Geri Dön

Investigation of electronic properties of twisted graphene layers on HOPG surface by scanning tunneling microscopy

HOPG yüzeyindeki dönmüş grafen katmanlarının elektronik özelliklerinin taramalı tünelleme mikroskobuyla incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 639131
  2. Yazar: BİRCE SENA TÖMEKÇE
  3. Danışmanlar: PROF. DR. OĞUZHAN GÜRLÜ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 106

Özet

Taramalı uç mikroskop tekniğinin keşfiyle atomik ölçekte yüzey görüntülemeleri ve incelemeleri tarihte ilk kez mümkün hale gelmiştir. Aynı zamanda bu keşif ile nanoteknoloji çağı başlamıştır. Kâşiflerine Nobel fizik ödülü kazandıran taramalı tünelleme mikroskobu (TTM), taramalı uç mikroskoplarının ilki olarak kabul edilmektedir. Daha sonra geliştirilen tekniklerin çoğu, TTM ve aynı kişiler tarafından hemen ardından icat edilen atomik kuvvet mikroskobunun prensipleriyle ilişkilidir. Yüzeylerin atomik ölçekte incelenebilmesinin yanı sıra yüzey üzerinde yerel elektronik özelliklerin incelenmesi de TTM ile ve taramalı tünelleme spektroskopisi (TTS) denen bir ölçüm tekniğiyle mümkündür. Bu çalışma boyunca, sözü edilen bu teknikler temel araştırma yöntemleri olarak kullanılmıştır. İki boyutlu malzemeler arasında ilk keşfedilmiş olan grafen, sıra dışı özelliklere sahip, tek atom kalınlığında olan yeni bir malzemedir. Bu tez çalışmasında, inceleme örneği olarak kullanılan çok düzenli katmanlı grafitin (HOPG) de temel bileşenidir. Çok sayıda grafen katmanı, aralarındaki zayıf van der Waals etkileşimleri sayesinde bir arada bulunarak grafiti oluşturmaktadır. Bu zayıf etkileşimden dolayı HOPG yüzeyinden bir grafen katmanını ayırmak veya yerini değiştirmek oldukça kolaydır. Hatta çeşitli boyutlarda, HOPG yüzeyinde kaymış veya belli bir açıda dönmüş grafen parçalarına rastlamak da mümkündür. Bu parçaların alttaki grafen katmanına göre belli bir açıda dönmüş oldukları, ortaya çıkan moiré deseninden anlaşılabilmektedir. Moire deseni için genel bir tanım, birbirine göre belli bir açıda dönen veya hareket ettirilen iki periyodik yapının oluşturduğu kendilerinden daha büyük periyotlu girişim deseni olarak verilmektedir. Bu tez çalışmasında, HOPG yüzeyinde rastlanan dönmüş grafenlerin oluşturduğu çeşitli periyotlu ve dönme açılı moire süperlatisleri incelenmiştir. TTM eklem gerilim voltajı değiştirilerek görüntüleme ve diferansiyel iletkenlik ölçümleri temel alınarak araştırmalar yapılmıştır. Bir süre önce, teorik bir çalışmada dönmüş çift katmanlı grafenin sıradışı elektronik özellikler göstereceği tahmin edilen birkaç sihirli açı hesaplanmıştır. Yaklaşık iki yıl önce bu açılardan en büyüğü olan 1.1° civarında dönme açısına sahip olan çift katmanlı grafenin düşük sıcaklıklarda süperiletkenlik gösterdiği keşfedilmiştir. Bu keşiften önce literatürde bu malzemenin dönme açısında göre bant yapısının, yani elektronik özelliklerinin de değişiklik gösterdiği yaygın olarak gösterilmiştir. Tezin ilk bölümünde, değiştirilen gerilim voltajıyla alınan TTM topografya görüntülerinden moire süperlatisleri üzerinde ve sıradan HOPG yüzeyi ile olan sınırlarından ölçülen dalgalanmaların ortalama genlikleri hesaplanmış ve karşılaştırılmıştır. TTM ile moire süperlatislerinde gözlemlenen bu dalgalanmalar, grafenin dönmesi sonucu ortaya çıkan moire süperlatisinin farklı tipte bölgelerinin oluşmasından kaynaklanmakta ve büyüyen açıyla giderek küçülen süperlatis periyotları hakkında bilgi vermektedir. Moire desenleri üzerindeki bu bölgeler, katmanlar arası elektronik etkileşimden dolayı farklı yerel elektron durum yoğunlukları göstermekte ve TTM tarafından periyodik yükseklik dalgalanmaları olarak algılanmaktadır. Farklı gerilim voltajlarında alınan topografya görüntülerindeki dalgalanma genliklerinin ortalamalarına bakılarak bazı moire süperlatisleri için TTM topografya görüntülerinden ölçülen dalgalanmaların tamamının katmanlar arası elektronik etkileşimden dolayı olmadığı ve yüzeydeki topografik (yapısal) dalgalanmaların da katkısı olabileceği düşünülmektedir. Katmanlar arası elektronik etkileşimin yoğun olduğu, dalgalanma genliğinin gerilim voltajına göre belirgin değişiklik gösterdiği veriler için düşünülmektedir. Fakat bazı verilerde gerilim voltajının artışına rağmen, dalgalanma genliği daha fazla azalmamaktadır. Bazı verilerde ise tüm uygulanan voltajlarda dalgalanma genliği yaklaşık olarak sabit davranmıştır. Bu değişiklik göstermeyen dalgalanma genliklerinin yüzeydeki yapısal dalgalanmalardan kaynaklandığı çıkarımı yapılmıştır. Tezin ikinci kısmında, topografya görüntülerine ek olarak, diferansiyel iletkenlik (dI/dV) sinyali kilitlemeli yükseltici kullanılarak elde edilmiş ve dI/dV haritaları alınmıştır. Alınan bu haritalar, yüzeydeki elektron durum yoğunluklarının dağılımı hakkında bilgi verdiğinden, gerilim voltajı değiştirilerek karşılık gelen farklı enerjilerdeki elektron durum yoğunlukları tespit edilebilmiştir. Pek çok moire süperlattisinde beklenmedik bir durum olan topografya görüntülerine göre karşıt durum yoğunluğu dağılımlarıyla karşılaşılmıştır. Literatürde bazı moire süperlatislerinde bu durumun gözlemlendiğine yer verilmiş olup, bazı açılar bu çalışmada gözlemlenenlerle örtüşmektedir. Bu çalışmada dI/dV haritalarına ek olarak dI/dV sinyali ile TTS ölçümleri yapılırken I-V spektrumlarının yanı sıra yüzeyin yerel elektronik özellikleri hakkında daha kapsamlı bilgi veren dI/dV spektrumları da eş zamanlı olarak alınabilmiştir. En basit ifadeyle, TTS ile yüzeyin yerel iletkenliği hakkında bilgi alınabilmektedir. Aynı zamanda, durum yoğunluklarının enerjiye göre davranışından yüzeyin yerel elektronik özellikleri hakkında fikir sahibi olunabilmektedir. Bu tez çalışmasında, moire bölgelerinde alınan dI/dV spektrumları ile dI/dV haritaları arasında tutarlılık gözlemlenmesi amaçlanmıştır. Fakat ortam koşullarında ölçüm alınması nedeniyle çoğu zaman TTS sonuçları gürültüden etkilenmiş olup, az sayıda dI/dV spektrumu başarılı olmuştur. Bu yüzden elektronik özelliklerin incelenmesinde çoğunlukla dI/dV haritaları üzerinde durulmuştur. Dönme açısına göre alınması beklenen dI/dV spektrumları hakkındaki bilgilere literatürdeki çalışmalar sayesinde ulaşılmıştır. Bu çalışmalara göre, süperlatislerin topografya görüntülerinde parlak görünen bölgelerinde alınan dI/dV spektrumlarında zirveler olarak ortaya çıkan ve durum yoğunluklarının sonsuza gittiği enerji değerlerine karşılık gelen van Hove aykırılık zirveleri, küçülen dönme açısıyla birbirlerine yaklaşmaktadır. Pek çok çalışmada bu enerji değerlerinde alınan dI/dV haritalarında, bu noktalarda güçlü yük yoğunlukları görülmektedir. Fakat bu enerji değerlerinden uzaklaşıldıkça yük yoğunluk dağılımlarının belirsiz veya karşıt durumdaki gibi davrandıkları belirtilmiştir. Bu karşıt olma durumunu destekleyen dI/dV spektrumlarına da literatürde rastlanmıştır. Sonuç olarak, bu zıt yük yoğunluk dağılımı gözleminin, spektrumlardaki durum yoğunluklarının van Hove zirveleri enerjisinden sonra ani bir düşüş göstermesinden kaynaklandığı sonucuna varılmıştır. Tezin üçüncü bölümünde, eklem geriliminin TTM iğnesi yerine örneğe uygulandığı, kilitlemeli yükseltici ve TTM'unu birleştiren yeni bir deney düzeneği kurulmuştur. Bu sistemin geliştirilmesindeki amaç, iğneye uygulanan dalgalanan voltajın topografya görüntülerine ve spektroskopilere olan etkisinden kurtulmaktır. Bu deney düzeneğinde, kilitlemeli yükselticinin salınan referans voltaj sinyali TTM sinyal kutusuna doğrudan verilmek yerine eklem gerilimine uygulanacak olan voltaj ile toplayıcı devre yoluyla toplanmaktadır. Devrenin çıkış sinyali bir yalıtkanla örnek taşıyıcısından ayrılan örneğe gönderilmiştir Bu toplayıcı devre evirmeyen toplayıcı yükselteç düzeneğinde tasarlanmış, baskı devre olarak yapılmış ve elektromanyetik gürültüyü önlemek için kapalı bir alüminyum devre kutusuna monte edilmiştir. Aynı ölçümler bu düzenekle tekrarlanmıştır. Kurulan yeni deney düzeneğiyle topografya görüntüleri gürültüden arınmış ve TTS ölçümleri daha iyi sonuçlar vermiştir. Tezin son kısmında ise, dönmüş grafen bölgeleri üzerinde anlık yüksek voltaj uygulamalarının etkileri çalışılmıştır. Tarama bittiğinde, gerilim voltaj değerinden çok daha yüksek değerlerde voltaj iğneye ve ya örneğe uygulanmıştır ve hemen önceki voltaj değerine dönülmüştür. Bu olaya ilişkin, dI/dV haritalarında yük yoğunluklarının ilk konumlarına göre kaydığı ve aynı bölge taratıldığında zamanla ilk konumlarına doğru hareket ettikleri gözlemlenmiştir. Başka bir moire süperlatisinde ise topografya görüntüleri incelendiğinde, dalgalanma genliğinin belirgin bir şekilde arttığı hesaplanmıştır. Bu gözlemler, elektronik etki olduğuna dair fikir verirken, yüzeyde delik açılması ve tarama kalitesinin yani iğnenin bozulması gibi fiziksel etkilerin varlığından da söz edilebilmektedir.

Özet (Çeviri)

Invention of scanning probe microscopy has enabled real space imaging, detection and investigation of surfaces at the atomic scale for the first time throughout the history, starting the era of nanotechnology. Scanning tunneling microscopy (STM) can be considered as the first scanning probe microscopy technique which brought his inventors a Nobel prize in physics. In addition to characterizing surfaces at the atomic scale, local electronic properties of the surfaces can be explored by STM and scanning tunneling spectroscopy (STS), a technique which is performed by scanning tunneling microscope. Throughout this study, these techniques have been used as main research tools. Graphene is a novel, one-atom thick material composed of carbon atoms. It is the first discovered two-dimensional material, having extraordinary properties. Layer by layer stacked, disordered form of graphene is called graphite, a well-known and simple material that is used in pencils. Graphene layers can easily be removed and displaced on its original substrate graphite, since they are held together by weak van der Waals Interactions. As a result of relative rotation of two graphene layers, moiré superlattices are formed. In fact, moiré pattern is a general name given to the interference pattern with a larger periodicity, generated when two superposed patterns are displaced or rotated relatively. In this thesis study, we refer as moiré patterns or moiré superlattices that are created due to the rotation of the top-most graphene layer on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG), used as sample. These twisted graphene areas are encountered on the surface at various sizes and arbitrary moiré superlattice periods which depends on the rotation angle. They were studied by STM tunnel junction bias dependent imaging and differential conductance measurements. Some time ago, a set of magic angles were calculated at which twisted bilayer graphene was predicted to show unusual electronic properties. Two years ago, superconductivity was discovered at the largest of them, the first magic angle. In the first part of the thesis, STM topography images of several moiré superlattices at different bias voltages were acquired. From these data, apparent corrugations of the moiré superlattices and their boundaries with the bare HOPG surface were calculated at each applied bias voltage and their behaviors as a function of bias were investigated. From these information, we aimed to explore whether the measured apparent corrugations completely aroused from an interlayer electronic interaction or structural surface corrugation might also contribute in it. In the second part, we investigated differential conductance (dI/dV) maps of these moiré superlattices and their boundaries by using a lock-in amplifier, in addition to topography images. dI/dV maps give information about the spatial distribution of the local density of states (LDOS) over the surface at various energies which are determined by the value of applied bias voltage. To fully investigate their electronic properties, STS measurements were also performed. Thanks to dI/dV signal provided by lock-in amplifier, dI/dV-V spectra of moiré patterns can be acquired as well as their I-V spectra, without numerical calculation. In the simplest terms, this allows us to detect local variations in the conducting behavior of the surface and variation of local density of states as a function of energy. In the third part of the thesis, a sample biased system combining STM and lock-in amplifier was developed to get rid of disadvantages of the tip biased lock-in amplifier-STM system. An adder circuit was built on a printed circuit board to sum DC bias voltage and AC voltage of lock-in amplifier's reference signal. The output of the circuit was delivered to isolated HOPG sample. Same measurement procedure has been adopted on twisted graphene layers as in the case of tip bias. Finally, the effect of STM bias voltage pulse on moiré superlattices and their boundaries was investigated. Shift and gradual movement of charge densities in dI/dV maps relative to their corresponding topography images were observed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    688978

    Investigation of electronical and mechanical properties of twisted bilayer systems of two dimensional materials

    İki boyutlu materyallerinin döndürülmüş çift katmanlı sistemlerinin elektronik ve mekanik özelliklerinin araştırılması

    BÜŞRA GAMZE ARSLAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OĞUZHAN GÜRLÜ

  2. Tez No

    889937

    Investigation of geometry, energetics and electronic structure of twisted bilayer graphene

    Bükülmüş iki katmanlı grafenin geometrisinin, enerjitik ve elektronik yapısının incelenmesi

    NOUHA AMINE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OĞUZ GÜLSEREN

  3. Tez No

    510836

    Production of electrospun polyacrylonitrile nanofiber yarn

    Elektro-üretim yöntemi ile poliakrilonitril nano liflerden iplik üretilmesi

    HEVAL SİNEM NAKİ AKPINAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ DEMİR

  4. Tez No

    539266

    Investigation of electronic properties of detector grade cadmium zinc telluride crystals and development of electrodes for x-ray and gamma ray applications

    Dedektör mertebesindeki kadmiyum çinko tellür kristallerinin elektronik özelliklerinin araştırılması ve x-ışını ile gamma ışını uygulamaları için elektrot geliştirilmesi

    DENİZ BENDER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. RAŞİT TURAN

    PROF. DR. MEHMET PARLAK

  5. Tez No

    245781

    Kuantum nokta yapıların elektronik özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of electronic properties of the quantum dot structures

    CENGİZ PEHLİVANOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    Fizik ve Fizik MühendisliğiSelçuk Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. MAHMUT ÖZGÜR SEZER

Geri Dön