Geri Dön

Investigation of swift heavy ion irradiated graphitic surfaces and novel graphene based devices

Yüksek enerjili ağır iyonlar ile bombardıman edilmiş grafitik yüzeylerin ve yeni grafen cihazlarının araştırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 465400
  2. Yazar: CEM KINCAL
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. OĞUZHAN GÜRLÜ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 98

Özet

Malzemelerin fiziksel özelliklerini değiştirmek için kontrollü şekilde atomik ölçekte kusur oluşturmak uzun yıllardır araştırılmaktadır. Özellikle son yıllarda grafen gibi iki boyutlu malzemeleri kullanarak çok küçük elektronik devre elemanları (nanometre mertebesinde) üretme çalışmaları, bu malzemelerde kontrollü kusur oluşturma gerekliliğini ortaya çıkarmıştır. Bu tarz yapılarda tek bir atomdan dolayı oluşan kusurlar dahi malzemenin tüm elektronik karakteristiğini değiştirebilmektedir. Çok küçük ölçekte yapay bir şekilde kusur oluşturmanın yollarından biri yüksek enerjili ağır iyonlarla bombardımanlamaktır. Bu çalışmanın ilk aşamasında yüksek enerjili ağır iyonlarla (uranyum ve kurşun) bombardıman edilmiş çok düzenli pirolitik grafit (highly oriented pyrolytic graphite (HOPG)) yüzeyler Taramalı Tünelleme Mikroskobu (TTM) ile çalışılmıştır. Aynı zamanda bir grafen katmanının diğer grafen katmanları üzerinde dönmesi ya da kayması ile oluşan moiré yapıları aynı iyonlarla bombardıman edilmiş ve TTM ile çalışılmıştır. İlk sonuçlarımızdan biri dik olarak bombardıman edilmiş grafitik yüzeylerde oluşan kusurların beklenilenin aksine sadece nokta şeklinde değil, aynı zamanda farklı boyutta ve şekillerde oluşması olmuştur. Bu durum bombardıman kaynağı olan iyon demetinin geliş açısının lokal varyasyonlarının olabileceği gibi aynı zamanda bombardıman edilen bölgenin morfolojik özelliklerinin bombardıman sonucu kusur oluşumunu etkileyebileceğini göstermiştir. Bir diğer çalışmamız yüzey normaline göre 80o geliş açısıyla yapılan yüksek enerjili ağır iyon bombardımanın sonucunda oluşan kusurları incelemek üzerine oldu. Bombardıman deneyleri sonucunda literatürdeki çalışmalara benzer şekilde kuyruklu yıldız şeklinde kusurlar TTM ile görüntülenmiştir. Bu yapıların kuyruk kısmında TTM ile atomik çözünürlük alınabilmiştir. Bu durum iyonun grafitik yüzeyin derinliklerinde seyahat ederken yüzey katmanlarına hasar vermediğinin bir göstergesidir. Kuyruklu yıldız şeklindeki yapıların kuyruk kısımlarında morfolojik bir değişiklik olmamasına rağmen TTM ile gözlemlenebilmesi TTM'nin hem elektronik hem de morfolojik değişiklikleri görebilmesinden dolayı bu kuyruk kısımlarının yüzeyde elektronik bir değişikliğe sebep olduğu ve TTM ile bu değişikliklerin yükseklik farkı olarak görüldüğüne bir örnek teşkil etmektedir. Ayrıca, kuyruklu yıldız şeklindeki yapıların kafa kısımlarında TTM ile atomik çözünürlük elde edemediğimizden, bu kısımların yüzeyde oluştuğunu ve yüzey katmanlarının hasar görmesine neden olduğunu söyleyebilmekteyiz. Ayrıca farklı üreticilerden alınan çok düzenli pirolitik grafit kristallerinin bombardıman edilmesi sonucu kuyruklı yıldız biçimindeki kusurların, özellikle kafa yapılarının, şeklen farklılık gösterebileceği görülmüştür. Literatürde; HOPG'nin alt katmanlarında çeşitli kusurlar bulunabildiği ve bu kusurların HOPG'nin elektronik yapısını değiştirebildiği hakkında çeşitli çalışmalar bulunmaktadır. Farklı üreticilerden aldığımız farklı HOPG kristalleri üzerinde yaptığımız çalışmalar, kusur oluşumlarının farklı kalitedeki kristallerde değişebileceğini göstermiştir. Kuyruklı yıldız şeklindeki kusurların kafa yapılarındaki değişimlerin bize gösterdiği; kristalin alt katmanlarındaki elektronik veya morfolojik değişikliklerin yüksek enerjili ağır iyon ile etkileşim sürecinde etkisi olduğu ve bu etkileşim sonucu yüzeyde oluşan morfolojik değişimin (kuyruklı yıldız şeklindeki kusurun kafa yapısı) şekline ve boyuna etki ettiğini bize göstermiştir. Bu durum iyonun sadece yüzey ile değil aynı zamanda kristalin alt katmanlarıyla da etkileşiminin kusur oluşumuna etkide bulunabileceği bilgisini vermektedir. Son yılların popüler malzemelerinden biri olan grafenin sıyırma açısı ile gelen yüksek enerjili ağır iyonlarla bombardımanı literatürde sıklıkla çalışılmaktadır. Bu çalışmalar sonucu görülen; dielektrik üzerinde bulunan grafen katmanlarının sıyırma açısı ile gelen yüksek enerjili ağır iyonlarla bombardımanı sonucu grafen katmanının yırtılıp açılması durumu bir çok araştırmacı tarafından gözlemlenmiştir. Fakat bu yırtılıp açılma durumunun gönderilen iyon demetiyle grafenin doğrudan etkilişiminden mi yoksa iyonun alttaş ile etkileşimi sonucu alttaşta oluşan kusurun grafeni zorlayıp yırtmasından dolayı mı olduğu hala açık değildir. Literatürdeki çoğu rapora göre moiré yapıları grafen katmanları üzerinde bağımsız duran başka bir grafen katmanı gibi davranabilmektedir -başka bir deyişle doğal alttaşı üzerinde duran grafen katmanı- moiré yapılarının bu özelliği grafenin kendi doğal alttaşı üzerinde çalışılabilmesine olanak sağlamaktadır. Ayrıca farklı moiré yapılarının elektronik olarak farklılık gösterebileceği de yine literatürde oldukça tartışılmaktadır. Bu özellikler moiré yapılarını; hem doğal alttaşı üzerinde duran grafenin yüksek enerjili ağır iyonlarla bombardıman edilmesi çalışmaları için hem de HOPG kristali üzerinde veya altkatmanlarında oluşan lokal elektronik değişimlerin bombardıman sonuçlarına etkilerini çalışmak için elverişli kılmaktadır. TTM sonuçlarımız bize moiré yapılarının yüzey normaline göre 80o ve 87.5o açısı ile gelen yüksek enerjili ağır iyonlarla bombardıman edildiği zaman dielektrik üzerindeki grafen katmanlarında olduğu gibi yırtılma veya açılmaya uğramadığını göstermiştir. Bu durum grafenin yırtılmasındaki alttaş etkisini kanıtlamaktadır. Sonuçlarımız göstermiştir ki; yüksek enerjili ağır iyon bombardımanı sonucu kusur oluşumu kristalin alt katmanlarından başlamakta ve yüzeyde kusur oluşumuna sebep olmaktadır. Çalışmalarımız göstermiştir ki, literatürde bahsedilen dielektrik üzerinde bulunan grafen filminin yüksek enerjili ağır iyonlarla bombardımanı sonucu meydana gelen grafen filminin yırtılma ve açılma durumu, yüksek enerjili ağır iyon ile grafenin doğrudan etkileşimi sonucu değil, iyon ile dielektrik alttaşın etkileşimi ile oluşan kusurların grafenin yırtılmasına sebep olması sonucu meydana gelmektedir. Gözlemlerimizin çoğu dik geometri ile bombardıman edilen moiré yapılarının da aynı şekilde hasarsız kaldığı ve HOPG üzerindeki kusurlara benzer kusurların oluştuğu yönünde olmuştur. Fakat, moiré yapıları üzerinde oluşan kusurlar aynı bölgede bulunan ve HOPG üzerinde oluşan kusurlardan daha küçük görülmüştür. Bu durum moiré yapılarının yüksek enerjili ağır iyon ile etkileşimde bulunurken iyonun enerjisinin bir kısmını dağıttığı ve daha küçük kusur oluşumuna neden olduğunu göstermektedir. Ender de olsa bazen dik geometri ile bombardıman edilmiş moiré yapılarının delinebildiği gözlemlenmiştir. Ayrıca bu moiré yapılarının periyotlarının da yapı üzerindeki farklı noktalarda değişiklik gösterebileceği görülmüştür. Bizim düşüncemiz, HOPG'nin derinliklerindeki elektrostatik varyasyonların buna neden olduğudur. Eğer moiré yapısı daha yalıtkan özellikteki HOPG bölgesinin üzerinde bulunuyorsa bombardıman sonucu delinebilmekte, daha iletken özellikteki HOPG bölgesinin üzerinde bulunuyorsa delinmeden temiz HOPG'dekine benzer kusur barındırabilmektedir. Bir başka çalışmamız yırtılma açısı ile bombardıman edilen grafitik yüzeylerde oluşan kuyruklu yıldız yapısındaki kusurların tribolojik özelliklerini araştırmak idi. Bu çalışma için bombardıman edilmiş grafitik yüzeyleri Sürtünme Kuvvet Mikroskobisi (SKM) ile araştırdık. SKM sonuçlarımız TTM sonuçlarımız ile benzer sonuçlar göstermiştir. Gözlemlerimize göre kuyruklu yıldız şeklindeki yapıların kafa kısımları simultane şekilde alınan sürtünme kuvveti ve topografi haritalarında görülmüştür. Fakat ilginç bir şekilde kuyruklu yıldız yapısındaki kusurların kuyruk kısımları sürtünme kuvveti haritasında görülebilmesine rağmen topografi haritasında görülememektedir. Önceden bahsettiğimiz gibi kuyruklı yıldız yapılarının kuyruk kısımları TTM ile görülebilmekte hatta üzerlerinde atomik çözünürlük alınabilmektedir ki bu durum TTM'nin doğası gereği kuyruk kısımlarının elektronik bir yükseklik farkına neden olduğunu gösterebilir. Bu iki sonucu kombine edersek kristalin derinliğinden gelen elektronik kaynaklı bir etkinin yüzeyde tribolojik bir farka neden olduğunu söyleyebiliriz ki bu iki yüzey arasındaki sürtünmenin sadece yüzeyden değil aynı zamanda kristalin aşağı katmanlarının oluşturduğu bir etkiden de kaynaklanabileceğini göstermektedir. Tezin ikinci aşamasında Kimyasal Buhar Biriktirme (KBB) yöntemi ile bakır folyolar üzerinde büyütülerek kuvars ya da cam plakalar üzerine aktarılmış grafenden transparan ısıtma elemanları yapımı çalışılmıştır. Grafen aktarma prosedürü olarak ıslak kimyasal yöntem kullanılmış ve amacımıza göre geliştirilmiştir. Önceki çalışmalaramızda; KBB ile bakır folyo üzerinde grafen büyümesi sırasında, nokta ya da denritik yapıda silikon-oksit nanoparçacıkların oluştuğunu gözlemlemiştik. Geliştirdiğimiz aktarma yöntemiyle, grafen filmleri ile birlikte silikon-oksit nanoparçacıkların da bir yüzeyden başka bir yüzeye aktarılabildiğini gördük. Aktarma işleminin ardından, cam ve kuvars üzerindeki grafenlere bakır folyo ve iletken epoksi yardımı ile kontak alınarak dirençleri kΩ mertebesinde ölçülmüştür. Bu mertebedeki dirençler bize, grafen filmlerimizi ısıtma elemanı olarak kullanma olanağını araştırma fikrini verdi. Cam ve kuvars üzerindeki grafeni ısıtma deneyi sonuçlarımız; üzerinden akım geçirilen transparan grafen ısıtma elemanının çok yüksek sıcaklıklara (310o) çok düşük güç tüketimiyle (27.2 Watt) çıkabildiğini göstermiştir. Çalışmamızın devamında farklı büyütme parametreleriyle üretilen grafen filmlerinin ısınma özelliklerini inceledik. Raman spektroskopisi ve taramalı elektron mikroskobu sonuçlarımız bize KBB ile bakır folyo üzerinde büyüttüğümüz grafen filmlerinin tek katmanlı grafen üzerinde oluşan çok katmanlı grafen adacıklarına sahip olduğunu göstermiştir. KBB ile grafen büyütme parametrelerini (gaz akıları, gaz dozlama süreleri vb.) değiştirerek bu kusurların yoğunluğu ile birlikte çok katmanlı adacıkların yoğunluğunun değiştirilebildiğini gözlemledik. Bakır üzerinde KBB ile büyütülmüş grafenlerin üzerindeki taramalı elektron mikroskobu ve raman spektroskopisi ölçümlerimiz ve bu örneklerden yapılan ısıtma elemanlarının direnç ölçümleri bize, çok katmanlı grafen adacığı yoğunluğu arttıkça ısıtma elemanlarının dirençlerinin azaldığını gösterdi. Ayrıca ısıtma deneyi sonuçlarımıza göre, çok katmanlı grafen adacığı yoğunluğu arttıkça ısıtma elemanlarının daha düşük güç tüketimiyle daha yüksek sıcaklıklara çıkabildiklerini gözlemledik.

Özet (Çeviri)

Tailoring materials with atomic scale defects have been studied over decades. In recent years, It had been understood that making a functional electronic device with extremely small size (several tens of nanometers) by use of novel materials such as graphene requires introducing defects. One way of achieving this goal is swift heavy ion (SHI) irradiation. In the first part of the study, we investigated defect formation on swift heavy ion (uranium and lead) irradiated graphitic surfaces by means of Scanning Tunneling Microscopy with a focus on HOPG and dislocated graphene layers on HOPG (moiré zones). Our results showed that structures that form on HOPG surfaces due to SHI irradiation in perpendicular geometry have a variety of shapes and sizes rather than just being hillock like. Moreover, comet-like structures were observed on HOPG surfaces due to SHI irradiation under 80o incidence angle with respect to surface normal. Obtaining atomic resolution on the tail section of the comet-like structures proved that SHI does not damage the surface layers while it is traversing in the bulk of the crystal. On the other hand SHI Irradiation of moiré zones under 80o incidence angle and SHI irradiation of moiré zones under grazing incidence (87.5o) did neither show destruction of the graphene layer generating the moiré pattern, nor any unzipping of the graphene as shown to happen on SHI irradiation of graphene crystals on dielectric substrates. Rather, the defects forming as a result of these lead and uranium irradiations were comet-like both on pristine HOPG samples as well as on moiré domains. Furthermore, irradiation of moiré zones with perpendicular geometry has been studied. It was observed that moiré zones may remain unharmed or they may locally destroyed upon SHI irradiation due to electronic changes in the bulk or moiré zone itself. We also studied tribological properties of SHI irradiated HOPG surfaces by means of Friction Force Microscopy (FFM). Our FFM measurements showed complementary results to our STM measurements. We observed that the head sections of the comet like structures appeared on simultaneously measured topography and friction maps. Intriguingly, tail sections of the comet-like structures appeared on friction maps, although they could not have been observed on topography maps. In some cases tails sections showed less friction compared to pristine HOPG surface. Our results showed that friction between two surfaces can also be a function of the bulk material. In the second part of the thesis, we demonstrated transparent heating element made out from Chemical Vapor Deposition (CVD) grown graphene on copper substrates. We used wet transfer method to transfer graphene on glass and quartz substrates for producing transparent heating element and modified transfer process for our purposes. Excitingly, our transparent heating elements can go up to high temperatures (310o C) with very low power consumption (27.2 Watt). We also studied heating properties of graphene samples grown by various growth paremeters. We observed that our graphene samples have monolayer background with multilayer zones. Also we observed silicon-oxide impurities may form on the CVD grown graphene and they can be transferred on any substrate. Changing growth parameters causes differences in the impurity concentration as well as monolayer and multilayer zone concentration which results in differences in heating properties of the graphene based heating elements.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    356064

    Investigation of graphene/hopg system and uhv system development for the study of germanium surfaces with atomic wires

    Graphene/hopg sisteminin incelenmesi ve ge yüzeylerinin atomik teller ile çalışılması için uyv sistem geliştirilmesi

    DİLEK YILDIZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. OĞUZHAN GÜRLÜ

  2. Tez No

    350446

    Tellürit sistemlerin camlaşma davranışlarının,cam özelliklerinin ve termokromik davranışlarının incelenmesi

    Investigation of glass formation behavior, glass properties and thermochromic behavior of tellurite systems

    MİRAY ÇELİKBİLEK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SÜHEYLA AYDIN

  3. Tez No

    455342

    Sıcak yapay gazdan katalitik amonyak giderimi

    Catalytic ammonia removal from hot syngas

    YELİZ ÇETİN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN

    DOÇ. DR. ALPER SARIOĞLAN

  4. Tez No

    730269

    Antarktika buzullarında kimyasal analizler

    Chemical analysis of Antarctic ice core

    GAMZE NEŞE ÖZCAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FATMA ELİF GENCELİ GÜNER

  5. Tez No

    563206

    Yukarı Fırat havzasındaki mevsimsel kar erimesinin WRF-ARW simülasyonu ve uydu verileri kullanılarak incelenmesi : Mart 2004 örneği

    Investigation of seasonal snow melting by using WRF-ARW simulation and satellite data in the Upper Fırat basin: March 2004 case

    ELİS GÜLER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Meteorolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BARIŞ ÖNOL

Geri Dön