Geri Dön

Tunnelling induced photon emission from surface/interface systems of graphene on copper

Tünelleme akımıyla indüklenen bakır üstü grafen yüzey/arayüz sistemlerinin foton emisyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 467115
  2. Yazar: HAKKI TUNÇ ÇİFTÇİ
  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: 79

Özet

Görüntüleme çözünürlüğü, malzemelerin fiziksel özelliklerini incelenmesi hususunda kritik bir öneme sahiptir. Bu amaçla ölçüm cihazlarının hep daha yüksek çözünürlüklere çıkartırılması, araştırma konuları içerisinde her zaman önemli bir yere sahip olmuştur. Daha sonraları Nobel ödülüne layık görülen taramalı uç mikroskopisi yüzey incelemelerinde görüntüleme çözünürlüğünü atomik mertebelere indirerek çığır açmıştır. Taramalı uç mikroskopisinin en eski üyesi olan taramalı tünellemeli mikroskopi, 1 Å'dan bile daha düşük mertebelerde iletken ve yarı iletken yüzeylerde morfolojik görüntüleme kapasitesine sahiptir. Bunun yanısıra tünellenen elektronların kontorlünün de kullanıcıda olması spektroskopik ölçümlerin de önünü açmıştır. Tünelleme elektronları ve örnek yüzey elektronlarının etkileşiminden kaynaklanan bir çok farklı etki de gözlemlenmiştir. Tünelleme elektronları TTM ucundan örnek yüzeyine geçerken yaptıkları foton emisyonu buna güzel bir örnek teşkil eder. Üstelik bu ışıma karakteristiği, atomik çözünürlükteki yüzey topoğrafyası ile eş zamanlı olarak gözlenebilmektedir. TTM ucu-vakum/hava bariyeri/iletken yüzey geometrisindeki ışımayı incelemeden önce iletken yüzeylerindeki yük yoğunluklarına daha yakından bakmak yerinde olacaktır. Yüzey plazmonları, yüzeyde parallel olarak yayılım gösteren elektromanyetik dalgaları oluşturan serbest yüzey elektronlarının kolektif osilasyonları olarak tanımlanmaktadır. Bu salınımlar uygun koşullarda optik frekanslarla örtüşen elektromanyetik dalgalar oluşturmakta ve bunun sonucunda ışıma görülebilmektedir. Lokalize yüzey plazmonları (LYP) ve yüzey plazmon polaritonları (YPP) ismi verilen özel durumlara mahsus mekanizmalar da mevcuttur. Yüzey plazmonu genel olarak yüzey yüklerinin osilasyon hareketini tanımlarken polariton YPP arayüzde oluşan elektromanyetik dalgaları belirtmektedir. LYP mekanizmaları ise TTM-ucu ve yüzey kavitesindeki yük dalgalanmalarının oluşturdğu, geçit plazmonları da denilen yapılardır. Bu iki yapı kimi zaman birbirlerinin ortaya çıkmasını da tetikleyebilmektedir. Farklı gerilimler uygulanan parallel iletken plakalar arasına çeşitli yalıtkan materyaller konularak oluşturulan jonksiyonlardan ışıma gözlemlendiğinde henüz taramalı uç mikroskopları icat edilmemişti. Bu ışımaların fiziksel altyapısını anlamak amacıyla Metal-oksit-metal yapıları kullanılarak detaylı çalışmalar yürütülmüştür. Lamb ve McCarthy, tünelleme elektronlarının jonksiyon üzerinden geçerken yüzey yükleri ile esnek olmayan çarpışma yaparak optik frekanslar ile eşleşebilecek osilasyonlara sebep olduklarını çalışmalarında belirtmişlerdir. Taramalı uç mikroskoplarının farklı uygulamalar için kullanılmaya başlanmasıyla birlikte, bu ışıma karakteristikleri nano boyutta incelenmeye başlanmıştır. Bu amaçla geliştirilen TTM sistemlerine ise foton taramalı tünellemeli mikroskopu (fTTM) ismi verilmiştir. fTTM alanındaki çalışmalar, tünelleme akımından kaynaklı foton çıkışını kompleks bir şekilde ele almıştır. Yüzeydeki en ufak yapısal ve kimyasal değişikliğin dahi yüzeydeki yüklerinin karakteristiğini değiştirmesinden ötürü foton emisyonu morfolojiye direk olarak bağlıdır. Diğer bir yandan TTM ucunun kör olması ya da korozyona uğraması da jonksiyon stabilitesini radikal olarak değiştireceğinden ışıma üzerinde etkisi ciddi boyutlardadır. Bu parametreleri göz önünde tutarak, TTM jonksiyonlarından foton çıkışı LYP ve/veya YPP mekanizmalarının yüzey özelliklerine bağlılıkları açısından açıklanmıştır. Soy metallerin haricinde farklı sistemler de fTTM ile incelenmiştir. Metal yüzeylerinde çeşitli moleküller biriktirilmesiyle ya da farklı ultra ince film kombinasyonlarından oluşan yapılar da bu araştırmalara dahil edilmiştir. Her ne kadar C60 gibi farklı allotropları ile kaplı yüzeyler direkt olarak fTTM ölçümlerine dahil edilmiş ise de, bugüne kadar grafen kaplı soy metal sisteminin fTTM çalışması literatürde yer almamaktadır. Bir takım lüminesans çalışmalarına dahil edilmiş olan ve hızla değişik uygulamalara dahil edilen grafenin çarpıcı özelliklerine bir göz atmak gerekir. Nanotüp, C60, elmas ve grafit son yıllarda bir çok uygulamada sıkça kullanılan karbon alotroplarıdır. Grafen ise Wallace tarafından tek katmanlı grafit ismiyle taktim edilen iki boyutlu karbon kristalidir. Her karbon atomu üç adet bağ kurarak bal peteği örgüsü biçimiyle kristal örgüsünü oluşturur. Grafenin sıradışı yüzey elektroniği, %98'e varan optic geçirgenliği ve aly katmanları korozyona karşı koruyan kararlı yapısı ile yepyeni araştırma konularının açma potansiyeli Nobel ödülünü de beraberinde getirmiştir. Örneğin bakır üzerinde kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile büyütülen grafen atmosferik koşullarda dahi alt katmanları korozyona karşı korur. Sadece vakum şartlarında yapılabilen bir çok çalışmanın atmosferik koşullarda da gerçekletirilmesi, günlük kullanıma uygulamalarına yönelik bir çok yeni araştırma alanına öncülük etmiştir. Bu özelliklerin keşfi için grafen ve alakalı yapıların karakterizasyonu çok büyük önem arz eder. Bu yüzden yaygın olarak büyütülen grafen filmin saflığı, tek ya da çok katmanlı oluşu gibi özellikleri taramalı uç mikroskopisi uygulamalarına başlamadan Raman spektroskopi tekniği ile künyelendirilir. Bu aşamadan sonraki adım taramalı uç teknikleri ile yüzey nano boyutlarda incelenmektedir. Atomik kuvvet mikroskopu (AKM) sayesinde tarama yüzeyleri herhangi bir elektronik etkiye maruz kalmadan bağımsız olarak belirlenebilmektedir. Çalışmamızda da TTM ölçümlerinden önce mutlaka geniş alanlı AKM incelemeleri ile karakterizasyonu yapılmıştır. Ardından TTM ile yapılan yüzey çalışmalarında atomik çözünürlüklü bal peteği örgüsünden Moire deseni gibi süper periyodik yapılara kadar bir çok özellik atmosferik koşullar altında gözlemlenmiştir. Bunun yanında grafenin altında yer alan bakır kristalinin atomik basamakları analiz yapılabilecek kalitede gözlemlenebilmektedir. fTTM çalışmalarının fiziksel altyapısı hakkında yeterli bilgi edindikten sonra, grafen yüzey karakterisyonunun da oldukça güvenilir sonuçlar vermesi, grafen yüzeylerinin nano boyutta foton emisyonunun muhtemel sebeplerini incelemeye teşvik etti. Bu doğrultuda farklı TTM iğne materyalleri ve TTM ucu hazırlama tekniklerininin karşılaştırılmasıyla optimize edilerek çalışmalara başlanmıştır. Foton emisyonuna sebep olacak şekilde LYP ve YPP uyarılması amacıyla TTM öçümlerine nazaran yüksek tünelleme akımı ve voltaj seviyelerinde çalışılmaktadır. Bu doğrultuda, yüzey karakterizasyon çalışmasının ardından üzerinde grafen/bakır fTTM sisteminin tünelleme akımı ve voltaj değeri yükseltildi. Toporafya, düşük akım ve voltaj değerlerindeki gibi yüksek kalitede sonuçlar verirken, foton haritası açıkça foton çıkışını göstermiştir. En çok dikkat çeken detay ise foton haritasındaki ışıma olan ve olmayan bölgelerin topoğrafya ile uyumlu oluşuydu. Aralarındaki olası bir ilişkiyi ortaya çıkartmak amacıyla çeşitli bölgelerde küçük analiz alanları seçilererek sonuçlara ulaşıldı. Atomik basamak yükseklikleri ölçülerek rristal yönelimleri, yani Miller indisleri belirlenmiş ve dikkat çekici sonuçlara ulaşıldı. Işıma görülen bölgeler (111) yönelimine sahip iken diğer bölgeler (110) ya da (100) yönelimlerine sahip olduğu saptanmıştır. Bakır kristalinin farklı yönelimlerinin elektronik yapılarında da değişikler görüldüğü teorik olarak bir çok çalışmada açıklanmıştır. Serbest elektron benzeri yüzey enerji seviyelerine sahip olan (111) yönelimleri, aynı şekilde foton çıkışı olan bölgeler olarak dikkat çekmiştir. Çalışmalarımızın ortaya koyduğu bu sonucu, (111) yönelimli yüzeylerin sahip olduğu ayırdedici elektronik özellik sayesinde geçit plazmonlarının YPP'lerin oluşumu tetiklemesi ve foton çıkışını sağladığı şeklinde yorumlanmıştır. Sonuç olarak karbonların çok özel bir örgüsü olan grafen ile günlük uygulamalarda dahi çok fazla kullanılan bakırın bu kombinasyonu, atomik boyutlarda ışık kaynağı özelliğini ortaya çıkartmıştır. Yapılan çalışmada bu olayın kaynakları anlamaya çalışılmış ve bölgesel olarak değişen bakır kristal yönelimlerinin ışımadaki etkisi analizlere dayandırarak ortaya konulmuştur.

Özet (Çeviri)

Imaging with the smallest order of magnitude has always been an essential topic for researchers working in various areas. Especially with the invent of Nobel Prize winner scanning probe microscopy (SPM), investigations in nanoscopic scales have been performed in terms of topographic, electronic, magnetic and optical properties. In this thesis, we have focused on electronic and optical properties of surfaces using photon scanning tunnelling microscopy (pSTM). Light emission from a planar junctions such as Metal-Insulator-Metal systems attracted noticeable attention. These studies have indicated that surface plasmons are the dominant mechanism of this light emission. Surface plasmons has been defined as collective oscillations delocalised electrons which propagate electromagnetic waves along the conducting surfaces. There might occur different modes of surface plasmons e.g. surface plasmon polariton (SPP) and localised surface plasmon (LSP). SPP defines surface plasmons which are propagating electromagnetic waves along the surface. LSPs are the charge oscillations in the gap plasmons. However, it was also reported that SPPs might be arise by LSPs as well. With the invent of scanning tunnelling microscopy (STM), photon emission from tunnel junction was applied in nanoscopic scales as well. Photon emission investigations have been performed on surfaces such as noble metals, molecule adsorbed metals, thin film combinations etc.with pSTM systems. Although some allotropes of carbon have been investigated in pSTM studies, graphene has not been stated yet in these investigations. In our work, we have focused on photon emission characteristics of chemical vapour deposition (CVD) grown graphene/copper structure. Graphene is a promising two dimensional material having honeycomb lattice. Several studies have revealed its extraordinary electronic, mechanical and optical properties. On the other hand, graphene can protect where it covers like a shield against exposing to corrosion. In our study performed under ambient conditions, graphene protects copper substrate from oxidation. Certainly the electronic properties of copper has be considered in this investigation. In this work, photon emission from metal-tunnel junction-graphene/metal system under ambient conditions was first reported. It was clearly seen that crystal orientation of copper facets has a dominant role on this tunnelling induced luminescence from Graphene/Cu sample. Based on measurements, it was determined that the occurrence of free electron surface state of Cu(111) surfaces are decisive in photon emission.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    332934

    Design and construction of a setup for the detection of tunneling induced photons in a scanning tunneling microscope and an application on gold surfaces

    Taramalı tünelleme mikroskobunda tünelleme ile uyarılmış photonların gözlemlenmesi için sistem tasarlanması ve kurulumu ve altın yüzeylerinde uygulanması

    MEHMET SELMAN TAMER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. OĞUZHAN GÜRLÜ

  2. Tez No

    539986

    Quantum aspects of molecular correlations in biological catalysis

    Biyolojik katalizde moleküler ilintilerin kuantum doğası

    ONUR PUSULUK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Biyofizikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KEREM CANKOÇAK

    PROF. DR. CEMSİNAN DELİDUMAN

  3. Tez No

    23714

    Superconducting systems of low dimensionality

    Düşük boyutlu üstüniletken sistemler

    M. ZAFER GEDİK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    1992

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    PROF. DR. SALİM ÇIRACI

  4. Tez No

    276500

    Zayıf kayalarda ve faylı zonlarda tünel açma tasarım ve yapım gereksinmelerinin araştırılması ve çözümlenmesi

    Investigation and solution of tunnel boring desingn and construction requirements in weak rocks and faulted zones

    METE KUN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Maden Mühendisliği ve MadencilikDokuz Eylül Üniversitesi

    Maden İşletme Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TURGAY ONARGAN

  5. Tez No

    537854

    Building response to ground movements induced by tunnelling and excavation

    Tünel ve şaft kazılarından kaynaklanan zemin hareketleri karşısında binaların davranışı

    KORHAN DENİZ DALGIÇ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER İLKİ

Geri Dön