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
- Tez No: 688978
- Danışmanlar: PROF. DR. OĞUZHAN GÜRLÜ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 65
Özet
İki boyutlu materyallerden oluşturulan van der Waals hetero yapıları ve döndürülmüş çift katmanlı sistemler, oluşturuldukları malzemelerden farklı elektronik ve mekanik özellikler taşıdıkları için dikkatleri üzerlerine çekmişlerdir. Özellikle çift katlı döndürülmüş grafen bunlar arasında en ilgi çekici olanıdır. Öncelikle, çok düzenli katmanlı grafitte (HOPG) taramalı tünelleme mikroskobu (TTM) ile süper periyodik yapılar gözlemlenmiş, bu yapıların HOPG'den farklı elektronik özellikler sergilediği tespit edilmiştir. Teorik olarak da iki grafen tabakası arasındaki katmanların döndürme açısına göre bant yapısında düzleşme olacağı teorik olarak gösterilmiş ve bu yapıların mekanik özellikleri de incelenmiştir. TTM ile yapılan deneylerde taramalı tünelleme spektroskopisi (TTS) van Hove Tekilliklerinin Fermi enerjisi yakınlarında gözlemlenmesi süper iletkenlik gözlemlenebileceğini göstermiş ve son olarak süper iletkenlik davranışı 4-uç tekniği ile oluşturulan döndürülmüş çift katmanlı grafen cihazında süperiletkenlik görülmesi bu araştırma alanı yeni sorular getirmiştir. Bu çalışmadaki ilk adım, iki grafen katmanı üst üste konulduğunda aralarındaki açıyı çok hassas bir şekilde ayarlanabileceği bir deney düzeneği tasarlanmasıdır. Bu düzenek iki kısımdan oluşmaktadır: bir optik mikroskop, örneğin yatau düzlemde hareket edebilmesi ve data sonra iki grafen katmanı arasındaki açının oluşturulabilmesi için altında iki lineer ve bir rotasyonel eksenli örnek standı ve damganın hem örneğe yaklaşması, hem de yatay düzlemde hareket edebilmesi için üç lineer eksenli damga kısmı. Optik mikroskop kısmında CCD kamera, demet ayırıcı, tüp lens ve uzun çalışma aralığına sahip objektif lensler kullanılmıştır. Objektif lenslerdeki bu seçim, lensle örneğin arasına damgayı yerleştirme ihtiyacından kaynaklanmaktadır. Tüp lens ise sonsuz düzeltmeli objektif lensler sebebiyle sonsuzda oluşan görüntüyü CCD kameraya odaklamak amacıyla kullanılmıştır. Demet ayırıcı, örneği yukarıdan hem görebilmek, hem de aydınlatabilmek için sisteme entegre edilmiştir. Aydınlatma için ise bir halojen lamba kullanılmıştır. LED lambaların tek katmanlı grafenin mikroskopta görülmesi için uygun olmadığı saptanmıştır. Örnek standında iki adet lineer ve bir adet motorize rotasyonel translasyon standı bulunmaktadır. Bunlar hem örnek alanında gezinmeyi, hem de döndürülmüş çift katmanlı grafen örnekler hassas bir şekilde kontrollü bir açıda oluşturulmayı sağlamaktadır. Damga standı ise iç eksende de hareket etmektedir, bu sayede hem yatay düzlemde damgayı grafenle denk getirilmesi, hem de damganın inip kalkmasına olanak sağlamaktadır. Çift katmanlı grafen örnekler, tek katmanlı mekanik olarak soyulmuş grafen, hekzagonal boron nitrat (hBN), polimerler ve grafen ısıtıcılar gibi diğer örnekler aracılığıyla hazırlanmaktadır. Grafen ve hBN örnekler, mekanik olarak katmanlarına ayırma yöntemiyle hazırlanmıştır ve öncelikle optik mikroskop ve Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) ile incelenmiştir. Seçilen grafenin tek katmanlı olup olmadığı ve kullanılan hBN'nin istenilen kalınlıkta olup olmadığı bu yöntemlerle saptanmıştır. Ayrıca, grafen örneklerin hazırlanması sırasında kullanılan, grafenin ve hBN örneklerin üzerine aktarıldığı SiO2 yüzeyleri öncesinde oksijen ve argon akısı altında plazma ile temizlenmiştir. Bu temizlik sonrası SiO2 yüzeyinde bazı çukurların oluşması ve yüzeyin aktive edilmesi sonucu grafenin bu yüzeylere daha iyi tutunduğu, bu sebeple hem daha geniş alanlı, hem de daha fazla sayıda tek katmanlı grafen bölgelerinin oluştuğu da gözlemlenmiştir. Damgalar, transparan polimerler olan polidimetiloksan (PDMS) ve polipropilen karbonat (PPC) ile hazırlanmıştır. Bu iki malzemenin de transparan olması sayesinde örnekle lens arasına girdiğinde grafen örneklerin yine görülebilmesi sağlanmıştır. PDMS, yumuşak olması sebebiyle damgalamaya uygundur ancak daha yapışkan bir malzemeye ihtiyaç olduğu için PPC ile kaplanmıştır. Burada PPC, PDMS'e banttan bir çerçeve yardımıyla tutturulmuştur. Damgalama yöntemi birden fazla örnek ve farklı tipte polimerden oluşmaktadır ve prosedür sırasındaki sıcaklık, örneklerin ve polimerlerin kalınlığı gibi parametrelere de bağlıdır. Bu sebeple, damgalama prosedürüyle birlikte bu bileşen örneklerin ve polimerlerin hazırlanması da optimize edilmiştir. hBN kristali, hem grafenin bant yapısını manipüle ederek süper iletkenlik göstermesine yardımcı olduğu gibi, van der Waals kristali olması ve damgalama prosedüründe grafeni koparması amacıyla kullanılmaktadır. Grafenin bölgesel olarak alınıp koparılması amacıyla kullanılan hBN kristali elimize geç ulaştığı için, örnekleri hazırlamak için bir diğer van der Waals kristali olan Bi2Te3 ile başladık. Bu örnekleri plazma prosedürü olmadan hazırlanmış grafen ile hizalayıp grafeni koparma prosedürünü ise oda sıcaklığında başarılı bir şekilde gerçekleştirdik. Grafen bölgesinde Bi2Te3 bölgelerinin değdiği yerlerde önce ve sonra alınan optik data bunun sağlandığını göstermiştir. Deneylerimizin sonraki aşamalarında kullanılan grafen örnekler, plazma ile temizlenen SiO2 yüzeyleri üzerinde hazırlanmıştır. Bu proses daha çok ve daha büyük tek katmanlı grafenler elde etmemizi sağlasa da, grafenin hBN ile oda sıcaklığında koparılmasına engel olduğu denemeler sonucunda görülmüştür. Bu sebeple örneğin ısıtılması gerekmektedir. Ancak bunun için kullanılacak yapışkan polimerin ısıya dayanıklı olması gerekmektedir. Elimizdeki PPC ise ısıya dayanıklı değildir ve sıcak bir yüzeyle temas ettiğinde kolay bir şekilde bozulmaktadır. Bu sebeple başka bir polimerin kullanılması gerekmektedir. Damgalama yöntemi dışında, kimyasal buhar biriktirme (KBB) ile büyütülen bakır yüzeyinde grafenin poli(-metil-metakrilat) bazlı transfer yöntemiyle de tek katmanlı ve döndürülmüş çift katmanlı grafen örnekler hazırlanmıştır. Bu yöntemde grafen, koruyucu bir tabaka olan PMMA ile kaplanıp, daha sonra bakırın solüsyon üzerinde çözünmesi ile büyütüldüğü yüzeyden ayrılmaktadır. Daha sonra bu solüsyon deiyonize su ile seyreltilip, grafen su yüzeyinde yüzerken aktarılacağı yeni yüzey tarafından avlanır. Ikinci grafen katmanı ise aynı yöntemle bu sefer grafen tarafından avlanır, fakat bu yöntemle dönme açısının ayarlanmasının tamamen el ayarına bağlı olmasından ötürü kontrolsüz bir şekilde gerçekleşmektedir. Bu yöntemle hazırladığımız örnekte açı, grafenin engebeli bir yüzey olan bakır yüzeyinde büyütülüp SiO2 üzerine aktarılması sonrası engebelere bağlı oluşan izler aracılığıyla saptanmıştır. Bu örnekler, AKM ve TTM ile incelenmiştir. KBB yöntemiyle hazırlanan grafen örneklerde tek katman gözlemlenebileceği gibi, karbon kaynağı olarak kullanılan metan gazının akısı ve işlem süresine bağlı olarak iki, üç ya da çok katmanlı bölgeler de olabilmektedir. Bu sebeple, çift katmanlı olarak aktarılan grafenin de yalnızca çift değil, çok katmanlı yapıda olduğu tespit edilmiş, TTS ile elektronik yapıları gözlemlenmiştir. Açısal kontrol sağlanmıyor olmasına rağmen, bu yöntemle üretilen örnek üzerinde Taramalı Tünelleme Spektroskopisi verileri, döndürülmüş çift katmanlı grafenin, tek katmanlı graphene göre daha iyi iletkenliğe sahip olduğunu göstermiştir. Çalışmalarımızda çok katmanlı grafenin katman sayısına ve çift katmanlı grafenin dönme açısına bağlı olarak elektronik özelliklerinin ve sürtünme özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Pandemi sebebiyle bu çalışma hayli yavaş ilerlemiştir.
Özet (Çeviri)
Twisted systems of two-dimensional materials attract the attention of scientists as these materials exhibit different electronical and mechanical properties than the materials from which they are made. Especially for twisted bilayer graphene, because of the observation of van Hove Singularities on moiré superlattices on highly oriented prylotic graphite (HOPG) surface near the Fermi energy, and following the observation of superconductivity for the magic angle bilayer graphene, this field of research has raised new questions. Although the wet transfer method of graphene transfer helps for the large area applications of this novel material, for creating twisted bilayer graphene samples, this method gives no degree of freedom for a controlled rotation of the twist angle. Therefore, other approaches were required. In this study, we built a setup which gives a rotation between the graphene layers with high accuracy. First step was to build a stamping setup, which consists of an imaging part (an optical microscope), a sample stage with two linear and one rotational axis, and a stamp stage with 3 linear axes. Each part of the microscope is collected and mounted for this purpose. This setup allows to prepare twisted bilayer graphene samples with controlled rotation. Also, these samples are prepared by other samples; hexagonal boron nitride (hBN), monolayer graphene, polymers and heaters among other things. Therefore, the preparation methods of these samples, as well as the heating and stamping process was optimized. hBN, the important ingredient for picking up the graphene, arrived late. Thus, our experiments started with picking up the graphene with Bi2Te3 van der Waals crystal, just as hBN. Along with the samples prepared with stamping technique, poly(methyl methacrylate) (PMMA) mediated transfer method of chemical vapor deposition (CVD) grown graphene is used to prepare monolayer and twisted bilayer graphene samples, yet with no rotation control. These samples are investigated with Atomic Force Microscopy (AFM) and Scanning Tunneling Microscopy (STM). Despite the lack of angle control, Scanning Tunneling Spectroscopy (STS) data of an arbitrary angle of twist showed us that it has higher conductivity than monolayer graphene, which was also prepared with this technique.
Benzer Tezler
- Üçlü talyum kalkojenlerinin tl2mq3 (m=zr, hf; q=s, se, te) mekanik kararlıklarının ve elektronik yapılarının ab-ınıtıo metodu ile incelenmesi
The investigation of structural, electronical, mechanical, and vibrational properties of tl2mq3 (m=zr, hf; q=s, se, te) type ternary thallium chalcogenes using ab initio method
OĞUZHAN OKVURAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Fizik ve Fizik MühendisliğiAksaray ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ENGİN ATEŞER
- Fe-Ti-Si üçlü heusler alaşımların yapısal, elektronik, manyetik ve mekanik özelliklerinin yoğunluk fonksiyonel teorisiyle incelenmesi
Investigation of structural, electronical, magnetical and mechanical properties of Fe-Ti-Si ternary of heusler alloys using density functional theory
RAŞİT UMUCU
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Fizik ve Fizik MühendisliğiAhi Evran ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA ÖZDURAN
- Investigation of mechanical, thermal and flame retardant properties of glass fiber reinforced PBT and PBT/PET blends
Cam elyaf katkılı PBT ve PBT/PET harmanlarının mekanik, termal ve alevlenmeyi geciktiricilik özelliklerinin incelenmesi
SELİN PORTAKAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURSELİ UYANIK
- Katodik Ark Pvd yöntemi ile üretilmiş tiaın ve tin kaplamalarının korozyon özellikleri
Başlık çevirisi yok
LEVENT CANDEMİR
- Hafif siklet bir uçağın kaplama perçin ve rib hesabı
The Calculations of skin rivets and rib design of light airplane
MEHMET SAİT SAFFET BAYSAL