X-ray photoelectron spectroscopy for chemical and electrical characterization of devices extended to liquid/solid interfaces
Aygıtların elektriksel ve kimyasal analizleri için X-ışını fotoelektron spektroskopisinin sıvı/katı arayüzeyleri de kapsayacak şekilde genişletilmesi
- Tez No: 541547
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞEFİK SÜZER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 138
Özet
Elektriksel ve elektrokimyasal aygıtları çalışma koşullarında incelemek, yeni teknolojilerin geliştirilmesi için hayati önem taşımaktadır. Bu tür aygıtların performansını belirleyen birçok önemli özellikleri, geri kalan kütle ile önemli ölçüde farklılıklar göstermekte olan yüzey ve ara yüzleri tarafından kontrol edilmektedir. Ancak, özellikle sıvı bazlı aygıtlar için, yüzey analizi yapmak zordur ve oldukça gelişmiş enstrümantasyon gerektirmektedir. Bu doktora tez çalışmasında, X-ışını fotoelektron cihazı içinde, geleneksel dielektrik malzemeler üzerindeki elektro-ıslanma konfigürasyonunda çok yüksek vakum uyumlu ve sulu olmayan sıvılar kullanılarak, alternatif ve doğru akım altında sıvı, dielektrik ve sıvı/katı arayüzler üzerindeki potansiyel oluşumların kimyasal çözünürlükle incelenmesi amaçlanmıştır. Düşük moleküler ağırlıktaki polietilen-glikol (PEG) ve özel bir iyonik sıvı (DEME-TFSI) kullanılarak iyonik olmayan ve tamamen iyonik olan sıvılar olmak üzere iki uç noktayı temsil eden sıvılar incelenmiştir. Veri toplanması sırasında üst ya da alt elektrottan aygıtlara harici bir elektriksel potansiyel uygulanarak, bu potansiyelin kimyasal olarak adreslenmiş bir şekilde ölçülebilmesi, elektro-ıslanma olayını hem kimyasal hem de elektriksel boyutlardan incelenebilmesini sağlamıştır. Tezin ilk bölümünde, elektro ıslanma sırasında damlacıkta meydana gelen geometrik değişiklikler, hem durağan alansal taramalar, hem de potansiyelin periyodik olarak değiştirildiği dinamik XPS nokta analizleri ile izlenmiştir. İkinci bölümde, sıvıların sadece DC altındaki elektro-ıslanmalarına odaklanılmıştır. Hem sıvıyı hem de dielektrik alt taşını temsil eden XPS tepelerinin bağlanma enerjisindeki değişimler, dışarıdan uygulanan elektriksel potansiyele göre izlenerek, hem dielektrik tabakadaki, hem de sıvının değişik bölgelerindeki potansiyel gelişmeleri tespit edilmiştir. Sıvının iletkenliğinin, sıvı/dielektrik ara yüzeyinde meydana gelen potansiyel dağılımı üzerinde hiçbir etkisinin olmadığı gösterilmiştir. Ayrıca, dielektrik bozulma ve bunun sıvı üzerindeki potansiyel gelişimi üzerine etkisi de bu bölümde incelenmiştir. Üçüncü bölümde, iyonik sıvı ve polietilen glikol bazlı aygıtların frekansa bağlı AC elektro-ıslanma sırasındaki potansiyel gelişmeleri incelenmiştir. AC uyarımı altında frekans taraması ile yapılan zamana bağlı XPS ölçümleri; aygıtların, sıvının direncine veya iyonik içeriğine ve ayrıca dielektrik tabakanın elektriksel özelliklerine bağlı olan kritik bir frekansla ayrılan, iki farklı davranış sergilediğini göstermiştir. Kritik frekanstan düşük değerlerde, XPS spektrumları esas olarak dielektriğin kapasitif bileşeni tarafından belirlenmekte olup, dolayısıyla sıvı uygulanan elektrik alanını tamamen bloke etmektedir. Bununla birlikte, kritiğin üzerindeki frekanslar için, sıvının direnci baskındır ve damla, bir direnç şeridi gibi davranmaktadır. Bu davranışın sonucunda oluşan eş potansiyel yüzey konturları da ilk kez deneysel olarak bu çalışmada gösterilmiştir. Tezin son bölümünde, araştırılan sistemi elektriksel olarak tanımlamak ve aynı XPS spektral gözlemini tekrarlayabilmek için kullanılacak olan ve katı hal direnç ve kapasitörlerden oluşan bir taklit cihaz üretmek için eşdeğer bir devre modeli geliştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
Understanding of electrical and electrochemical devices in operating conditions is vital for development of new technologies. Many important characteristics that determine the performance of such devices lie on their surfaces and interfaces which significantly deviate from the bulk properties. However, particularly for the liquid based devices, carrying out surface analysis is challenging and requires highly sophisticated instrumentation. In this PhD. thesis, we aim to unravel the potential development on liquids, dielectrics as well as the liquid/solid interfaces during AC and DC excitation in a chemically resolved fashion using the UHV compatible non-aqueous liquids in a basic electrowetting on dielectrics configuration within X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) chamber. Low molecular weight Polyethylene glycol (PEG) and a particular ionic liquid Diethylmethyl(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide [DEME][TFSI] are used to represent two extreme cases as being non-ionic and fully-ionic liquids. Application of external electrical bias to these devices either from the top or the bottom electrode during data acquisition enabled us to investigate the electrowetting phenomenon, in a chemically addressed fashion In the first part of the thesis, geometrical changes that the drop undergoes during electrowetting have been monitored both by steady state areal maps and by dynamic XPS point analysis where the potential was altered periodically. In the second part, we have focused only on the DC electrowetting of liquids. We probed the potential developments in the dielectric layer and on the liquid by monitoring the changes in the binding energy of the representative XPS peaks with respect to the applied potential. We showed that the conductivity of the liquid has no influence on the potential and the entire potential drop occurs at the liquid/dielectric interface. Dielectric breakdown and its effect on the potential developments were also investigated in this part. In the third part, we have tried to understand the frequency dependent potential developments of the ionic liquid and the polyethylene glycol based EWOD devices by AC electrowetting. Our time dependent XPS measurements under AC excitation with sweeping frequency have demonstrated that EWOD devices exhibit two different behaviors separated by a critical frequency, which is dependent on the AC resistance (impedance) or ionic content of the liquid and also the electrical characteristics of the dielectric layer. Below the critical frequency, XPS spectra are mainly affected by the capacitive component of the dielectric, hence the liquid completely screens the applied electrical field. However, for frequencies above the critical, the resistive component of the liquid dominates and the drop behaves like a resistive strip, resulting in the formation of equipotential surface contours which are shown experimentally for the first time in this study. In the last part of the thesis, an equivalent circuit model was developed to electrically describe the electrowetting behavior of PEG on dielectric and also to generate a solid-state mimicking device to produce the same XPS spectral observations.
Benzer Tezler
- Modifiye ve nonmodifiye çok duvarlı karbon nanotüplerin sitotoksik etkilerinin araştırılması
Investigation on cytotoxic effects of modified and nonmodified multiwalled carbon nanotubes
SELDA DOĞAN ÇALHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
BiyoteknolojiMersin ÜniversitesiBiyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. NEFİSE ÖZLEN ŞAHİN
- 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
- Preparation of nanostructured interface by polymer grafting on various solid substrates for biosensor applications
Biyosensör uygulamaları için farklı alttaşlar üzerine polimer aşılama ile nanoyapılı ara yüzeylerin hazırlanması
SEZER ÖZENLER
Doktora
İngilizce
2021
Polimer Bilim ve Teknolojisiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÜMİT HAKAN YILDIZ
- Fiziksel kaplama teknikleriyle üretilen CuIn1-xGaxSe2 ince filmlerin yapısal, elektriksel ve optiksel özellikleri
Structural, electrical and optical properties of CuIn1-xGaxSe2 thin films fabricated by physical deposition techniques
SARE AKGÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKAN KARAAĞAÇ
- Chemistry and structure of sputter deposited boron-carbon-nitrogen thin films
Saçtırma biriktirme yöntemi ile elde edilen bor-karbon-azot ince filmlerin kimyası ve yapısı
MUSTAFA FATİH GENİŞEL
Doktora
İngilizce
2012
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERMAN BENGÜ