such as fibers, present a versatile tool in inorganic material templating. PAs were used as soft templates in several studies for fabrication of nanoscale inorganic materials. Most of these studies are focused on in-solution material deposition on the surface of a template. Even though this approach allows successful material deposition, precise control over material thickness, uniformity, and high conformality is difficult to achieve in a repeatable manner. In order to circumvent this challenge, in this thesis, atomic layer deposition (ALD) technique was deployed for conformal coating of PA nanonetwork templates. ALD involves low-temperature iterative vapor-phase material deposition in a self-limiting fashion. In each deposition half-cycle, Ti- or Zn- containing volatile metalorganic complexes form a self-limiting uniform monolayer that consequently reacts with water vapor (H2O) as an oxygen precursor in the subsequent process half-cycle. As each half-cycle is separated with purge cycles, no gas-phase reactions occurs and material growth proceeds only with surface chemical ligand-exchange reactions. ALD approach allowed obtaining TiO2 or ZnO nanonetworks with tunable wall thickness and ultimate conformality. Obtained metal oxide-peptide hybrid materials were further treated differently. In the case of TiO2, organic template was removed upon calcination at 450 °C, a temperature at which amorphous titania transforms to anatase form. ZnO-peptide hybrid materials on the other hand, did not undergo any thermal processing, as ZnO already grows in wurtzite crystalline form during ALD process. In principle, nanostructured anatase TiO2 and wurtzite ZnO are wide bandgap semiconductors which can be used as photoanode materials. Nanostructured anodic materials still attract a great interest as the matter at nanoscale regimes can provide considerable enhancement in charge carrier separation, charge carrier transport, and active surface area. Here we demonstrate the fabrication of nanostructured TiO2 and ZnO on self-assembled soft templates. As a proof of principle, we utilized semiconducting TiO2 and ZnO in assembly of dye sensitized solar cells and studied material thickness effect on device performance parameters such as open circuit voltage (Voc), short circuit current (Jsc), and fill factor. Three sets of nanostructured photoanodes with different TiO2 deposition cycles (100, 150, and 200) and ZnO deposition cycles (100, 125 and 150) were fabricated. TiO2 and ZnO nanonetworks in photoanodes form a system of interconnected nanotubes, which can facilitate electron transfer. Moreover, these networks are porous high-surface area materials and they can drastically increase number of sensitizer molecules attached to the semiconductor material surface.
Benzer Tezler
- Self-assembled monolayers on metal oxides: Applications in nanotechnology
Başlık çevirisi yok
OKTAY YILDIRIM
Doktora
İngilizce
2010
Kimya MühendisliğiUniversity of TwentePROF. DR. JURRIAAN HUSKENS
PROF. DR. GUUD RIJNDERS
- Atomic layer deposition of III-nitrides and metal oxides; their application in area selective ALD
III-nitratların ve metal oksitlerin atomik katman kaplamısı; bunların alan seçici ALD'deki uygulamaları
ALI HAIDER
Doktora
İngilizce
2017
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Assist. Prof. AYKUTLU DANA
DR. NECMİ BIYIKLI
- Ark PVD yöntemiyle tin kaplanmış kesici takımların karakterizasyonu ve performanslarının incelenmesi
Başlık çevirisi yok
M.CENK TÜRKÜZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. E. SABRİ KAYALI
- Atomic layer deposition of metal oxide thin films and nanostructures
Metal oksit ince film ve nanoyapıların atomik katman kaplama yöntemi ile büyütülmesi
İNCİ DÖNMEZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NECMİ BIYIKLI
- ALD yöntemi ile düşük sıcaklıkta büyütülen ZnO esaslı TFT'lerin üretimi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of ZnO based TFT's deposited under low temperature by ALD
LÜTFULLAH DURNA
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji MühendisliğiGazi Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ATEŞ