(lb) yöntemi ile elde edilen ç - Ankara Üniversitesi Açık Erişim Sistemi

ANKARA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSİTÜSÜ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
LANGMUIR-BLODGETT (LB) YÖNTEMİ İLE ELDE EDİLEN ÇEŞİTLİ CdS
VE Pb İNCE FİLMLERİNİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİNİN ELEKTRİK
KUVVET MİKROSKOBU (EKM) İLE İNCELENMESİ
Melike ARSLAN
FİZİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
ANKARA
2011
Her hakkı saklıdır
ÖZET
Yüksek Lisans Tezi
LANGMUIR-BLODGETT (LB) YÖNTEMİ İLE ELDE EDİLEN ÇEŞİTLİ CdS VE Pb
İNCE FİLMLERİNİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİNİN ELEKTRİK KUVVET
MİKROSKOBU (EKM) İLE İNCELENMESİ
Melike ARSLAN
Ankara Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı
Danışman: Doç. Dr. İlker DİNÇER
Bu tez çalışmasında, Langmuir-Blodgett (LB) yöntemi ile elde edilen farklı pH derecelerine
sahip Kadmiyum Sülfür (CdS) ve Kurşun (Pb) ince filminin topografik ve elektriksel özellikleri
incelenmiştir. LB ince filmlerinin topografik özellikleri ve elektriksel özellikleri NT-MDT
marka Taramalı Uç Mikroskobu (TUM) ile incelenmiştir. Yüzey morfolojik özellikleri Taramalı
Elektron Mikroskobu (SEM) ile belirlenen örneklerin elektriksel özelliklerinin karakterizasyonu
için Elektrik Kuvvet Mikroskobu (EKM) ve Kelvin Uç Mikroskobu (KUM) tekniklerinden
yararlanılmıştır. İkili geçiş tekniğinin kullanıldığı elektriksel karakterizasyon teknikleri
sayesinde örneklerin topografik özellikleri de belirlenebilmektedir. Bu sayede, SEM
görüntülerinden elde edilen parçacık büyüklüğü analizleri Atomik Kuvvet Mikroskobundan elde
edilen veriler ile karşılaştırılmıştır. Tezin ilk bölümünde LB ince film tekniğinde en önemli
parametrelerden biri olan alt-faz pH derecesinin Pb yüzey morfolojisine etkisi incelenmiştir. Bu
etkinin filmlerin elektriksel özelliklerine katkısının anlaşılması açısından, filmler KUM yöntemi
ile incelenmiştir. İkinci bölümünde ise, LB yöntemi ile birlikte ısısal vakum buharlaştırma
tekniğinden yararlanılarak hazırlanan CdS ince filmlerinde alt-faz pH değerinin topografik
özellikleri değil, elektriksel özellikleri değiştirdiği yapılan EKM ve KUM deneyleri ile
belirlenmiştir. Her iki filmin de EKM nitel analiz yöntemi ile elde edilen gerilime bağlı yüzey
potansiyelleri, KUM tekniği ile elde edilen değerler ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, nitel
analiz yöntemi ile elde edilen çözünürlüğün ve elektriksel bilginin KUM sistemine göre daha
güçlü olduğu ortaya çıkmıştır.
Aralık 2011, 135 sayfa
Anahtar Sözcükler: Langmuir-Blodgett (LB) ince film, Taramalı Uç Mikroskobu (TUM),
Elektrik Kuvvet Mikroskobu (EKM), Kelvin Uç Mikroskobu (KUM), EKM nicel analiz
yöntemi
i ABSTRACT
Master Thesis
INVESTIGATION OF PHYSICAL PROPERTIES OF SOME CdS AND Pb THIN FILMS
PREPARED BY LANGMUIR-BLODGETT (LB) METHOD BY USING ELECTRIC FORCE
MICROSCOPY (EFM)
Melike ARSLAN
Ankara Üniversitesi
Graduate School of Natural and Applied Sciences
Department of Engineering Physics
Supervisor: Assoc. Prof. Dr. İlker DİNÇER
In this thesis, CdS and Pb thin films, which are prepared by Langmuir-Blodgett (LB) method
with different pH values, were investigated for their topographical and electrical properties.
Topographical features and electrical properties of LB thin films were investigated by Scanning
Probe Microscopy (SPM) techniques. Particles size analysis with SEM was compared with
AFM data. The electrical properties of the films characterized with electric force microscope
(EFM) and Kelvin probe microscope (SKM). Electrical characterization techniques allow us for
determining surface topographical characteristic with two pass technique. In the first part of
thesis, Pb thin films with varying subphase pH were investigated by SKM, for understanding
the contribution of pH effect in terms of electrical properties of the films. In the second part,
CdS thin films which were prepared by thermal vacuum evaporation and LB techniques, with
different pH values, was investigated with using EFM and SKM for their electrical properties.
Thin films voltage induced surface potential values obtained with EFM quantitative analysis
results compared with SKM experiments results. As a result, the resolution and electrical
knowledge which were obtained by qualitative analysis method is stronger than SKM system.
December 2011, 135 pages
Key Words: Langmuir-Blodgett (LB) thin film, Scanning Probe Microscopy (SPM)
(AKM), Electric Force Microscopy (EFM), Kelvin Probe Microscopy (SKM), EFM quantitative
analysis
ii TEŞEKKÜR
Çalışmalarımın ve araştırmalarımın her aşamasında bilgi, öneri ve yardımlarını
esirgemeyerek yetişme ve gelişmeme büyük katkıda bulunan sayın hocam Prof. Dr.
Yalçın ELERMAN’a (Ankara Üniversitesi, Fizik Mühendisliği Bölümü) teşekkür
ederim.
Çalışmalarım süresince desteklerini, bilgilerini, yardımlarını esirgemeyen danışman
hocam sayın Doç. Dr. İlker DİNÇER’e (Ankara Üniversitesi, Fizik Mühendisliği
Bölümü) teşekkür ederim.
Değerli hocam Yrd. Doç.Dr. Eyüp DUMAN’a (Ankara Üniversitesi, Fizik Mühendisliği
Bölümü) teşekkür ederim.
Tüm çalışma arkadaşlarıma teşekkür ederim.
Bugünlere gelmem için birçok fedakarlık göstererek beni destekleyen sevgili AİLEME
teşekkür ederim.
Tez çalışmalarım sırasında burs aldığım TÜBİTAK destekli 109T743 numaralı ve
209T054 numaralı TÜBİTAK ve Rusya Temel Araştırmalar Vakfı (RFBR) tarafından
desteklenen proje kapsamında oluşturulan bu tez çalışmasına desteklerinden ötürü
TÜBİTAK’a teşekkür ederim.
Melike ARSLAN
Ankara, Aralık 2011
iii İÇİNDEKİLER
ÖZET................................................................................................................................. i
ABSTRACT .....................................................................................................................ii
TEŞEKKÜR ...................................................................................................................iii
KISALTMALAR DİZİNİ ............................................................................................. vi
ŞEKİLLER DİZİNİ ......................................................................................................vii
ÇİZELGELER DİZİNİ ................................................................................................xii
1. GİRİŞ ........................................................................................................................... 1
2. KURAMSAL TEMELLER........................................................................................ 5
2.1 Langmuir-Blodgett İnce Film Tekniği ................................................................... 5
2.1.1 Langmuir-Blodgett ince film tekniğinin tarihçesi............................................... 5
2.2 Yüzey Gerilimi........................................................................................................... 7
2.3 Yüzey Basıncı............................................................................................................. 9
2.3.1 Langmuir Denge Yöntemi ..................................................................................... 9
2.3.2 Wilhelmy Levhası Yöntemi ................................................................................. 10
2.4 Yüzey Basıncı (π) - Alan (A) Eş Sıcaklık Eğrisi ................................................... 12
2.4.1 İdeal eş sıcaklık eğrisi .......................................................................................... 14
2.4.2 Deneysel eş sıcaklık eğrisi.................................................................................... 16
2.5 Alttaş Üzerine Tek Tabaka Aktarımı.................................................................... 18
2.6 Langmuir Tek Tabaka Düzenlenimi ve Kararlılığı ............................................. 20
2.7 Çok Katlı Langmuir-Blodgett İnce Film Türleri ................................................. 24
3. MATERYAL VE YÖNTEMLER............................................................................ 26
3.1 İnce Filmlerin Üretilmesi........................................................................................ 26
3.1.1 Kurşun (Pb) arachidate ince filmlerinin LB yöntemi ile üretilmesi................ 26
3.1.2 CdS ince filmlerinin LB yöntemi ile üretilmesi ................................................. 28
3.2 Örneklerin Yapısal Karakterizasyonu.................................................................. 32
3.2.1 Taramalı elektron mikroskobu........................................................................... 32
3.2.1.1 İkincil elektron görüntüsü................................................................................ 33
3.2.1.2 Geri saçılımlı elektron görüntüsü .................................................................... 35
3.2.2 Atomik kuvvet mikroskobu................................................................................. 35
3.2.2.1 Atomik kuvvet mikroskobunun temel mekanizmaları.................................. 38
3.2.2.2 Çubuk dinamiği................................................................................................. 41
3.2.2.3 Atomik kuvvet mikroskobunun çalışma kipleri............................................. 45
3.2.3 Elektrik kuvvet mikroskobu ............................................................................... 50
3.2.4 Kelvin Uç Mikroskobu......................................................................................... 58
4. BULGULAR .............................................................................................................. 63
4.1 Kurşun (Pb) Arahidat İnce Filmlerinin Yapısal Karakterizasyonu .................. 63
4.1.1 Kurşun (Pb) arahidat ince filmlerinin elektron mikroskobu sonuçları.......... 63
4.1.1.1 pH=3,6 Kurşun (Pb) arahidat ince filmlerinin elektron mikroskobu
sonuçları............................................................................................................. 63
4.1.1.2 pH=8,6 Kurşun (Pb) arahidat ince filmlerinin elektron mikroskobu
sonuçları ............................................................................................................ 67
4.1.2 Kurşun (Pb) arahidat ince filmlerinin atomik kuvvet mikroskobu
sonuçları ............................................................................................................... 69
4.1.2.1 pH=3,6 Kurşun (Pb) arahidat ince filmlerinin atomik kuvvet mikroskobu
sonuçları ............................................................................................................ 70
iv 4.1.2.2 pH=8,6 Kurşun (Pb) arahidat ince filmlerinin atomik kuvvet
mikroskobu sonuçları ..................................................................................... 73
4.1.3 Kurşun (Pb) arahidat İnce Filmlerinin Kelvin Uç Mikroskobu
sonuçları ............................................................................................................ 75
4.1.3.1 pH=3,6 Kurşun (Pb) arahidat ince filmlerinin Kelvin uç mikroskobu
sonuçları ............................................................................................................. 75
4.1.3.2 pH=8,6 Kurşun (Pb) arahidat ince filmlerinin Kelvin uç mikroskobu
sonuçları ............................................................................................................ 78
4.2 CdS LB İnce Filmlerinin Yapısal Karakterizasyonu........................................... 81
4.2.1 CdS LB ince filmlerinin elektron mikroskobu sonuçları ................................. 81
4.2.1.1 pH=3,6 CdS LB ince filminin elektron mikroskobu sonuçları ..................... 81
4.2.1.2 pH=8,6 CdS LB ince filminin elektron mikroskobu sonuçları ..................... 82
4.2.2 CdS LB ince filmlerinin atomik kuvvet mikroskobu sonuçları ....................... 83
4.2.2.1 CdS test örneğinin atomik kuvvet mikroskobu sonuçları............................. 83
4.2.2.2 pH=3,6 CdS LB ince filminin atomik kuvvet mikroskobu sonuçları ........... 86
4.2.2.3 pH=8,6 CdS LB ince filminin atomik kuvvet mikroskobu sonuçları ........... 87
4.2.3 CdS LB ince filmlerinin elektriksel karakterizasyonu ..................................... 90
4.2.3.1 pH=3,6 CdS LB ince filminin elektrik kuvvet mikroskobu (EKM)
sonuçları ............................................................................................................. 90
4.2.3.2 pH=3,6 CdS LB ince filminin EKM nicel analiz sonuçları ........................... 95
4.2.3.3 pH=3,6 CdS LB ince filminin Kelvin uç mikroskobu sonuçları ................... 99
4.2.3.4 pH=8,6 CdS LB ince filminin elektrik kuvvet mikroskobu (EKM)
sonuçları........................................................................................................... 102
4.2.3.5 pH=8,6 CdS LB ince filminin EKM nicel analiz sonuçları ......................... 106
4.2.3.6 pH=8,6 CdS LB ince filminin Kelvin uç mikroskobu sonuçları ................. 110
5. TARTIŞMA ve SONUÇLAR ................................................................................. 115
KAYNAKLAR ............................................................................................................ 130
ÖZGEÇMİŞ................................................................................................................. 134
v KISALTMALAR DİZİNİ
AKM
EKM
C
CdS
G
GS
KUM
LB
LS
Pb
pH
SEM
TUM
TTM
YS
YP
Atomik Kuvvet Mikroskobu
Elektrik Kuvvet Mikroskobu
Konsantrasyon
Kadmiyum Sülfür
Gaz Fazı
Genleşen Sıvı Fazı
Kelvin Uç Mikroskobu
Langmuir-Blodgett İnce Filmi
Langmuir-Schaefer İnce Filmi
Kurşun
Hidrojen Gücü
Taramalı Elektron Mikroskobu
Taramalı Uç Mikroskobu
Taramalı Tünelleme Mikroskobu
Yoğun Sıvı Fazı
Yüzey Potansiyeli
vi ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 2.1
Şekil 2.2
Şekil 2.3
Şekil 2.4
Şekil 2.5
Şekil 2.6
Şekil 2.7
Şekil 2.8
Şekil 2.9
Şekil 2.10
Şekil 2.11
Şekil 2.12
Şekil 2.13
Şekil 2.14
Şekil 2.15
Şekil 2.16
Şekil 2.17
Şekil 3.1
Şekil 3.2
Şekil 3.3
Şekil 3.4
Şekil 3.5
Şekil 3.6
Şekil 3.7
Şekil 3.8
Şekil 3.9
Şekil 3.10
Şekil 3.11
Şekil 3.12
Şekil 3.13
Sıvı yüzeyindeki kuvvet dengesi ................................................................. 7
Sıvı-hava ara yüzeyindeki yüzey gerilimi gösterimi .................................... 8
Langmuir Denge Sisteminin şematik gösterimi.......................................... 10
Wilhelmy levhası üzerinde molekül düzenlenimi....................................... 12
Mikrolitrelik enjektör ile alt-faz üzerine yayılan moleküllerin şematik
gösterimi ..................................................................................................... 13
a.Katı, b. Sıvı, c. Gaz fazlarında sıvı yüzeyindeki moleküllerin
davranışları.................................................................................................. 13
Stearik asit için eş sıcaklık eğrisi ................................................................ 14
Uzun-zincirli yağ asitleri için örnek eş sıcaklık eğrisi................................ 17
Su molekülünün sahip olduğu dipol momentin (μ) şematik gösterimi....... 18
Langmuir-Blodgett aktarım yöntemi ......................................................... 19
Langmuir-Schaefer aktarım yöntemi .......................................................... 20
Stearik asitin kimyasal formülü ve molekülün geometrisinin
şematik gösterimi ........................................................................................ 21
Amfifilik moleküllerin hava-su ara yüzeyinde düzenlenimi ...................... 21
a. sıcaklık ve b. pH değişiminin eş sıcaklık eğrisinde yarattığı etki ........... 23
Katı yüzeyin su seven olduğu durumda tek tabakanın transfer işlemi........ 24
Katı yüzeyin su sevmeyen olduğu durumda tek tabakanın transfer
işlemi........................................................................................................... 24
Farklı Tiplerde Üretilen Langmuir-Blodgett ince filmleri.......................... 25
Pb-arachidate tek tabakasının 3 farklı pH değeri için (pH=3.6, pH=5.1
ve pH=8.6) eş sıcaklık eğrileri a. 0,0001 mol/l; b. 0,001 mol/l,
c. 0,01 mol/l ................................................................................................ 27
Alt-faz pH değeri ve metal konsantrasyon değerlerinin molekül başına
düşen alana etkisi ........................................................................................ 28
Arahidik asit tek tabakasının a. pH=3,6 ve b. pH=8,6 değerleri için
eş sıcaklık eğrileri ....................................................................................... 30
Elektron demetinin örnek ile etkileşmesi sonucu oluşan sinyaller ............. 32
Gelen elektron enerjisinin örnek içinde yarattığı etkileşme hacmi............. 33
İkincil elektronların şematik gösterimi ....................................................... 34
İkincil elektronlarının dedektör tarafından algılanması.............................. 34
Geri saçılımlı elektronların şematik gösterimi............................................ 35
Atomik kuvvet mikroskobu tarayıcı başlığı................................................ 36
Tarayıcı bölgenin şematik gösterimi........................................................... 37
Lennard- Jones Potansiyeli ......................................................................... 38
Piezoelektrik dönüştürücü tipleri a. piezoelektrik disk, b. tüp
ve c. bimorf tarayıcı .................................................................................... 39
Yükselticiden üretilen gerilim değerinin, kuvvet aktarıcı sayesinde
örnek yüzeyine aktarımı.............................................................................. 40
vii Şekil 3.14
Şekil 3.15
Şekil 3.16
Şekil 3.17
Şekil 3.18
Şekil 3.19
Şekil 3.20
Şekil 3.21
Şekil 3.22
Şekil 3.23
Şekil 3.24
Şekil 3.25
Şekil 3.26
Şekil 3.27
Şekil 3.28
Şekil 3.29
Şekil 3.30
Şekil 3.31
Şekil 3.32
Şekil 3.33
Şekil 4.1
Şekil 4.2
Şekil 4.3
Şekil 4.4
Şekil 4.5
Şekil 4.6
Şekil 4.7
Şekil 4.8
Şekil 4.9
Şekil 4.10
Şekil 4.11
AKM’nin temel bileşenlerinin şematik gösterimi....................................... 40
NT-MDT marka standart bir çubuk-uç modeli ........................................... 41
Ucunda kütle bulunan esnek çubuk modeli ................................................ 41
a. salınım fazındaki, b. salınım genliğindeki değişim................................. 45
Kuvvetin, uç-örnek arasındaki mesafeye göre değişimi ............................. 46
Sabit Yükseklik Kipi mekanizmasının işleyişi .......................................... 47
Sabit Kuvvet Kipi mekanizmasının işleyişi ................................................ 48
Yarı Temaslı Kipte çalışma mekanizmasının işleyişi ................................. 49
Temassız Kipte çalışma mekanizmasının işleyişi....................................... 49
EKM kontrol mekanizmasının görünümü .................................................. 50
Sistem ve örnek arasında elektriksel temas için kullanılan özel alttaş ....... 51
Gerilim uygulandığında, örnek ile uçta oluşan zıt yüklerin şematik
gösterimi ..................................................................................................... 52
EKM sisteminin çalışma prensibi ............................................................... 54
EKM sisteminde örneğe bias gerilim uygulanması .................................... 54
Örnek bir film yüzeyinde uygulanan farklı DC bias gerilimlere karşı
çekici bir bölgede, deneysel ve fit fonksiyonu kullanarak elde edilen
faz kayması verileri .................................................................................... 56
Örnek bir film yüzeyinde B faz kayamsının ve φ ortalama yüzey
potansiyeli ile ilgili terimin elde edilmesi................................................... 57
İki paralel plaka arasındaki uzaklığın gerilimle birlikte değişimi .............. 59
KUM çalışma prensibinin şematik gösterimi ............................................. 59
Herhangi bir P noktasında oluşan toplam potansiyel.................................. 60
KUM sisteminin çalışma prensibi............................................................... 62
pH=3,6 örneği için farklı metal konsantrasyonları için elde edilen
geri saçılımlı elektron mikroskobu görüntüleri a. C = 10-4 mol/l,
b. C = 10-3 mol/l, c. C = 10-2 mol/l.............................................................. 64
SEM görüntüsünde birincil ana yapıların parçacık büyüklükleri ............... 66
SEM görüntüsünde ikincil dalsı yapıların parçacık büyüklükleri............... 66
pH=8,6 örneği için farklı metal konsantrasyonları için elde edilen geri
saçılımlı elektron mikroskobu görüntüleri a. C = 10-4 mol/l,
b. C = 10-3 mol/l, c. C = 10-2 mol/l.............................................................. 67
10-2 mol/l konsantrasyonuna sahip pH=8.6 örneğinin elektron
mikroskobu görüntüsünden elde edilen parçacık büyüklüğü grafiği .......... 69
pH=3,6 ince filminin 30 μm x 30 μm’lik bölgesini gösteren
2 boyutlu AKM görüntüsü .......................................................................... 70
pH=3,6 ince filminin 10 μm x 10 μm’lik bölgesini gösteren
a. 2 boyutlu, b. 3 boyutlu AKM görüntüleri ............................................... 71
pH=3,6 örneğinde seçilen tek bir yapının a. yüksekliği, b. genişliği.......... 71
10 μm x 10 μm’lik bölgede Pb içeren yapının yüksekliği .......................... 72
10 μm x 10 μm’lik bölgede Pb içeren yapının genişliği ............................. 72
pH=8,6 ince filminin 10 μm x 10 μm’lik bölgesini gösteren
a. 2 boyutlu, b. 3 boyutlu AKM görüntüleri ............................................... 74
viii Şekil 4.12 pH=8,6 örneğinin AKM görüntüsünden elde edilen tanecik analizi
grafiği.......................................................................................................... 74
Şekil 4.13 KUM pH=3,6 ince filminin 10 μm x 10 μm’lik bölgedeki a. 2 boyutlu
b. 3 boyutlu KUM görüntüleri .................................................................... 76
Şekil 4.14 pH=3,6 ince filminin KUM görüntüsü üzerinden seçilen çizgi .................. 77
Şekil 4.15 pH=3,6 ince filminin KUM görüntüsü üzerinden seçilen çizgi boyunca
yüzey potansiyelinin değişimi..................................................................... 78
Şekil 4.16 pH=8,6 ince filminin 10 μm x 10 μm’lik bölgedeki a. 2 boyutlu
b. 3 boyutlu KUM görüntüleri .................................................................... 78
Şekil 4.17 pH=8,6 ince filminin KUM görüntüsü üzerinden seçilen çizgi .................. 79
Şekil 4.18 pH=8,6 ince filminin KUM görüntüsü üzerinden seçilen çizgi boyunca
yüzey potansiyelinin değişimi..................................................................... 80
Şekil 4.19 pH=3,6 örneği için elde edilen geri saçılımlı elektron mikroskobu
görüntüsü..................................................................................................... 81
Şekil 4.20 pH=3,6 örneğinin elektron mikroskobu görüntüsünden elde edilen
parçacık büyüklüğü grafiği ......................................................................... 82
Şekil 4.21 pH=8,6 örneği için elde edilen geri saçılımlı elektron mikroskobu
görüntüsü..................................................................................................... 82
Şekil 4.22 pH=8,6 örneğinin elektron mikroskobu görüntüsünden elde edilen
parçacık büyüklüğü grafiği ......................................................................... 83
Şekil 4.23 Test örneğinin 4 μm x 4 μm’lik bölgesini gösteren a. 2 boyutlu
b. 3 boyutlu AKM görüntüleri .................................................................... 84
Şekil 4.24 CdS ince filminin parçacık büyüklüğü analizi için 4 μm x 4 μm’lik
tarama alanı içinden seçilen 2 μm x 2 μm’lik bölge ................................... 85
Şekil 4.25 CdS ince filminin AKM görüntüsünden elde edilen tanecik analizi
grafiği.......................................................................................................... 85
Şekil 4.26 CdS tabanlı pH=3,6 örneğinin 4 μm x 4 μm’lik bölgesini gösteren
a. 2 boyutlu, b. 3 boyutlu AKM görüntüleri ............................................... 86
Şekil 4.27 CdS pH=3,6 örneğinin AKM görüntüsünden elde edilen tanecik
analizi grafiği .............................................................................................. 87
Şekil 4.28 CdS tabanlı pH=8,6 örneğinin 4 μm x 4 μm’lik bölgesini gösteren
a. 2 boyutlu, b. 3 boyutlu AKM görüntüleri ............................................... 87
Şekil 4.29 CdS pH=8,6 örneğinin AKM görüntüsünden elde edilen tanecik
analizi grafiği .............................................................................................. 88
Şekil 4.30 CdS pH=3,6 ve pH=8,6 ince filmlerinin AKM görüntülerinin
karşılaştırılması ........................................................................................... 89
Şekil 4.31 pH=3,6 örneğinin örneğe a. 0V, b. 1V, c. 3V, d. 5V ve e. 7V
uygulandığında elde edilen 2 boyutlu ve 3 boyutlu EKM görüntüleri ....... 92
Şekil 4.32 pH=3,6 örneğinde belirtilen bias gerilimleri için faz görüntüleri
üzerinde seçilen noktalar............................................................................. 93
Şekil 4.33 CdS pH=3,6 örneği için farklı gerilim değerlerinde EKM görüntüleri
üzerinde seçilen ortak çizgi......................................................................... 95
ix Şekil 4.34 pH=3,6 örneğinin EKM görüntüleri üzerinde seçilen ortak çizgi
üzerinde elde edilen faz kaymalarının farklı bias gerilimlere göre
değişimi grafiği ........................................................................................... 96
Şekil 4.35 CdS pH=3,6 örneğinin EKM görüntüleri üzerinde seçilen ortak çizgi
üzerinde elde edilen faz kayması-DC bias gerilim grafiği.......................... 97
Şekil 4.36 CdS pH=3,6 örneğinin EKM görüntüleri üzerinde seçilen ortak çizgi
üzerinde elde edilen deneysel ve fit fonksiyonu kullanılarak elde
edilen faz kayması DC bias gerilim grafiği ................................................ 98
Şekil 4.37 CdS pH=3,6 örneğinin EKM görüntüleri üzerinde seçilen ortak çizgi
üzerinde EKM nitel analiz yöntemi ile hesaplanan farklı bias
gerilimlere göre yüzey potansiyeli grafiği .................................................. 99
Şekil 4.38 pH=3,6 örneğinin uca a. 1V, b. 3V, c. 5V ve d. 7V uygulandığında
elde edilen 2 boyutlu KUM görüntüleri.................................................... 100
Şekil 4.39 pH=3,6 örneğine KUM tekniği ile 1V, 3V, 5V ve 7V uygulandığında
elde edilen görüntüler üzerinde seçilen 2,19 μm’lik çizgi ........................ 101
Şekil 4.40 pH=3,6 örneğinin KUM görüntülerinde seçilen çizgide potansiyel
değerlerinin değişimi ................................................................................ 102
Şekil 4.41 pH=8,6 örneğinin örneğe a. 0V, b. 1V, c. 3V, d. 5V ve e. 7V
uygulandığında elde edilen 2 boyutlu EKM görüntüleri .......................... 103
Şekil 4.42 pH=3,6 örneğinde belirtilen bias gerilimleri için faz görüntüleri
üzerinde seçilen noktalar........................................................................... 104
Şekil 4.43 CdS pH=8,6 örneği için farklı gerilim değerlerinde EKM görüntüleri
üzerinde seçilen ortak çizgi....................................................................... 106
Şekil 4.44 CdS pH=8,6 örneğinin EKM görüntüleri üzerinde seçilen ortak çizgi
üzerinde elde edilen faz kaymalarının farklı bias gerilimlere göre
değişimi grafiği ......................................................................................... 107
Şekil 4.45 CdS pH=8,6 örneğinin EKM görüntüleri üzerinde seçilen ortak çizgi
üzerinde elde edilen faz kayması-DC bias gerilim grafiği........................ 108
Şekil 4.46 CdS pH=8,6 örneğinin EKM görüntüleri üzerinde seçilen ortak çizgi
üzerinde elde edilen deneysel ve fit fonksiyonu kullanılarak elde
Edilen faz kayması DC bias gerilim grafiği.............................................. 109
Şekil 4.47 CdS pH=8,6 örneğinin EKM görüntüleri üzerinde seçilen ortak çizgi
üzerinde EKM nitel analiz yöntemi ile hesaplanan farklı bias
gerilimlere göre yüzey potansiyeli grafiği ................................................ 110
Şekil 4.48 pH=8,6 örneğinin ucan a. 1V, b. 3V, c. 5V ve d. 7V
uygulandığında elde edilen 2 boyutlu KUM görüntüleri .......................... 111
Şekil 4.49 pH=3,6 örneğine KUM tekniği ile 1V, 3V, 5V ve 7V uygulandığında
elde edilen görüntüler üzerinde seçilen 1,3 μm’lik çizgi .......................... 112
Şekil 4.50 pH=8,6 örneğinin KUM görüntülerinde seçilen çizgide potansiyel
değerlerinin değişimi ................................................................................ 113
Şekil 4.51 pH=8,6 örneğinin a. 1V ve b. 7V bias gerilimlerine karşı gösterdiği
elektriksel KUM sinyalindeki değişim ..................................................... 113
x Şekil 4.52 pH=8,6 örneği üzerinde seçilen çizgi boyunca a. 1V
ve b. 7V bias gerilimlerine karşı gösterdiği elektriksel KUM
sinyalindeki değişim grafikleri ................................................................. 114
Şekil 5.1 pH=3,6 örneği için a. topografi, b. Kelvin Uç Mikroskobu
(VDC = 0 V) görüntüleri üzerinden seçilen çizgi ....................................... 117
Şekil 5.2 pH=3,6 örneği için topografi ve yüzey potansiyeli değerlerinin
seçilen çizgi üzerinden karşılaştırılması ................................................... 118
Şekil 5.3 pH=8,6 örneği için a. topografi, b. Kelvin uç mikroskobu
(VDC = 0 V) görüntüleri üzerinden seçilen çizgi ....................................... 118
Şekil 5.4 pH=8,6 örneği için topografi ve yüzey potansiyeli değerlerinin
seçilen çizgi üzerinden karşılaştırılması ................................................... 119
Şekil 5.5 Faz kaymasının DC bias gerilime göre değişimi grafiğinde, B faz
kaymasının ve φ teriminin elde edilmesi.................................................. 123
Şekil 5.6 Teorik ve deneysel faz kayması değerlerinin DC bias gerilime göre
değişimi..................................................................................................... 124
Şekil 5.7 CdS pH=3,6 örneği için seçilen çizgi boyunca topografi
ve EKM yüzey potansiyeli değerlerinin karşılaştırılması ......................... 127
Şekil 5.8 CdS pH=8,6 örneği için seçilen çizgi boyunca topografi
ve EKM yüzey potansiyeli değerlerinin karşılaştırılması ......................... 127
Şekil 5.9 CdS pH=3,6 örneği için seçilen çizgi boyunca topografi
ve KUM yüzey potansiyeli değerlerinin karşılaştırılması ........................ 128
Şekil 5.10 CdS pH=8,6 örneği için seçilen çizgi boyunca topografi
ve KUM yüzey potansiyeli değerlerinin karşılaştırılması ........................ 128
xi ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge 2.1
Çizelge 2.2
Çizelge 2.3
Çizelge 3.1
Çizelge 3.2
Çizelge 4.1
Çizelge 4.2
Çizelge 4.3
Çizelge 4.4
Çizelge 4.5
Çizelge 4.6
Çizelge 4.7
Çizelge 4.8
Çizelge 4.9
Çizelge 4.10
Çizelge 4.11
Çizelge 4.12
Çizelge 4.13
Çizelge 4.14
Çizelge 5.1
Çizelge 5.2
Çizelge 5.3
Çizelge 5.4
Farklı alt-fazların yüzey basıncı değerleri................................................. 9
Bazı kimyasal grupların dipol momentlerinin Debye birimindeki
değerleri ................................................................................................. 19
Bazı ince film maddesi olarak kullanılmaya uygun bazı çözücü
maddelerin özellikleri.............................................................................. 22
Test örneğinin üretilme yöntemi ............................................................ 31
Farklı pH derecelerinde hazırlanan CdS tabanlı LB Filmlerin
hazırlanma çizelgesi ................................................................................ 31
pH=3,6 örneğinin SEM görüntüleri üzerinden seçilen spektrum
numaraları için Pb’nin yüzde içindeki ağırlığı ........................................ 65
pH=8,6 örneğinin SEM görüntüleri üzerinden seçilen spektrum
numaraları için Pb’nin yüzde içindeki ağırlığı ........................................ 68
pH=3,6 örneğinin AKM görüntüsünden elde edilen pürüzlülük
analizi ...................................................................................................... 73
pH=8,6 örneğinin AKM görüntüsünden elde edilen pürüzlülük
analizi ...................................................................................................... 75
pH=3,6 örneğinin KUM görüntüsü analizi ............................................. 77
pH=8,6 örneğinin KUM görüntüsü analizi ............................................. 79
Test örneğinin AKM görüntüsünden elde edilen pürüzlülük analizi ...... 84
CdS pH=3,6 örneğinin AKM görüntüsünden elde edilen pürüzlülük
analizi ...................................................................................................... 86
CdS pH=8,6 örneğinin AKM görüntüsünden elde edilen pürüzlülük
analizi ...................................................................................................... 88
Test örneği ve test örneği üzerine üretilen 5 katmanlı farklı pH
değerlerine sahip LB film örneklerinin AKM’den elde edilen
pürüzlülük analizlerinin karşılaştırılması ................................................ 89
pH=3,6 örneğinde belirtilen bias gerilimleri için faz görüntüleri
üzerinde seçilen noktalar......................................................................... 94
pH=3,6 örneği üzerinde seçilen noktalarda, uygulanan gerilimin
oluşturduğu ortalama faz kayması değerleri ........................................... 94
pH=8,6 örneği üzerinde seçilen noktalarda, uygulanan gerilimin
oluşturduğu faz kayması değerleri ........................................................ 105
pH=8,6 örneği üzerinde seçilen noktalarda, uygulanan gerilimin
oluşturduğu ortalama faz kayması değerleri ......................................... 105
Khan ve arkadaşlarının 2010 yılında yayınladıkları CdS polikristal
ince filmlerinin kalınlığa bağlı parçacık büyüklükleri .......................... 121
CdS test örneği ve LB yöntemi ile elde edilen pH=3,6 ve pH=8,6
örneklerinin ortalama pürüzlülük ve KOK değerleri ............................ 121
pH=3,6 ve pH=8,6 örneklerinin nicel analiz yöntemi parametreleri .... 124
pH=3,6 ve pH=8,6 örneklerinin ortalama yüzey pürüzlülükleri ........... 125
xii 1. GİRİŞ
Simetrik veya simetrik olmayan organik ince filmlerin 19. yüzyılın sonlarından
günümüze kadar geçen sürede sensörlerde, dedektörlerde ve elektronik devre elemanları
olarak kullanılabilmesi birçok bilimadamının bu alanda araştırma yaparak yeni
teknolojiler geliştirmesine olanak sağlamıştır. Organik moleküllerle sentezlenmiş ince
filmlerin üretiminde farklı birçok yöntem kullanılmaktadır. Bu yöntemler ile katı bir
alttaş üzerine organik ince filmler biriktirilmektedir. Bu amaçla ısısal buharlaştırma,
püskürtme, ve Langmuir-Blodgett (LB) tekniği gibi birçok değişik yöntem
kullanılmaktadır.
Langmuir-Blodgett (LB) ince film yöntemi, özellikle sensörler, optiksel ve elektriksel
cihazlar, kayıt cihazları vb. birçok teknolojide elektronik cihazda kullanılabilmesi
açısından önemli bir teknik olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu üretim tekniği maliyetinin
diğer ince film tekniklerinden çok daha az oluşu ve yapılışının kolaylığı açısından tercih
edilmektedir.
LB ince filmler, su yüzeyinde yüzen organik moleküllerin, katı bir yüzeye istenen
sayıda tabaka sayısının transferi ile oluşturulurlar. LB tekniğinde kullanılan en önemli
malzemeler arahidik, stearik gibi yağ asitleridir. Bu yağ asitleri metal iyonları ile
birlikte de oldukça sık kullanılmaktadır. En sık kullanılan metaller ise Pb, Cd, Mg, Mn,
Ca, Ba ve Zn’dir.
LB teknolojisi ile elde edilen filmlerin fiziksel özellikleri ve kalitesini alt-fazın
(genellikle su) pH derecesi, iyon derişimi, sıcaklık gibi etkiler belirlemektedir. Farklı
koşullarda üretilen LB ince filmler çeşitli yapısal ve fiziksel ölçüm sistemleri ile
kolaylıkla incelenebilmektedirler. Bu ölçüm sistemlerinden en yaygın olarak
kullanılanların başında ise Taramalı Uç Mikroskopları gelmektedir.
Taramalı Uç Mikroskobu; örneklerin bölgesel özelliklerinin ve morfolojisinin yüksek
çözünürlükle incelemesine olanak sağlayan modern araştırma tekniklerinin en etkin
1 yöntemlerinden biridir. Taramalı Uç Mikroskopları içinde ilk geliştirilen yöntem
Taramalı Tünelleme Mikroskobu (TTM) yöntemidir. TTM 1981 yılında İsviçreli bilim
adamları Gerd Binning ve Heinrich Rohrer tarafından icat edilmiştir. Binning ve
Rohrer, TTM ile basit ve etkili bir şekilde, iletken örnek yüzeylerinde bulunan atomik
yapıların yüksek çözünürlükle görüntülenmesi sağlamışlardır. Bu çalışmalar G. Binning
ve H. Rohrer’e Taramalı Tünelleme Mikroskobu icadı ile 1986 yılında Nobel Fizik
ödülünü kazandırmıştır.
Taramalı Tünelleme Mikroskobunun icadı ise Atomik Kuvvet Mikroskobunun (AKM),
ortaya çıkmasına basamak olmuştur. AKM, esnek bir çubuğun ucundaki atom ile
yüzeydeki atom arasındaki itici ve çekici kuvvetlerden yararlanarak, yüzeyin
görüntülenmesini sağlayan bir sistem şeklinde tanımlanabilir. Bu sistem sayesinde
sadece iletken değil aynı zamanda yarı-iletken ve yalıtkan örnek yüzeylerinin
incelemesi de yapılabilmektedir. Atomik Kuvvet Mikroskobu teknolojisinin gelişmesi
ile yarı-iletken ve iletken yüzeylerin incelenmesi, çeşitli örneklerin elektriksel
özelliklerini inceleme imkânı doğurmuştur. Çeşitli geometrideki örneklerin elektriksel
yapısı hakkında bilgi edinilmesi için kullanılan Elektrik Kuvvet Mikroskobu ve örnek
yüzeyinde oluşan yüzey yüklerini görüntülemede etkili bir yöntem olan Kelvin Uç
Mikroskobu yöntemleri bu sistemler içinde en yaygın olarak kullanılan mikroskobi
teknikleridir.
Bu tez çalışmasında LB tekniği ile üretilen 2 farklı grup ince film topografik ve
elektriksel özellikleri bakımından incelenmiştir. Birinci grupta iki farklı pH ve farklı
konsantrasyon değerlerine sahip ince filmlerin yüzey morfolojisindeki değişimler
Taramalı Elektron Mikroskobu ile incelenmiştir. Konsantrasyon ile ince film kalitesi
arasındaki ilişki belirlendikten sonra en uygun derişim değeri belirlenip, farklı pH
derecelerindeki kurşun arahidat filmleri elde edilmiştir. İkinci grup ince filmler ise, test
örneği adı verilen ve ısısal vakum buharlaştırma tekniği ile elde edilen CdS ince filmi
üzerine LB tekniği ile 5 katmandan oluşan arahidik asit tabakasının farklı pH
değerlerinde transferi ile elde edilmiştir.
2 Rusya’nın Saratov kentinde bulunan Saratov Devlet Üniversitesi Nanoteknoloji bölümü
ile ortak sürdürülen Tübitak (proje no:209T054) ve Rusya Temel Araştırmalar Vakfı
(RFBR) tarafından desteklenen proje kapsamında, ince filmler Rusya’nın Saratov
şehrindeki Saratov Devlet Üniversitesi’nde üretilmiştir. Parçacık büyüklükleri,
parçacıkların ortalama pürüzlülüğü, Ankara Üniversitesi Manyetik Malzemeler
Araştırma Laboratuarı’nda bulunan NT-MDT Solver Pro-M marka Taramalı Uç
Mikroskobu ile tespit edilmiştir. İnce filmlerin topografik görüntülerinden elde edilen
ortalama
parçacık
büyüklüklerinin
Mira\\LMU
marka
Taramalı
Elektron
Mikroskobu’ndan (SEM) elde edilen parçacık büyüklükleri ile uyumlu olduğu
belirlenmiştir. İnce filmlerin elektriksel özellikleri, NT-MDT Solver Pro-M marka
Taramalı Uç Mikroskobunun Elektrik Kuvvet Mikroskobu ve Kelvin Uç Mikroskobu
yöntemleri kullanılarak belirlenmiştir.
Birinci grupta incelenen Pb katkılı iki farklı pH değerine sahip ince filmin aynı
derişimde farklı topografik özelliklere sahip olmasının, yüzey potansiyeli üzerine
etkisinin nasıl olduğunun belirlenmesi amacıyla, bu ince filmlerin Kelvin Uç
Mikroskobu sistemi ile görüntülemeleri yapılmıştır.
İkinci grupta incelenen ve iki farklı ince film tekniği kullanılarak proje ortaklarımız
tarafından hazırlanan farklı pH derecelerine ve aynı arahidik tabaka sayısına sahip CdS
filmlerinin ise hem Elektrik Kuvvet Mikroskobu (EKM) hem de Kelvin Uç Mikroskobu
(KUM) sistemleri ile elektriksel topografileri elde edilmiştir. KUM verileri
incelendiğinde, farklı gerilim değerlerine maruz bırakılan örneklerin yüzey yük
yoğunluklarının değişmesinin yüzey potansiyeli değerlerini de değiştirdiği görülmüştür.
Bu sonuca göre, EKM tekniğinin gerilime karşı gösterdiği tepkiler incelendiğinde,
gerilim değerleri artıkça faz kayması değerlerinin de arttığı belirlenmiştir. Bu veriler
ışığında, KUM görüntüleme tekniği kullanmadan, yüzey üzerinde yaratılabilecek en
yüksek ve en düşük yüzey potansiyeli değerlerinin EKM tekniği ile nasıl bulunabileceği
konusu gündeme gelmiştir. Bunun için nicel analiz yöntemi kullanılmıştır. Nicel analiz
yönteminde, farklı gerilim değerlerine ait faz verileri kullanılarak, yüzey potansiyeli
değerleri hesaplanmıştır.
3 Tezin son kısmında nicel analiz yöntemi ile KUM tekniği kullanılarak elde edilen
veriler karşılaştırılmıştır. Bu bölümde ilk olarak, nicel analiz yöntemi ile elde edilen faz
kaymasının gerilime bağlı grafiği, CdS ince filmleri için deneysel ve teorik olarak
hesaplanmıştır. Daha sonra ise EKM nicel analiz yöntemi ile elde edilen gerilime bağlı
yüzey potansiyelleri, KUM tekniği ile elde edilen değerlerle karşılaştırılması
yapılmıştır. Sonuç olarak, nicel analiz yöntemi ile elde edilen çözünürlüğün ve
elektriksel bilginin KUM sistemine göre daha güçlü olduğu teorik ve deneysel
çalışmalar ile gösterilmiştir.
4 2. KURAMSAL TEMELLER
2.1 Langmuir-Blodgett İnce Film Tekniği
2.1.1 Langmuir-Blodgett ince film tekniğinin tarihçesi
Yağ ve suyun birbiri içersinde çözünmemesi, ilk çağlardan itibaren insanların dikkatini
çeken bir durum olmuştur. Su ile yağ tabakasının bu ilginç durumunu inceleyen ilk
bilim insanı Pliny the Elder (M.S. 23-79), insanlık tarihinin ilk ansiklopedisi sayılan
Naturalis Historia isimli çalışmasında bu durumu şu şekilde anlatır; “yağ, su yüzeyini
pürüzsüzleştirir, böylece yüzey dingin duruma ulaşır” (Kim, 2008). Su ve yağ tabakası
arasındaki etkileşmenin ilk deneysel çalışması ise 1774 yılında Benjamin Franklin
(1706-1790) tarafından gerçekleştirilmiştir. Franklin, Philosophical Transactions of the
Royal Society dergisinde yayınlanan makalesinde bu durumdan “rüzgârlı bir günde, göl
yüzeyine belirli bir miktar yağ damlattığımda, yağın hızlı bir şekilde yüzey üzerinde
yayıldığını gözledim. Rüzgâra zıt yönde damlattığım yağın sahile sürüklendiğini,
rüzgarla aynı yönde damlattığımda ise üst tabakanın büyükçe bir bölümünün yağ ile
kaplandığını fark ettim. Pürüzsüz mermer bir masaya bir miktar yağ damlatıldığında,
yüzeye kaplanan yağ miktarı fazla olmayacaktır, su yüzeyinde ise yağ damlaları, çok
hızlı bir şekilde içerisinde birçok rengi barındıracak ince bir tabaka halinde
yayılacaktır” şeklinde bahsedecektir. Franklin deney ile birlikte nicel bazı analizler de
yaptı. Örneğin, bir çay kaşığı (2 mL) yağın, 0.4 hektarlık su yüzeyini kapladığını,
yüzeyde oluşan bu filmin kalınlığının ise 2 nm’den az olduğunu ölçmüştür (Kolasinski,
2008). Bu çalışmada kullanılan malzemeler ile nanometre düzeyinde ilk defa ölçüm
yapılmasına karşın, dönemsel bilimsel gelişmeler nedeniyle, Franklin akademik
çevreden beklenen ilgiyi görememiştir.
Tam bir asır sonra, 1890 yılında Lord Rayleigh (John Williams Strutt) (1842-1919),
Franklin’in bu deneyini devam ettirdi. Rayleigh, yaptığı deneylerde, hazırladığı
filmlerin 1-2 nm kalınlığa sahip olduğunu görmüştür.
5 Aynı dönemde yapılan diğer bir çalışma ise, Agnes Pockels (1862-1935) isimli Alman
bir bilim kadınına aittir.
Pockels, yüzey dengesi tam sağlanamamış bir mutfak
lavabosunda, kullandığı farklı yağ asitlerinin yüzey üzerindeki davranışlarını
gözlemleyerek, moleküllere ait yüzey basınç-alan değişim grafiklerini elde etmiştir.
Agnes Pockels, elde ettiği verileri ise Nature dergisinde (Pockels 1891, Pockels 1892)
yağ asitlerinden, alkol ve eter tek tabakalarından oluşan filmlerin nicel analizini yaparak
bilim dünyasına sunmuştur.
1910’lu yılların sonlarına doğru, Irving Langmuir (1881-1957), General Electric
laboratuarlarında yağ ve suyun etkileşmesini ilk defa sistematik şekilde çalıştı
(Langmuir 1917). Su üzerindeki organize olmuş moleküllerin, cam, silikon, mika vb.
katı yüzeyler üzerine tek tabaka halinde transfer edilebileceği fikrini ortaya atan
Langmuir, yaptığı deneylerde, su içindeki, sıvının yüzey gerilmesini azaltan (yüzey
aktif madde) bileşiklerini Theory of Surface Phenomena isimli makalesinde bir araya
getirmiştir. Langmuir bu çalışmaları ile 1932 yılında Kimya alanında Nobel ödülü
kazanmıştır.
1920 yılında Katherine Blodgett (1898-1979), su yüzeyi üzerinde yüzen tek tabaka
organik moleküllerin, katı yüzeylere ince tabakalar halinde aktarımını gerçekleştirmeyi
başararak Langmuir-Blodgett ince filmlerinin ortaya çıkmasını sağlamıştır (Blodgett
1935). 1930’lu yıllarda Irving Langmuir’ın asistanı olan Vincent Schaefer, ince
tabakaların yüzeylere aktarımı ile ilgili Blodgett’ın metoduna benzer bir yöntem
bulmuştur. Bu teknikte ise, tek tabaka organik molekülleri, katı yüzeylere yatay biçimde
depo edilebilmektedir.
Langmuir ve Blodgett’in bu önemli buluşundan sonra, Langmuir-Blodgett (LB)
tekniğinin sağladığı fırsatlar bilim adamları tarafından ancak 50 sene sonra
anlaşılabilmiştir. Bu konudaki uluslar arası ilk konferans ise 1979 yılında
gerçekleştirilmiştir. Sonraki yıllarda bilim adamlarının LB tekniğine gösterdikleri ilgi
giderek artmıştır.
6 2.2 Yüzey Gerilimi
Sıvılarda yüzey gerilimi, sıvının türüne göre değişen, moleküller arası çekim kuvvetleri
(kohezyon kuvvetleri) olarak tanımlanmaktadır. Sıvıda farklı derinliklerinde bulunan
moleküller, çevrelerindeki komşu moleküller tarafından her yönden eşit olarak, küresel
simetrik şekilde, çekim kuvvetlerinin etkisi altında kalmaktadırlar. Böylece sıvı
içerisindeki bir moleküle etkiyen tüm kuvvetler birbirlerini dengeler (Petty 1996).
Sıvının yüzeyinde bulunan bir molekül ise (sıvı-gaz ara yüzeyi olarak düşünüldüğünde)
sadece yüzeyin altındaki moleküller tarafından sıvının içerisine doğru çekilmektedir
(Şekil 2.1).
Şekil 2.1 Sıvı yüzeyindeki kuvvet dengesi
Sıvı içerisindeki moleküller, yüzeydekilere göre daha fazla çekim kuvvetinin etkisi
altında bulunduklarından dolayı, potansiyel enerjileri yüzeydeki moleküllerin potansiyel
enerjilerinden daha düşüktür. Çünkü bir cisme etki eden çekim kuvvetleri ne kadar fazla
ise cismin potansiyel enerjisi de o kadar az olmaktadır (Shaw 1980).
Yüzey
moleküllerine
etkiyen
çizgisel
kuvvet,
yüzey
gerilimi
(γ)
olarak
adlandırılmaktadır. Yüzey gerilimi, sistemin enerji fonksiyonunun yüzey alanı
üzerinden parçalı türeviyle ifade edilmektedir. Yani:
⎛ ∂F ⎞
⎛ ∂G ⎞
γ =⎜ ⎟
=⎜
⎟
⎝ ∂A ⎠T ,V ,n ⎝ ∂A ⎠T , P ,n
i
(2.1)
i
7 dir. Eşitlik (2.1)’de sıcaklık (T), yüzey alanı (A), hacim (V) ve tüm elemanların
toplamının (ni) sabit olduğu durumda F ve G, sistemin Helmholtz veya Gibbs serbest
enerjilerini göstermektedir.
Saf sıvının düzlem ara yüzündeki doymuş buhar ile dengede olduğu durumda, yüzey
gerilimi, birim alan başına düşen Helmholtz serbet enerjisine eşit olmaktadır. Bu
durumda:
γ =FS / A
(2.2)
olur. Eşitlik (2.2)’de FS yüzey serbest enerjisini ifade etmektedir.
Şekil 2.2 Sıvı-hava ara yüzeyindeki yüzey gerilimi gösterimi
Şekil 2.2 sıvı-hava ara yüzeyinde meydana gelen gerilimini göstermektedir. Yüzey
gerilimi birimi genellikle [mM/m] olarak verilmektedir. Bunun yanı sıra, enerji birimi
[J], yüzey alanı ise [m2] cinsinden ifade edilmektedir. Sabit sıcaklıkta değişmeyen
yüzey gerilimi, sıcaklık arttıkça azalmaktadır. Molekül yapısı kısmi artı veya eksi yük
taşıyan (kutuplu) sıvı molekülleri (örneğin su) arasında etkileşim oldukça güçlü olduğu
için bu tip moleküller yüksek yüzey gerilimine sahiptirler (Çizelge 2.1).
8 Çizelge 2.1 Farklı alt-fazların yüzey basıncı değerleri
Sıvı (Alt faz)
Su
Gliserol
Diiodomethane
Bromobenzene
Octanol
Yüzey Basıncı (mN/m)
72,8
63,4
50,8
40,0
27,5
Suyun yüzey gerilimi, 20 °C’de ve atmosfer ortamındaki 72,8 mN/m’dir. Bu değer,
diğer sıvılar ile karşılaştırıldığında (Çizelge 2.1) oldukça yüksektir. Bu nedenle su, tek
tabaka çalışmalarında en çok tercih edilen alt-fazdır.
2.3 Yüzey Basıncı
Tek tabakanın, sıvı yüzey üzerindeki düzenlenimini yüzey gerilimi belirlemektedir. Saf
suyun yüzey basıncı (γ0) ile tek tabakanın kapladığı alanda oluşan su yüzeyi basıncı (γ)
arasındaki fark:
Π = γ0 −γ
(2.3)
dir. Denklem (2.3) ile elde edilen fark bize tek tabakanın yüzey basıncını (Π)
vermektedir. Yüzey basıncı ölçümünde temel iki yaklaşım vardır. Bunlar; Langmuir
denge yöntemi ve Wilhelmy levha yöntemidir.
2.3.1 Langmuir Denge Yöntemi
Bu yöntemde, yüzeyde serbestçe hareket eden bir ayırıcı, tek tabakayı ve saf suyu (veya
alt-faz olarak kullanılan başka bir sıvıyı) birbirinden ayırmakta kullanılmaktadır. Bu
yöntemde ayırıcı, tek tabaka tarafından kademeli olarak değişen bir kuvvete maruz
kalmaktadır (Şekil 2.3). Tabaka tarafından etkiyen kuvvetin genliği, ayırıcı tarafından
algılanarak, kuvvet sonucu oluşan yer değiştirme miktarı belirlenmektedir. Ayırıcıda
oluşan bu yer değiştirme miktarı genelde ~10 μm’den küçüktür.
9 Sistemde, F kuvveti uygulanan ayırıcı, dx kadar yer değiştirmektedir. Sonuçta, tek
tabaka kaplı yüzey alanı dS m kadar genişlerken, saf suyun bulunduğu alan dS 0 kadar
azalmaktadır. Toplam yer değiştirme miktarı:
Fdx = γdS m − γ 0 dS 0 = (γ 0 − γ )dS = π ⋅ ldx
(2.4)
formülü ile verilmektedir.
Şekil 2.3 Langmuir denge sisteminin şematik gösterimi
Eşitlik (2.4)’te dS m = − dS 0 , ve l tek tabakanın genişliğidir. Bu durumda yüzey basıncı:
π =F l
(2.5)
ile verilmektedir.
2.3.2 Wilhelmy Levhası Yöntemi
Yüzey basıncı ölçümü, bir mikroteraziye asılı Wilhelmy levhası ile de yapılabilmektedir
(Şekil 2.4). Bu levha oldukça ince bir malzemeden (Pt, cam, mica vb.) yapılmalıdır.
Levha, sıvıya (genellikle su) kısmen batırılmaktadır. Hava-sıvı ara yüzeyinde oluşan
yüzey gerilimi levha tarafından algılanmakta ve böylece yüzey basıncı ölçülmektedir.
Bu yöntemde, Langmuir denge yönteminden farklı olarak, su alt fazı ve tek tabaka, aynı
10 bölümde bulunmaktadır. Ayrıca, su yüzeyinde depolanan organik yüzey aktif maddeler,
yüzey geriliminde azalmaya neden olurlar. Wilhelmy levhasına aşağı yönde, yer çekimi
ve yüzey gerilim kuvvetleri etkirken, yukarı yönde kaldırma kuvveti etkimektedir.
Şekil 2.4’te gösterilen, yoğunluğu ρp olan dikdörtgen Wilhelmy levhasının boyutları L,
W ve t, yoğunluğu ise ρp olsun. Bu durumda, tek tabakanın bulunmadığı durumda,
yoğunluğu ρl olan su içine h kadar daldırıldığında levhaya etkiyen net kuvvet:
F0 = ρ p ⋅ g ⋅ L ⋅ W ⋅ t + 2 γ 0 ⋅ (t + W ) ⋅ cos θ − ρ l ⋅ g ⋅ t ⋅ W ⋅ h
(2.4)
ile verilmektedir. Eşitlik (2.4)’te γ0 saf suyun yüzey gerilimini, θ levha ile su arasında
oluşan açıyı, g ise yer çekimi ivmesini göstermektedir. Su yüzeyinin, tek tabaka ile
kaplandığı durumda levhaya etkiyen Fm kuvveti ise:
Fm = ρ p ⋅ g ⋅ L ⋅ W ⋅ t + 2γ ⋅ (t + W ) ⋅ cos θ m − ρ l ⋅ g ⋅ t ⋅ W ⋅ h
(2.5)
olur. Eşitlik (2.5)’te θm, levha ile tek tabaka kaplı su arasında oluşan açıyı
göstermektedir.
ΔF, levhaya etkiyen kuvvetteki değişim miktarı olmak üzere, yüzey gerilimindeki
değişim miktarı:
ΔF = Fm − F0 = 2(t + W )(γ cos θ m − γ 0 cos θ 0 )
(2.6)
olarak gösterilir. Δγ, yüzey gerilmesindeki değişimi olmak üzere, levhanın su içerisinde
battığını ve t<<W olduğunu varsayarsak, kuvvetteki değişim miktarı:
ΔF = 2W (γ − γ 0 ) = 2WΔγ
(2.7)
ile verilir. Yüzey basıncı Π, tek tabaka kaplı su yüzeyindeki, yüzey gerilimi değişimine
(Δγ) eşit olacağı için, yüzey basıncı:
Π = −Δγ = −ΔF / 2W
(2.8)
şeklinde ifade edilebilir.
11 Şekil 2. 4 Wilhelmy levhası üzerinde molekül düzenlenimi
a. önden ve b. yandan görünümü
2.4 Yüzey Basıncı (π) - Alan (A) Eş Sıcaklık Eğrisi
Su yüzeyi üzerindeki tabakada bulunan moleküllerin meydana getirdiği yüzey
basıncının, yüzey alanının bir fonksiyonu olarak çizilmesi, eş sıcaklık eğrisini
oluşturmaktadır. Tek tabaka üretiminde dikkat edilmesi gereken en temel nokta, uçucu
bir çözücü (kloroform vb.) içinde çözünmüş halde bulunan tek tabakanın özelliklerinin
çözücü buharlaştıktan sonra araştırılması gerekliliğidir.
Bu eğriye, alt-fazla yani suya karışmayan, yüksüz, kolayca buharlaşabilen çözücü
madde içersindeki moleküller katkıda bulunurlar (Şekil 2.5). Tek tabaka düzenlenimi
için kullanılan malzemeler amfifil olarak adlandırılmaktadır. Amfifil malzemeler, suyu
seven (hidrofilik) kafa grubu ve suyu sevmeyen (hidrofobik) kuyruk bölümünden
oluşmaktadır. Tek tabakayı oluşturan malzemeler karboksilik baş grubu ve uzun alkil
zincirine sahip olan yağ asitlerinden (arakhidik, stearik vb.) oluşmaktadır. Amfifil bir
malzemenin faz özelliklerini, bazı fiziksel olaylar ve o malzemenin kimyasal yapısı
12 belirlemektedir (alt fazın sıcaklığı, pH’ı vb.) (Muller ve Borisov 2011). Bu özelliklerden
dolayı, eş sıcaklık eğrisi, amfifil malzemelerden elde edilen tek tabakanın özelliklerini
ayırt etmekte kullanılan en önemli veridir.
Şekil 2.5 Mikrolitrelik enjektör ile alt-faz üzerine yayılan moleküllerin şematik
gösterimi
Şekil 2.6 a. Katı, b. Sıvı, c. Gaz fazlarında sıvı yüzeyindeki moleküllerin
davranışları
Eş sıcaklık eğrisinden faydalanarak ince filmdeki molekülün büyüklüğü, düzenlenme
derecesi, yönelimi ve kararlılığı elde edilebilmektedir. Mikrolitrelik enjektör ile alt-faz
13 üzerine yayılan moleküllerin (Şekil 2.5) ideal durumda, eş sıcaklık eğrisinde, gaz, sıvı
ve katı olmak üzere üç temel faz gözlenmektedir (Şekil 2.6).
2.4.1 İdeal eş sıcaklık eğrisi
Şekil 2.7 örnek bir eş sıcaklık eğrisini göstermektedir. Çözeltinin, hava-su yüzeyine
yayıldığı ilk durumu gaz fazı (G) olarak tanımlanmaktadır. Gaz fazında, moleküller
düzensiz bir yapıdadır ve moleküller arası uzaklık oldukça büyük olduğu için
aralarındaki etkileşme de bir o kadar az olmaktadır. Bu durumda, tek tabakanın yüzey
gerilimine katkısı fazla olmayacağı için, yüzey basıncı da çok küçük bir değerdedir.
Yani bu değer yaklaşık sıfır olmaktadır (Adamson 1990).
Şekil 2.7 Stearik asit için eş sıcaklık eğrisi
Tek tabakaların baş grubunda bulunan hidrokarbon zincir uzunlukları ve itici-çekici
kuvvetlerin büyüklüğü, faz durumlarını belirlemektedir. Zincir uzunluklarının artışı,
moleküller arasındaki etkileşmenin de artmasını sağlamaktadır. Diğer yandan,
iyonlaşmaya yatkın amfifil malzemelerde zincir uzunluklarının azalması, moleküller
arası etkileşmeyi de azaltacağı için fazlar arasında ters yönde geçiş gerçekleşmektedir.
Literatürde, yağ asiti tek tabakalarını sınıflandırmada birçok yöntem vardır. Ancak
14 genel olarak, tek tabakaların gaz fazında (G), yani molekülerin birbirleriyle neredeyse
hiç etkileşmediği durumda bulundukları varsayılır. İdeal iki boyutlu gaz fazı denklemi:
Π × A = k ×T
(2.9)
ile verilir. Eşitlik (2.9)’da; A birim molekül başına alan, k Boltzman sabiti, Π yüzey
basıncı ve T mutlak sıcaklığı göstermektedir.
Sıvı faz, hareketli bariyerlerin iki yandan eşit miktarda itilmesi ile tek tabakanın
sıkıştırılması sonucunda ortaya çıkmaktadır. Sıvı fazda, moleküller gaz fazına göre daha
düzenli bir yapıdadır. Bu fazda moleküller arası etkileşme başladığı için yüzey gerilimi
ortaya çıkmaktadır.
Katı faz ise, bariyerlerin dış kuvvet etkisine daha fazla maruz kaldığı durumda ortaya
çıkmaktadır. Artık bu fazda, yağ molekülleri oldukça düzenli yapıdadır ve birbirleri ile
oldukça fazla etkileşme içerisindedir.
Bariyerlerin daha fazla sıkıştırıldığı durumda ise, basıncın etkisiyle, çökme noktası adı
verilen bir durum oluşmaktadır. Bu durum, tek tabakanın özelliğine göre farklı basınç
değerlerinde ortaya çıkmaktadır. Çökme noktası, tek tabakanın düzenli yapısını
koruyabildiği en yüksek basınç değeri olarak tanımlanmaktadır. Tek tabakaya, bu basınç
değerinden daha büyük bir basınç uygulanmaya çalışıldığında, tabakanın düzenli yapısı
aniden bozulmakta ve bunun sonucunda yüzey basıncı fark edilir oranda azalmaktadır
(Şekil 2.7).
Tek tabakaların yukarıda bahsedilen bu farklı faz durumlarında bulunmaları kutuplu
grupların ve hidrokarbon zincirlerinin etkileşmelerine bağlı olarak ortaya çıkmaktadır
(Simon-Kutscher vd. 1996).
15 İdeal bir eş sıcaklık eğrisinde, fazlar arası geçişler oldukça keskindir. Ancak deneysel
çalışmalarda,
uygun
basınç
değeri
seçilmediğinde,
bu
geçişler
tam
olarak
gözlenemeyebilir.
2.4.2 Deneysel eş sıcaklık eğrisi
Deneysel bir eş sıcaklık eğrisinde, moleküller, sıvı fazından gaz gazına keskin bir geçiş
göstermemektedirler. Bariyerlerin sıkıştırılmaya başlandığı durumda ilk önce yoğun sıvı
fazı (YS) oluşmaktadır. Bu fazda, bariyerlerin etkisiyle yüzey basıncı artarken, yüzey
alanında fazla değişim gözlenmemektedir. YS fazından, genleşen sıvı fazına geçiş
sırasında ise başka bir ara faz oluşmaktadır; bu ara fazda yüzey basıncında azalma
gözlenmezken, yüzey alanında oldukça belirgin bir genişleme söz konusudur (GS-YS
fazı).
Gaz fazına geçiş sırasında, moleküller basıncın etkisiyle henüz tam düzenli bir yapıda
olmayacakları için genleşen sıvı fazı (GS) oluşmaktadır. Bu fazda yüzey gerilimi artık
oldukça azalmıştır.
En son faz ise, ideal eş sıcaklık eğrisinde olduğu gibi gaz fazıdır (G). Bu fazda, yüzey
basıncı yaklaşık sıfırdır çünkü tek tabakanın yüzey gerilimine katkısı yok denecek kadar
azdır (Şekil 2.8).
16 Şekil 2.8 Uzun-zincirli yağ asitleri için örnek eş sıcaklık eğrisi
Tek tabakanın sıkıştırılabilme miktarı ve yüzey zorlanım katsayısı, deneysel eş sıcaklık
eğrisinin verileri kullanılarak:
⎛ ∂A ⎞
CS−1 = ( −1 A ) × ⎜
⎟
⎝ ∂Π ⎠
(2.10)
eşitliği ile hesaplanmaktadır (Gaines 1966). Burada A, uygulanan yüzey basıncı Π
altında birim molekülün sahip olduğu alanı, Cs
-1
ise yüzey zorlanım katsayısını
göstermektedir.
Π-A eş sıcaklık eğrisine bakılarak, üretilen tek tabakanın asit mi yoksa tuz mu olduğu:
⎛ A − Am ⎞
Xπ = ⎜ a
⎟
⎝ Aa − As ⎠
(2.11)
eşitliği ile kolaylıkla bulunabilmektedir. Buarada, Aa, As, Am, asit, tuz ve içerisinde
farklı bileşikler bulunan tek tabakanın birim molekül başına sahip oldukları alanları
göstermektedir. Bu terimler, eş sıcaklık eğrilerinde, molekül yoğun sıvı fazdayken (YS),
17 eğri üzerinde oluşan çizgisel bölümlerin yatay eksene uzatılmasıyla bulunan değerlerdir
(Kurnaz 1996).
2.5 Alttaş Üzerine Tek Tabaka Aktarımı
Tüm bileşikleri suda çözünebilen ve çözünemeyen olarak ikiye ayırdığımızda, belirli bir
dipol momente (μ) sahip olanlar sadece suda çözünebilenler olacaktır. Şekil 2.9, su
molekülünün dipol moment şematiğidir. Su molekülünde iki hidrojen atomu açısal polar
kovalent bağlarla bir oksijen atomuna bağlanmıştır.
Şekil 2.9 Su molekülünün sahip olduğu dipol momentin (μ) şematik gösterimi
Katı yüzey üzerine tek veya çoklu tabakanın aktarımı, kullanılan yağ asitleri vb.
malzemelere bağlı olarak iki farklı şekilde yapılabilmektedir. Bunlar Langmuir-Blodgett
(LB) aktarım yöntemi ve Langmuir-Schaefer (LS) aktarım yöntemleridir. Benzen gibi
bazı kimyasal grupların sahip oldukları dipol momentin sıfır olması nedeniyle bu
gruplar LB fim yönteminde kullanılamazlar (Çizelge 2.2).
18 Çizelge 2.2 Bazı kimyasal grupların dipol momentlerinin Debye birimindeki değerleri
Kimyasal
grup
OOH
OH
NO2
NH2
Benzene
Örnek
Propranoik asit (C2H5COOH)
Propanol (C3H7OH)
Nitropropan (C3H7NO2)
Propilamin (C3H5NH2)
C6H6
Dipol moment
(μ) [Debye]
1,75
1,68
3,66
1,17
0
Esnekliği diğer tabakalarla karşılaştırıldığında daha sert olan tek tabaka çözeltileri,
dikey depolama olarak adlandırılan LB yöntemi ile katı yüzey üzerine oldukça zor
aktarılmaktadır (Şekil 2.10). Bu gibi durumlarda yatay depolama yöntemini (LS)
kullanmak daha düzgün ve daha homojen bir film elde etmeyi sağlamaktadır (Şekil
2.11).
Şekil 2.10 Langmuir-Blodgett aktarım yöntemi
19 Şekil 2.11 Langmuir-Schaefer aktarım yöntemi
2.6 Langmuir Tek Tabaka Düzenlenimi ve Kararlılığı
Langmuir tek tabakaları, hidrofilik (su seven) ve hidrofobik (su sevmeyen) gruplardan
oluşmaktadır. Hidrofilik grup, suda kolay çözünen baş gruplarından oluşurken; su
sevmeyen grup, molekül yapısı kutupsuz, çözücü maddelerde kolaylıkla çözünebilen
kuyruk kısmından oluşmaktadır. Su molekülleri ve hidrofobik grup arasında itici bir
etkileşme olması nedeniyle moleküller su yüzeyi üzerinde kolayca yüzebilmektedir.
Hidrofobik ve hidrofilik gruplardan oluşan bu tek tabaka ise amfifil olarak
isimlendirilmektedir. Fosfolipitler ve glikolipitler gibi, yüzey aktif madde olarak da
bilinen bileşikler, su-hava ara yüzünde enerjilerini en az yapacak şekilde
düzenlenmektedirler. Sıvı yüzeyde çözünmeyen bu tek tabaka, Langmuir tabakası
olarak adlandırılmaktadır.
Şekil 2.12, LB tekniğinde tek veya çok katmanlı ince filmlerde sıkça kullanılan stearik
asidi (C17H35COOH) göstermektedir. LB ince filmlerinde kullanılan asitlerin genel
formülü CnH2n+1COOH şeklindedir. Silindirik bir geometriye sahip olan molekülün
uzunluğu yaklaşık 2,5 nm ve kesit alanı ~0,19 nm2’dir. Uzun karbon zincirini 16 adet
CH2 grubu ve metil CH3 grubu oluştururken COOH grubu ise dipol momenti oluşturan
bölümdür. Hidrokarbon zinciri çok kısa veya çok güçlü olursa malzeme alt-fazda çok
kolay bir şekilde çözünebilmektedir.
20 Şekil 2.12 Stearik asidin kimyasal formülü ve molekülün geometrisinin şematik
gösterimi
LB ince film maddesi olarak düşünülen malzeme, suyla karışmayan ve kısa sürede
buharlaşabilen çözücü bir madde (kloroform) içinde çözündükten sonra su yüzeyine
damlatıldığında, çok hızlı bir biçimde ara yüzeyi tamamen kaplamaktadır. Çözücü
madde buharlaştıktan sonra, Langmuir teknesininde bulunan hareketli bariyerler
sıkıştırılmakta ve katı fazın elde edildiği basınç değerinde tek tabaka elde edilmektedir.
Bu tabakanın gaz fazına bakan yüzeyinde kuyruk grupları, su içine batmış kısmında ise
baş grupları bulunmaktadır (Şekil 2.13). Srivastava ve Verma tek moleküllü tabakaların
kalınlık ölçümlerini yaptıklarında, tabakadaki zincir uzunluklarının su yüzeyi üzerinde
yayılabilirliği etkilediğini belirlemişlerdir (Srivastava ve Verma 1996).
Şekil 2.13 Amfifilik moleküllerin hava-su ara yüzeyinde düzenlenimi
21 Yüzer durumdaki tek tabakalar genellikle yarı kararlı durumdadırlar, yani termodinamik
dengeye ulaşamamışlardır. Bu durum, bariyerlerin sıkıştırma hızı, sıcaklık, pH ve
kullanılan yüzey aktif madde gibi deneysel parametrelerden kaynaklanmaktadır
(Çizelge 2.3) (Schwartz 1997).
Çizelge 2.3 LB ince film maddesi olarak kullanılmaya uygun bazı çözücü maddelerin
özellikleri
Çözücü
Erime noktası (0C)
Kaynama noktası (0C)
n hexane
Cyclohexane
Choloroform
Diethylether
Acetone
Dichloromethane
-94
6,5
-64
-116
-93,4
-98
69
81
61
35
56
40
Su içinde
çözünebilirlik
0,01
0,07
8
75
∞
1,3
Genellikle LB filminin katı bir yüzeye transferi genellikle 20-40 mN/m yüzey
basıncında ve oda sıcaklığında gerçekleştirilmektedir. Şekil 2.14, farklı sıcaklıklarda ve
farklı pH değerlerinde eş sıcaklık eğrisinde oluşan değişimi göstermektedir. Sıcaklık
arttıkça bariyerlere uygulanması gereken basınç değişirken; pH arttıkça molekül başına
düşen alan değişmektedir. Sıcaklığın sabit tutulduğu varsayıldığında; 0,5 mN Kalsiyum
klorür (CaCl2) çözeltisi üzerinde yayılan stearik asit tek tabakasına ait eş sıcaklık
eğrisinde gözlenen durum şu şekilde yorumlanmalıdır:
Alt-fazın en düşük pH değerinde (pH=2,1) faz geçişleri oldukça keskin ve kolay
gözlenebilirken, bu geçişler pH arttıkça keskinliğini kaybetmekte ve en yüksek pH
değerinde (pH=10,4) hiçbir geçiş gözlenememektedir.
22 Şekil 2.14 a. sıcaklık ve b. pH değişiminin eş sıcaklık eğrisinde yarattığı etki
Transfer işleminde bir diğer önemli faktör ise transfer hızıdır. Eğer transfer işlemi çok
hızlı gerçekleştirilirse, tek tabaka ve katı yüzey arasındaki adezyon kuvvetinden dolayı,
film katı yüzeye istenen şekilde aktarılamamaktadır. Genelde transfer işlemi yaklaşık 10
μm/s hızla gerçekleştirilmektedir.
Tek tabakanın katı yüzeye transferinin istenilen oranda olup olmadığı transfer oranı (τ):
τ=
AL
AS
(2.12)
ile ifade edilmektedir. Eşitlik (2.12)’de AL transfer sırasında tek tabaka alanındaki
azalmayı; AS ise film ile kaplanan katı yüzeyin alanını göstermektedir. İdeal bir transfer
işleminde ise τ=1 olarak kabul edilmektedir.
Katı yüzeyin, suyu seven veya sevmeyen olmasına bağlı olarak hareketi ve katı
yüzeylerin
molekül
transferi
esnasındaki
hareket
yönü
şekil
2.15-2.16
ile
gösterilmektedir. Suyu seven bir yüzeye, filmin transfer işleminde organik molekülün
suyu seven baş kısmı ile katı yüzey (yani alttaş) etkileşmektedir. Katı yüzey, suyu
sevmeyen yapıda olduğunda ise organik molekülün suyu sevmeyen bölümü ile
etkileşmektedir.
23 Şekil 2.15 Katı yüzeyin su seven olduğu durumda tek tabakanın transfer işlemi
Şekil 2.16 Katı yüzeyin su sevmeyen olduğu durumda tek tabakanın transfer işlemi
2.7 Çok Katlı Langmuir-Blodgett İnce Film Türleri
Çok katlı simetrik veya simetrik olmayan organik LB ince filmleri, ince film
tabakalarının üst üste transfer işleminin tekrarlanması ile üretilmektedirler. X, Y, Z ve
XY tipi olmak üzere, dört tip çok katlı LB ince filmi bulunmaktadır (Binks 1991).
Y-Tipi en çok tercih edilen çok katlı LB ince film tipidir. Katı yüzeyin sıvıya
daldırılması ya da sıvıdan çekilerek yapılan transfer işlemi ile elde edilmektedir. İnce
film transferinde, suyu seven baş gruplar (COOH, PO3H2, vb.) daha çok tercih
edilmektedir. Tek tabakanın transfer işlemi, katı yüzey sudan çıkarken gerçekleşiyorsa
bu Z-Tipi LB ince filmidir. Eğer alttaş suya girerken transfer işlemi gerçekleştiriliyorsa
24 bu tip transfere X-Tipi denilmektedir. Farklı iki maddenin kullanıldığı transfer işlemine
ise XY-Tipi adı verilmektedir (Şekil 2.17).
Şekil 2.17 Farklı Tiplerde Üretilen Langmuir-Blodgett ince filmleri
25 3. MATERYAL VE YÖNTEMLER
3.1 İnce Filmlerin Üretilmesi
3.1.1 Kurşun (Pb) arahidat ince filmlerinin LB yöntemi ile üretilmesi
Cam alttaş üzerine iletkenlik sağlaması için ilk olarak ince bir ITO (indiyum kalay
oksit) tabakası kaplanmıştır. Daha sonra bunun üzerine, üç farklı Pb konsantrasyonu
(0,0001; 0,001 ve 0,01 mol/l) ve üç farklı pH değerinde (3,6; 5,1 ve 8,6) toplam altı
örnek hazırlanmıştır. Tek odalı bir Langmuir teknesi içinde alttaş üzerine aktarım için
%97 saflık dereceli Pb(NO3)2 ve %99 saflık dereceli arahidik asit malzemesi
kullanılmıştır. 50 x 12 cm2 boyutlarına sahip Langmuir teknesinde, Wilhelmy levha
yöntemi kullanılmış olup, pH değerlerini ölçebilmek için Aquilon marka pH-metre
cihazı kullanılmıştır. Ayrıca teknede basınç kontrol sensörü de bulunmaktadır. Alt-faz
olarak suyun kullanıldığı üretim sırasında, kloroform içinde çözünen ve suyu seven ve
sevmeyen gruplardan oluşan arahidik asit ile Pb(NO3)2 malzemelerinin su üzerinde
homojen bir şekilde dağılımı için 15 dk beklenmiştir. Bekleme süresinin ardından
teknenin her iki yanında bulunan hareketli bariyerler dakikada 1 cm/molekül hızla, katı
fazı oluşturmak için Langmuir ince film malzemesini sıkıştırmaya başlamıştır.
Bariyerlerin çalışmaya başladığı durumdan en sona ana kadar da eş sıcaklık eğrisi
alınmıştır. Sonuçta elde edilen katı faz, tek tabaka halinde 20 ± 1°C sıcaklık ve sabit
yüzey basıncı altında cam alttaş kaplı ITO üzerine Schaefer yöntemi ile transfer elde
edilerek, ince filmler elde edilmiştir.
Şekil 3.1, farklı metal konsantrasyonlarında ve farklı pH değerlerinde hazırlanan tek
tabakaların, sıvı fazdan katı faza hangi yüzey basıncı değerlerinde geçtiğini gösteren eş
sıcaklık eğrilerini göstermektedir. Metal konsantrasyon değeri arttıkça, sıvı fazdan katı
faza geçişte pH değerinin önemini hemen hemen kaybettiği görülebilmektedir. Şekil
3.1.c her üç pH değerindeki tek tabakanın katı faza geçişte sahip oldukları yüzey
basınçlarının birbirlerine çok yakın değerde olduğunu göstermektedir. Ayrıca en düşük
metal konsantrasyonuna (C=10-4 mol/l) sahip pH=3,6; 5,6 ve 8,6 değerlerindeki tek
26 tabakalarda, katı faza geçiş basınç değerleri birbirlerinden oldukça farklıdır (Şekil
3.1.a).
(a)
(b)
(c)
Şekil 3.1 Pb arahidat tek tabakasının 3 farklı pH değeri için (pH=3,6, pH=5,1 ve
pH=8,6) eş sıcaklık eğrileri a. 0,0001 mol/l; b. 0,001 mol/l, c. 0,01 mol/l
27 Farklı metal konsantrasyonlarında elde edilen filmlerin, alt-faz pH değerlerine bağlı
olarak molekül alanlarında oluşan değişimin grafiğini gösteren Şekil 2.2, en yüksek
molekül alanın 0,01 mol/l konsantrasyonuna sahip pH 8,6 örneğinde oluştuğunu
göstermektedir. Yani alt fazın hem metal konsantrasyonu hem de pH değeri, tek
tabakanın kalitesini ve yoğunluğunu belirleyen iki önemli etkendir. Bu nedenle, bu tez
çalışmasında 0,01 mol/l metal konsantrasyonuna sahip pH=3,6 ve pH=8,6 Pb arahidat
ince filmleri incelenecektir.
Şekil 3.2 Alt-faz pH değeri ve metal konsantrasyon değerlerinin molekül başına düşen
alana etkisi
3.1.2 CdS ince filmlerinin LB yöntemi ile üretilmesi
Mika alttaş üzerine ısısal vakum buharlaştırma yöntemi ile CdS tabakası kaplandıktan
sonra, iki farklı pH değerindeki (pH=3,6 ve pH=8,6 olmak üzere) iki örnek, içinde %99
saflık dereceli arahidik asit malzemesinin bulunduğu tek odalı bir Langmuir teknesi
içinde alttaş üzerine transfer işlemine hazır hale getirilmiştir. 50 x 12 cm2 boyutlarına
sahip Langmuir teknesinde, Wilhelmy levha yöntemi kullanılmış olup, pH değerlerini
ölçebilmek için Aquilon marka pH-metre cihazı kullanılmıştır. Ayrıca teknede basınç
kontrol sensörü de bulunmaktadır. LB malzemelerinin homojen bir şekilde bir çözücüde
çözünmesi gereklidir. Bu tür çözücülerin uçucu özelliği yüksek ve su üzerinde çabuk
28 yayılabilen bir özelliği olması gereklidir. Bu nedenle kloroform iyi bir seçim olarak
karşımıza çıkar. Suyun alt faz olarak kullanıldığı üretim sırasında, kloroform içinde
çözünen ve suyu seven ve sevmeyen gruplardan oluşan arahidik asitin su üzerinde
homojen bir şekilde dağılımı için 10-15 dk beklenmiştir. Bu süreden sonra teknenin her
iki yanında bulunan bariyerler katı fazı oluşturmak için Langmuir ince film malzemesini
sıkıştırmaya başlamış ve katı fazın oluştuğu 24 mN/m’lik yüzey basıncında alttaş
üzerine aktarım işlemi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, pH ve arahidik asit katmanının
etkisinin filmler üzerine etkisinin anlaşılabilmesi için sadece ısısal vakum buharlaştırma
tekniği ile hazırlanan ve test örneği olarak adlandırılan bir ince film elde edilmiştir.
Test örneği, mika alttaş üzerine 13,3 mPa basınç ortamına sahip bir ısısal buharlaştırma
sisteminin içinde çoklu kristalin CdS içerisine %10 ağırlıkta bakır katkılanarak,
buharlaştırılması ile elde edilmiştir. Buharlaştırma işleminde 140 V değerine kadar
gerilim uygulanan spiral bir buharlaştırıcı kullanılmış olup, işlem sonrası ortamın
soğuması için 15 dk kadar beklenmiştir. İşlem sonrasında elde edilen örnek, tavlama
fırınında 500 °C’de 15 dk tavlanmıştır (Klimova 2011).
Şekil 3.3, CdS üzerine LB yöntemi kullanılarak pH=3,6 ve pH=8,6 alt-fazlarında
hazırlanan tek bir arahidik asit tabakasına ait eş sıcaklık eğrilerini göstermektedir. İlk
tabakanın aktarımının ardından, test örneği üzerine 5 katmanlı bir arahidik asit tabakası
yaratabilmek için, alttaş bu karışıma 5 defa daldırılıp çıkartılmıştır. Sonuçta pH=3,6 ve
pH=8,6 alt-fazına sahip 5 katmanlı arahidik asit tabakalı CdS ince filmleri elde
edilmiştir.
29 (a)
(b)
Şekil 3.3 Arahidik asit tek tabakasının a. pH=3,6 ve b. pH=8,6 değerleri için eş sıcaklık
eğrileri
Çizelge 3.1 ısısal vakum buharlaştırma tekniği ile üretilen test örneğinin hazırlanma
işleminde kullanılan alttaş ve malzemeyi göstermektedir. Çizelge 3.2 ise test örneği
üzerine üretilen LB ince filmlerinin hazırlanma sürecini göstermektedir.
30 Çizelge 3.1 Test örneğinin üretilme çizelgesi
Kullanılan alttaş
Mika
Yöntem
Isısal Vakum Buharlaştırma
Malzeme
CdS (10 wt.% Cu)
Basınç
13,3 mPa
Gerilim
0-140 V
Çizelge 3.2 Farklı pH derecelerinde hazırlanan CdS tabanlı LB Filmlerin hazırlanma
çizelgesi
Kullanılan alttaş
Mika
Alt tabaka
CdS
LB Filmin Malzemesi Arahidik asit (Arh; C19H39COOH)
Su
Damıtılmış/iyonlarından arındırılmış
pH
Amonyum hidroksit / asetik asit
Suyun iletkenliği
0,17 μS/cm
T (su sıcaklığı)
22 °C
π (aktarım basıncı)
24 mN/m
t (süre)
10 (15) dk.
31 3.2 Örneklerin Yapısal Karakterizasyonu
Elde edilmiş olan ince film örneklerinin yapısal karakterizasyonları Taramalı Elektron
Mikroskobu ve Atomik Kuvvet Mikroskobu ile yapılmıştır.
3.2.1 Taramalı elektron mikroskobu
Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), katı örneklerin karakteristik yapılarının
incelenmesi ve analizlenmesi için kullanılan çok yönlü bir cihazdır. SEM içerisinde
yaklaşık 30 keV’luk bir gerilim altında hızlandırılan elektron demeti örnek yüzeyindeki
belirli bir bölgeye odaklanmakta ve numune yüzeyi bu elektron demeti ile
taranmaktadır. Bu teknikte yüzeyden çeşitli türde sinyaller oluşturulmaktadır. Bunlar
geri saçılmış elektronlar, ikincil elektronlar, Auger elektronları, X-ışını floresans
fotonları ve diğer fotonlar olarak adlandırılmaktadır (Şekil 3.4). Tüm bu sinyaller yüzey
görüntülemede kullanılmakta olup bunlardan en yaygın olarak kullanılanlar; geri saçılan
elektronlar ve ikincil elektronlardır. Numune yüzeyine çarpan elektronların bir kısmı
neredeyse hiç enerji kaybına uğramadan geri saçılırlar ve dolayısıyla bu geri saçılan
elektronların enerji seviyeleri 30 keV civarındadır. Örnek ile etkileşen diğer elektronlar,
örnek yüzeyinden ikincil elektronlar saçmaktadırlar. Saçılan bu elektronların enerji
seviyeleri ise 50 eV’dan küçüktür.
Şekil 3.4 Elektron demetinin örnek ile etkileşmesi sonucu oluşan sinyaller
32 Belirli bir gerilim altında hızlandırılan elektron demetinin örnek yüzeyindeki belirli bir
bölgeye odaklanarak örneği taraması sırasında, gerilimlerin numune içinde etkileştiği
belirli bir hacim oluşmaktadır. Şekil 3.5 farklı gerilimler altında, örnek ile etkileşen
elektronların, örneğin ne kadar derinliğinden bilgi toplayabileceğini göstermektedir.
İncelenen örneğin yüzeyinde oluşan sinyaller, farklı dedektörler kullanılarak elektriksel
sinyale dönüştürülmektedir.
Şekil 3.5 Gelen elektron enerjisinin örnek içinde yarattığı etkileşme hacmi
3.2.1.1 İkincil elektron görüntüsü
Gelen elektron demetindeki elektronların, malzemedeki atomlarla yapmış olduğu elastik
olmayan çarpışma sonucu ikincil elektronlar oluşmaktadır (Şekil 3.6). Bu elektronlar
örnek yüzeyinin yaklaşık 10 nm’lik bir derinliğinden ortaya çıkarlar ve enerjileri en
fazla 50 eV civarındadır.
33 Şekil 3.6 İkincil elektronların şematik gösterimi
Bu görüntüleme tekniği daha çok pürüzlü yüzeylerin incelenmesinde uygulanmaktadır.
Bu yöntem için, bir sintilasyon sayıcısı ile birlikte +500 volt ile yüklenmiş ince bir
dedektör kullanılmaktadır. Böylece oluşan elektrik alanı, örneğin derin çukurlarındaki
alçak enerjili ikincil elektronları dahi dedektör içerisine çekebilmektedir. Yayınlanan
ikincil elektronların miktarı, malzemenin atom numarasına ve en çok da topografisine
bağlıdır. İkincil elektronlar çok kolay soğrulabilmekte olup, örnek yüzeyine çok yakın
bölgelerde oluşan ikincil elektronlar örnekten kaçabilmektedir. Örnek yüzeyinde
bulunan ikincil elektronlar, dedektör üzerinde bulunan çekici kuvvet yardımı ile
toplanabilmektedir (Şekil 3.7).
Şekil 3.7 İkincil elektronlarının dedektör tarafından algılanması
34 3.2.1.2 Geri saçılımlı elektron görüntüsü
Birincil elektronlar örneğe çarptığında, elastik çapışma yaparlar ve böylece elektronların
sadece yönleri değişir. Yüksek enerjili (~30 keV) olmaları nedeniyle geri saçılımlı
elektronların, -500 volt’luk gerilim ile yüklenmiş ızgara yardımı ile sayaca doğru
çekilmeleri kolay değildir. Ancak bir katıhal sayacı ile bu elektronların görüntüsü
kolaylıkla elde edilebilmektedir. Bu görüntüleme yöntemi, yüzeyin topografisi ve
malzemenin kompozisyonu hakkında bilgi vermektedir. Ancak asıl avantajı, düzgün bir
yüzeyden elde edilen geri saçılımlı elektron görüntüsünün aydınlık veya karanlık
olmasının doğrudan incelenen malzemenin atom numarası ile ilgili olmasıdır. Büyük
atom numarasına sahip elementler, az elementlere göre elektronları daha geri
saçmaktadırlar. Alaşım veya bileşikler için görüntünün şiddeti mevcut elementlerin
oranlarına göre belirlenen atom numarasına bağlıdır. Geri saçılan elektronlar şematik
olarak Şekil 3.8’de gösterilmektedir. Geri saçılan elektron demetinin çapı birincil
elektron demetin çapından çok daha büyüktür.
Şekil 3.8 Geri saçılımlı elektronların şematik gösterimi
3.2.2 Atomik kuvvet mikroskobu
Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) 1986 yılında Binning, Quate, and Gerber
tarafından geliştirilmiştir. Bu sistem ile seramik malzemelerin, biyolojik örneklerin ve
polimerlerin içerisinde bulunan atomik ölçekteki yapılar kolaylıkla gözlenebilmektedir.
AKM’de yüzey topografisi çubuğa bağlı ucun örnek yüzeyini taramasıyla elde
edilmektedir. Bu uç, genelde silikon veya silikon nitrit malzemelerinden elde
35 edilmektedir. Atomik Kuvvet Mikroskobunda, çubuğa bağlı olan ucun yaptığı titreşimin
genliği, Wickramsinghe tarafından 1987 yılında geliştirilen Optiksel İnterferometre
tekniği
sayesinde,
3
nm
ile
100
nm
olarak
bulunmuştur
(http://www.AKMuniversity.org/, 2011).
AKM tarama başlığında bulunan lazer kaynağından elde edilen ışın, piezoelektrik tüp
tarayıcı, lenslerden ve aynalardan yansıyarak uç üzerine düşürülmektedir. Uç, yüzeye
yaklaştığında, Hooke yasası uyarınca, örnek ile uç arasında oluşan etkileşme kuvvetleri
nedeniyle sapmaktadır. Bu sapma fotodiyota yansıyan lazer ışınının da referans
noktasından sapmasına neden olmakta ve bu sapma miktarı fotodiyotta üretilen akımın
değişmesine neden olur ve bu değişime bağlı bir topografi görüntüsü elde edilmektedir
(Şekil 3.9).
Şekil 3.9 Atomik Kuvvet Mikroskobu Tarayıcı Başlığı (http://www.ntmdt.com/,2011)
4 kanallı fotodiyot üzerine düşen lazer ışınının yaptığı sapma miktarı,
A
C
Sapma miktarı=
B
D
( A + B ) − (C + D )
( A + B ) + (C + D )
(3.1)
36 ile bulunur (http://www.jpk.com/, 2011). Şekil 3.10, örnek yüzeyini tarayan ucun ve
ucun bağlı olduğu tarayıcı bölmenin, doğru bir ölçüm alması açısından nasıl
konumlandığını göstermektedir.
Şekil 3.10 Tarayıcı Bölgenin Şematik Gösterimi
Atomik Kuvvet Mikroskobunda, uç-örnek arasındaki etkileşmeyi Van der Waals
kuvveti oluşturmaktadır. Birbirinden
kadar uzakta bulunan iki atom için, Lennard-
Jones potansiyeli:
⎧⎪ ⎛ r ⎞6 ⎛ r ⎞12 ⎫⎪
U ( r ) = U 0 ⎨−2 ⎜ 0 ⎟ + ⎜ 0 ⎟ ⎬
⎩⎪ ⎝ r ⎠ ⎝ r ⎠ ⎭⎪
(3.2)
ile gösterilmektedir. Denklem (3.2)’de ilk terim uzun-erimli çekici dipol-dipol
etkileşimlerini, ikinci terim ise Pauli dışarlama ilkesinden kaynaklanan kısa-erimli itici
etkileşmeleri içermektedir. İki atom arasında enerjinin en az olduğu denge uzaklığı ise
r0 parametresi ile gösterilmektedir (Şekil 3.11).
37 Şekil 3.11 Lennard- Jones Potansiyeli
Şekil 3.11’de görüldüğü gibi, iki atom arası mesafenin azaldığı
artarken,
da, potansiyel
da Lennard-Jones potansiyeli azalmaktadır.
Atomik Kuvvet Mikroskobunun çalışma prensibi temel olarak üç kısımda incelenebilir.
Bunlar;
piezoelektrik
dönüştürücü,
kuvvet
dönüştürücü
ve
geri-besleme
mekanizmasıdır.
3.2.2.1 Atomik kuvvet mikroskobunun temel mekanizmaları
Piezoelektrik aktarıcı
Piezoelektrik malzemeler, elektriksel potansiyelini mekanik harekete dönüştürürler.
Genellikle kristal, amorf veya polimer malzemeler piezoelektrik dönüştürücü olarak
kullanılmaktadırlar. Piezoelektrik bir malzemenin, farklı iki bölümüne dışarıdan gerilim
uygulandığında, gerilimin büyüklüğüne ve kullanılan malzemeye bağlı olarak,
malzemenin şekli değişmeketdir. Şekil 3.12 belirli bir gerilim değerinde farklı tipteki
piezoelektrik dönüştürücülerin şeklinin ne şekilde değiştiğini göstermektedir.
38 uygulanan gerilim
uygulanan gerilim
tüp kalınlığı
uygulanan gerilim
bimorfun kalınlığı
= bimorfun uzunluğu
Şekil 3.12 Piezoelektrik dönüştürücü tipleri (Eaton ve West 2010)
a. piezoelektrik disk, b. tüp ve c. bimorf tarayıcı
AKM tarayıcıları için en yaygın olarak kullanılan piezoelektrik malzemeler PdBaTiO3
veya Pb[Zrx Ti1-x]O3’tür (0<x<1). Bu tür seramikler “sert” veya “yumuşak olabilirler.
Sert seramiklerin genişleme katsayıları daha küçüktür ancak yumuşak seramiklere göre
bu katsayı daha çizgisel bir değişim göstermektedir. Tüm piezoseramikler, şekline ve
büyüklüğüne bağlı olarak, doğal salınım frekansına sahiptirler. Titreşim frekansı ne
kadar fazlaysa, tarama hızı da aynı oranda artacaktır. Piezoelektrik malzemeler çok
farklı biçimlerde üretilebilirler. Şekil 3.12.a disk şeklindeki bir seramiği göstermektedir.
Disk şeklindeki seramikler, üzerine uygulanan gerilimi çok daha uzun süre koruyabilme
özelliğine sahiptirler. Tüp biçimdeki seramiklerin ise içinde ve dışında elektrotlar
bulunmaktadır. Bu seramiklerin hareket kabiliyeti diğer biçimlere göre daha fazladır
(Şekil 3.12.b). Bir diğer dönüştürücü tipi ise bimorf olarak adlandırılmaktadır (Şekil
3.12.c). Bu dönüştürücü farklı kutuplanmalara sahip iki levhadan oluşmaktadır (Eaton
ve West 2010).
39 Kuvvet aktarıcı
Uç ile örnek arasındaki etkileşimlerden kaynaklanan kuvvet, Atomik Kuvvet
Mikroskobunda kuvvet aktarıcı yardımı ile belirlenebilmektedir. Şekil 3.13, ucun
yüzeye temas ettiği noktada aktarıcıda üretilen gerilimin arttığını göstermektedir.
Şekil 3.13 Yükselticiden üretilen gerilim değerinin, kuvvet aktarıcı sayesinde örnek
yüzeyine aktarımı
Geri-besleme mekanizması
Uç-örnek arasındaki kuvvetin ölçülmesinden sonra devreye geri-besleme mekanizması
girmektedir. Aradaki mesafenin veya kuvvetin korunması geri-besleme mekanizması ile
sağlanmaktadır (Şekil 3.14).
Şekil 3.14 AKM’nin temel bileşenlerinin şematik gösterimi
40 3.2.2.2 Çubuk dinamiği
AKM sistemlerinde kullanılan çubuklar genellikle Si veya Si3N4’den üretilirler. Şekil
3.15 standart bir AKM çubuğunun ve ucunun boyutlarını göstermektedir. Çubukların
arkalarındaki kaplama, üzerine düşen lazer ışınının tam yansıma yapabilmeleri için Al,
Au, Pt. vb. metaller ile kaplanabilir. Çubuklar, sahip oldukları kuvvet sabitine ve
salınım frekanslarına göre gruplandırılmaktadır.
Şekil 3.15 NT-MDT marka standart bir çubuk-uç modeli
Şekil 3.16, Taramalı Uç Mikroskoplarında kullanılan esnek çubuk modelinin örnek
gösterimidir.
Şekil 3.16 Ucunda kütle bulunan esnek çubuk modeli
AKM’de temel prensip, ucun örnek yüzeyini tarayarak uç-örnek arası etkileşimleri
ölçmek olduğu için, kullanılan çubuğun duyarlılığının yüksek olması gerekmektedir.
Duyarlılığın yüksek olması, yay sabitinin küçük olması gerektiği anlamına gelmektedir.
Çubuğun katı bir plaka olarak düşünülmesi durumunda yay sabiti:
k=
E wt 3
4 l3
(3.3)
41 ile gösterilmektedir. Denklem 3.3’de E çubuğun Young modülü, w genişliği, t kalınlığı,
L ise uzunluğudur.
Uç-örnek arasındaki etkileşim kuvvetlerinin, manyetik veya elektriksel olmasına göre,
kullanılan uçların da özellikleri değişmektedir. Manyetik bir örneğin ölçümünde CoCr,
FeNi, Co ve SmCo ince film kaplamalı uçlar kullanılırken; elektriksel bir örneğin
ölçümünde PtIr, TiN, Au ve Pt kaplamalı olan uçlar kullanılmalıdır.
ω frekansıyla salınıma zorlanan çubuk için denklem (3.4) yazılabilmektedir. Bu
denklemde u0 çubuğun ilk konumudur. Yani:
u = u0 + aeiωt
(3.4)
dir. Ucun salınım denklemi:
z = z1 +
F0
k
(3.5)
ile gösterilmektedir. Denklem (3.5)’de z ucun ilk konumudur.
Çubuk küçük salınım hareketi yaptığında, uç üzerine etkiyen kuvvet:
∞
F = ∑ F ( n ) ( z − z0 )
n
(3.6)
n=0
dir. Denklem (3.7) birinci pertürbasyon teorisi çözümüne göre:
F = F0 + F ' ⋅ z (t )
(3.7)
şeklinde olmalıdır. Bu denklemde, F0 yerçekimi kuvveti ve diğer tüm sabit kuvvetleri
ifade etmektedir. F kuvvetinin etkisi altında bu denklemi:
mz(t ) = −k ( z (t ) − u ) − γ z (t ) + F0 + F ⋅ z (t )
(3.8)
42 şeklinde yazabiliriz. Denklem (3.8)’de, γż terimi dış ortamın vizkozite kuvvetinden
gelen terimdir. Sistemin doğal salınım frekansı:
ω0 = k m
(3.9)
ile ifade edilmektedir. Çubuğun kalite faktörü ise:
Q=
ω0 m
γ
(3.10)
dir. Çubuğun, etkileşmeler sonucu denge durumundan sapmadan önce sahip olduğu
kuvvet değeri:
F0 = k ( z0 − u0 )
(3.11)
denklemi ile gösterilmektedir.
Denklem (3.11)’de elde edilen γ değeri, denklem (3.8)’de yerine yazıldığında elde
edilecek denklem:
mz ′′ ( t ) +
mω0
z ′ ( t ) + k ( z0 + z ( t ) − u0 − aeiωt ) = k ( z0 − u0 ) + F ′.z ( t )
Q
mz′′ ( t ) +
mω0
z′ ( t ) + ( k − F ′ ) .z ( t ) = akeiωt
Q
(3.9)
(3.10)
olarak bulunmaktadır. Burada k-F| yerine k1 yazılırsa, k1 yay sabitine sahip sistemin
frekansı:
ω1 =
k1
m
(3.11)
olacaktır.
k1 yay sabitine sahip sistemin hareket denklemi ise:
43 z ′′ ( t ) +
ω0
Q
z ′ ( t ) + ω12 .z ( t ) = aω02 eiωt
(3.12)
ile gösterilmektedir. Yani:
z ( t ) = η e iω t
(3.13)
dir. Burada η karmaşık genliğine bağlı biçimde yazılan denklem (3.13) için, denklem
(3.12) kullanılırsa:
akQω02
η=
−kQω 2 + ikωω0 − F ′Qω02 + kQω02
(3.14)
eşitliği elde edilir. A(ω) titreşim genliği ise denklem (3.14) türetilerek:
A (ω ) =
aQ
(3.15)
2
⎛ ω 2 k1 ⎞ ω 2
Q ⎜ 2− ⎟ + 2
⎝ ω0 k ⎠ ω0
2
şeklinde bulunmaktadır.
değerinin, η karmaşık genliğine bağlı olarak verildiği
(3.13), denklem (3.12)’de yerine yazıldığında, çubuğun salınımı ile piezo-eleman
arasındaki faz değeri:
⎛
⎞
kωω0
⎜
⎟
φ = arctan
⎜ QF ′ω02 + kQ (ω 2 − ω02 ) ⎟
⎝
⎠
olarak bulunmaktadır.
(3.16)
olduğu rezonans durumunda,
⎛ k ⎞ π QF ′
⎟≈ −
′
QF
k
⎝
⎠ 2
φ = arctan ⎜
(3.17)
44 yaklaşımı ile:
eşitliği elde edilir.
yaklaşımının yapıldığı
durumunda, faz
değeri, ölçüm alınmadan önceki faz değeridir. Bu durumda faz farkı
olmaktadır.
(3.18) şeklinde olacaktır. Yani:
Δφ = φ −
π
2
≈−
QF ′
Q dF
=−
k
k dz
(3.18)
olur. Şekil 3.17, uç ile örnek arasında ölçüm öncesi ve sonrasında fazda ve genlikte
meydana gelen değişiklikleri göstermektedir.
Şekil 3.17 a. salınım fazındaki, b. salınım genliğindeki değişim
3.2.2.3 Atomik kuvvet mikroskobunun çalışma kipleri
Atomik Kuvvet Mikroskobu; temaslı (DC), yarı temaslı ve temassız (AC) olmak üzere
üç kipte ölçüm almaktadır.
Şekil 3.18’de görüldüğü gibi, yarı temaslı kip’te Coulomb etkileşmelerine bağlı çekici
kuvvetler etkinken, temaslı ve temassız kip’te Van der Waals etkileşmelerine bağlı itici
kuvvetler etkin olmaktadır.
45 Şekil 3.18 Kuvvetin, uç-örnek arasındaki mesafeye göre değişimi
Eğrinin sağ tarafı, iki atom arası uzaklığın oldukça fazla olduğu bölümü göstermektedir.
Atomlar birbirine yavaşça yaklaşmaya başladığında iki atom arası çekim kuvveti ilk
önce artacaktır, ancak bir noktada iki atomun elektron bulutu birbirini elektrostatik
olarak itmeye başlayacaktır. Bu itme miktarı, atomlar arası uzaklığın azalmasıyla
birlikte, aralarında oluşan çekici kuvvetleri de azaltacaktır. Atomlar arasındaki uzaklık
birkaç angstrom (Å) olduğunda ise arada oluşan kuvvet sıfıra doğru gidecektir. Toplam
Van der Waals kuvveti artı bir değer aldığında ise iki atom birbirine temas durumunda
olacak ve itici kuvvetlerin etkisinde kalacaklardır (Şekil 3.18).
a) Temaslı kip
Sabit yükseklik kipi
Uca yukarı yönde etkiyen F kuvveti, çubuğa düşen lazer ışınının Hooke yasası gereği x
kadar sapmasını sağlamaktadır. F kuvveti:
F = −kx
(3.19)
dir. Denklem (3.19)’ da k çubuğun yay sabitidir (N/m). Temaslı sabit yükseklik kipinde
örneğin taranması Şekil 3.19’da gösterilmektedir.
46 Şekil 3.19 Sabit Yükseklik Kipi mekanizmasının işleyişi
Etkileşmelerden dolayı, çubukta oluşan dik yöndeki sapma miktarı optik kayıt sistemi
ile ölçülmekte ve daha sonra DFL elektrik sinyaline dönüştürülmektedir. DFL sinyali,
uç-örnek arasındaki etkileşme kuvvetini belirleyen bir parametre olup, bu sinyal ile
kuvvet arasında çizgisel bir ilişki vardır. Bu kipte, yüksekliğin sabit kalması çubuğun
sonunda bulunan tarayıcı ile sağlanmakta ve bu yükseklikte çubuktaki sapma miktarına
göre, örneğin yüzey topografisi elde edilmektedir (http://www.ntmdt.com, 2011).
Sabit Kuvvet Kipi
Sabit Yükseklik Kipinin aksine, bu ölçüm kipinde yükseklik değil ucun örnek ile
etkileşmesinden kaynaklanan sapma miktarı yani kuvvet sabit tutulmaktadır. Bu
nedenle bu kip, “Sabit Sapma Kipi” olarak da bilinmektedir. Kuvvetin sabit kalabilmesi
de geri besleme düzeneği sayesinde yapılmaktadır (Samorì 2006). Temaslı sabit kuvvet
kipinde örneğin taranması şekil 3.20 ile gösterilmektedir.
47 Şekil 3.20 Sabit Kuvvet Kipi mekanizmasının işleyişi
b) Yarı temaslı kip
Yarı Temaslı Kip, çubuğun titreşim genliğinde meydana gelen değişimi ölçmektedir.
Titreşim genliğini ise geri besleme mekanizması kontrol etmektedir. Yüzeyi kolay hasar
görebilecek biyolojik örnekleri incelemek için, Temaslı Kip’e göre daha fazla tercih
edilmesi gereken bir yöntemdir. Görüntüleme, piezoelektrik kristalin hareket ettirdiği
çubuğun titreşim frekansı veya titreşim frekansı yakınlarındaki hareketiyle elde
edilmektedir. Bu kipte, örnek yüzeyine indirilen çubuk ve uç, yüzeyle temas ettikten
sonra belirli bir yüksekliğe çekilmekte ve böylece sürtünme, elektrostatik kuvvetler vb.
istenmeyen fiziksel niceliklerinin etkisinin, Temaslı Kip’e göre daha az olduğu bir
görüntüleme işlemi yapılmış olacaktır. Çubukta, etkileşmelere bağlı olarak meydana
gelen sapma miktarı, titreşim frekansını dolayısıyla salınım genliğini de değiştirecektir.
Bu nedenle çubuğun, hemen hemen aynı titreşim frekansında salınım yapabilmesi için
uç ile örnek arasındaki mesafe geri besleme elemanı tarafından değiştirilmekte ve
görüntü elde edilmektedir Yarı-Temaslı kipte örneğin taranması şekil 3.21’de
gösterilmektedir (http://www.chembio.uoguelph.ca/educmat/, 2011).
48 Şekil 3.21 Yarı Temaslı Kipte çalışma mekanizmasının işleyişi
c) Temassız kip
Temassız kip ile örnek ile uç arasındaki çekici Van der Waals kuvvetine bağlı olarak
görüntüleme yapılmaktadır. Ancak elde edilen kuvvet, Temaslı Kip’e göre çok daha
zayıf olacaktır. Çünkü bu teknikte, görüntülenmek istenen bölgede, uç yüzeyden 50-150
Å yukarıda olacak şekilde tarama yapılmaktadır. Çubuk kendi salınım frekansında veya
yakınlarında salınım yapar, çubuğa etkiyen kuvvete göre de salınım genliği
değişmektedir. Temassız kipte örneğin taranması şekil 3.22’de gösterilmektedir.
Şekil 3.22 Temassız Kipte çalışma mekanizmasının işleyişi
49 3.2.3 Elektrik kuvvet mikroskobu
Atomik Kuvvet Mikroskobu, örnek ile uç arasındaki yüzey elektrik potansiyelini ve
kapasitans değişimini ölçmek için de kullanılabilmektedir. Bu amaçla elektriksel
iletkenliği yüksek bir uç kullanmak gereklidir. İncelenen örneğin alttaşının elektriksel
özellikleri bir yana, alttaş üzerindeki örneğin iletken, ferroelektrik veya dielektrik
olması, yapılacak olan görüntüleme için önemli etkenlerdir. Elektrik Kuvvet
Mikroskobunda amaç, yüzeydeki elektriksel özellikleri gözleyebilmektir. EKM tekniği,
sadece iletken örneklerde değil yarı iletkenlerde de kullanılabilmektedir.
Yüzeyin elektriksel topografisi, titreşim frekansı yakınlarında salınan metal çubuğun
kısa erimli Van der Waals etkileşmelerini yok sayarak, sadece uzun erimli elektrostatik
kuvvetleri algılaması prensibine dayanır. Şekil 3.23 örnek bir Taramalı Uç Mikroskobu
sisteminde genel EKM kontrol mekanizmasını göstermektedir.
Şekil 3.23 EKM kontrol mekanizmasının görünümü
EKM’de ölçüm, ikili geçiş ilkesine göre gerçekleştirilmektedir. İlk geçişte, YarıTemaslı Kip’te harekete zorlanan uç, yüzeyin topografisini algılamaktadır. İkinci
geçişte ise, yüzeyden belli bir yüksekliğe kaldırılan çubuk, ilk geçişte hafızasına
kaydettiği görüntüyü kullanarak, uç ile örnek arasındaki elektrostatik kuvvetlerden
dolayı ilk konumuna göre sapan ve faz farkına neden olan EKM görüntüsünü elde
50 etmektedir. Genel olarak, herhangi bir elektriksel özelliğin incelendiği taramalı uç
mikroskobu sisteminde, incelenen örnek ile sistem arasında elektriksel bağlantı
sağlanmalıdır. Bu nedenle Şekil 3.24 ile gösterildiği gibi elektriksel ölçümler için özel
olarak üretilmiş olan bir alttaş kullanılmaktadır.
Şekil 3.24 Sistem ve örnek arasında elektriksel temas için kullanılan özel alttaş
EKM tekniğinde çubuğun salınım yapması için uca:
VAC = V0 sin (ωt )
(3.20)
gerilimi uygulanır. Uç ile örnek arasında VDC bias gerilimi uygulandığında ise toplam
gerilim:
ΔV = VDC + V0 sin (ωt )
(3.21)
şeklinde olacaktır. Eğer alt taş üzerindeki ince tabaka, yarı-iletken veya dielektrik ise
yüzey yükleri örnek yüzeyi üzerinde ϕ ( x, y ) potansiyel dağılımı oluşturmaktadır. Bu
terim ile birlikte EKM sistemindeki toplam gerilim:
ΔV = VDC + V0 sin (ωt ) − ϕ ( x, y )
(3.22)
dir. Üç terimden oluşan toplam gerilim eşitliğinde birinci geçişte ucun salınım
yapmasını sağlayan VAC gerilimi, ikinci geçişte ise sıfırlanacaktır. Bu nedenle ikinci
geçişte sadece VDC ve φ(x,y) değerleri toplam gerilime katkıda bulunmaktadır. Sadece
elektriksel özelliklerin algılandığı ikinci geçişte toplam gerilim:
ΔV = VDC − ϕ ( x, y )
(3.23)
51 dir. Uç ile örneği birbirine paralel iki tabakadan oluşan bir kondansatör olarak
düşünüldüğünde:
1
U = C (ΔV ) 2
2
(3.24)
genel bağıntısı yazılmalıdır. Denklem (3.24)’de C kapasitansı, ΔV toplam gerilimi U ise
potansiyel enerjiyi göstermektedir.
F kuvveti, enerjinin z’ye bağlı türevi olduğuna göre:
F =−
dU
d ⎛1
1 dC
⎞
= − ⎜ C ( ΔV ) 2 ⎟ = −
( ΔV ) 2
dz
dz ⎝ 2
2 dz
⎠
dir. Denklem (3.25), F kuvvetinin örnek-ile uç arasındaki
(3.25)
mesafesi ile uygulanan
gerilime bağlılığını göstermektedir. Örnek ile uç arasında oluşan potansiyel farkı, iki
yüzeyde birbirine zıt yüklerin oluşmasına neden olmaktadır (Şekil 3.25).
Şekil 3.25 Gerilim uygulandığında, örnek ile uçta oluşan zıt yüklerin şematik gösterimi
F kuvveti, Hooke yasasını ile birlikte yazıldığında:
F = − kz −
1 dC
( ΔV ) 2
2 dz
(3.26)
elde edilmektedir. Hooke yasasını da içeren kuvvetin uzaklığına bağlı değişimi ise:
dF
1 d 2C
= −k −
( ΔV ) 2
2 dz 2
dz
(3.27)
52 şeklinde yazılabilmektedir. Buradaki
d 2C
teriminin hareket boyunca sahip kaldığı
dz 2
kabul edilmektedir. Kuvvetin gradyenti ise çubuğun yay sabitini değiştirmektedir. Yani:
k ' = k + Δk
(3.28)
dir. Denklem (3.28) etkileşme sonucunda değişen yay sabitini tanımlamaktadır. Sürücü
frekans ω’nın hareket boyunca sabit olduğu durumda, yay sabitinin yeniden
tanımlanması, doğal salınım frekansı ω0’ın ve ΔΦ faz kaymasının da yeniden
tanımlanmasını gerektirmektedir. Yani:
ω0' =
k'
m
(3.29)
olarak ifade edilmektedir. Ayrıca:
⎛ ωβ ⎞
Φ ' = arctan ⎜ '
2 ⎟
⎝ ω0 − ω ⎠
(3.30)
ile verilmektedir. Sönüm faktörünün yeterince küçük olduğu ve ω0 = ω durumunda faz
kayması:
⎛ Q dF ⎞
ΔΦ = − arcsin ⎜
⎟
⎝ k dz ⎠
(3.31)
dir. Denklem (3.25)’de F kuvveti Hooke yasası kullanılmadan denklem (3.31) ile
birleştirilerek yazıldığında:
⎛ Q d 2C
⎞
ΔΦ = − arcsin ⎜
( ΔV ) 2 ⎟
2
⎝ 2k dz
⎠
(3.32)
elde edilmektedir. Toplam potansiyel farkı ΔV, uygulanan dış gerilim değerinden (V) ve
incelenen yüzeyin ortalama yüzey potansiyeli (φ) değerinden oluşmaktadır.
Şekil 3.26 ikinci geçişte uç ile örnek arasındaki elektriksel Coulomb etkileşmesinin
şematiğini göstermektedir.
53 Şekil 3.26 EKM sisteminin çalışma prensibi
Örnek yüzeyine, NT-MDT Solver Pro-M marka Elektrik Kuvvet Mikroskobunda, DC
bias gerilimin nasıl uygulanması gerektiği ise şekil 3.27 ile gösterilmektedir.
Şekil 3.27 EKM sisteminde örneğe bias gerilim uygulanması
Teorik olarak EKM’de amaç, dış gerilimin etkisine maruz bırakılan sistemde faz
gecikmesi yani faz farkı yaratmaktır (Denklem 3.33).
Ancak deneysel olarak
bakıldığında, EKM sistemi içerisinde örneğin ortalama yüzey potansiyeli ile ilişkin bir
değer bulundurmaktadır. Denklem 3.33’de V uygulanan dış gerilimi, C kapasitansı, φ
örneğin ortalama yüzey potansiyelini, k yay sabitini ve Q ucun yay sabitini ifade
etmektedir. Yani:
54 ⎛ Q d 2C
⎞
ΔΦ = − arcsin ⎜
(V − ϕ ) 2 ⎟
2
⎝ 2k dz
⎠
(3.33)
olmaktadır. İkinci geçiş sırasında, belirli ve sabit bir dz değerinde, örneğe uygulanan
çeşitli DC bias gerilimleri buna karşılık olarak yüzeyde birbirinden farklı değerlerde faz
kayması yaratacaktır. Bu sebeple denklem 3.33’e ek bir terim eklenmelidir. Bu durumda
faz kayması:
ΔΦ = − arcsin ⎡⎣ A(V − ϕ ) 2 ⎤⎦ + B
şeklinde
olmalıdır
(Lei
vd.
(3.34)
2004).
Denklem
(3.34)’de
A
parametresi,
2
⎛ Q ⎞d C
°
⎜ ⎟ 2 terimini; B, faz kayması ekseninde 0 ’den sapmayı; φ ise uygulanan gerilim
⎝ 2k ⎠ dz
ekseninde 0 V değerindeki sapmayı göstermektedir.
Denklem (3.34) ile verilen fit fonksiyonu ile φ değerini doğru bir şekilde bulabilirsek,
EKM sisteminde bölgesel yüzey potansiyeli ile ilgili olan bağıntıyı bulunabilir ve
böylece KUM görüntüleme yapmaksızın örneğin ortalama yüzey potansiyeli hakkında
yorum yapılabilir. Sadece EKM faz verilerini kullanarak KUM tekniğini kullanmadan
ortalama yüzey potansiyeli bulma yöntemine ise EKM nicel analiz yöntemi adı
verilmektedir (Lei vd. 2004). Deneysel verilerden elde edilen faz kayması değerleri ve
nicel analiz yöntemi uygulanarak elde edilen faz kayması değerlerinin birbiri ile uyumlu
olması yapılan elektriksel karakterizasyonun doğruluğu ve kalitesi açısından oldukça
önemlidir (Şekil 3.28).
55 Şekil 3.28 P3HT ince film yüzeyinde faz kaymasının uygulanan farklı DC bias
gerilimlere göre, çekici bir bölgede, deneysel ve fit fonksiyonu kullanarak
elde edilen verileri (C H Lei vd. 2004)
İncelenen herhangi bir ince film için nicel analiz yöntemini uygulanmak istendiğinde
yapılması gereken ilk işlem, deneysel faz kayması verilerinin kullanıldığı, faz
kaymasının DC bias gerilime karşı değişimi grafiğini çizdirmektir (Şekil 3.28). B faz
kayması sapmasını ve φ ortalama yüzey potansiyeli değerlerinin bulunmasının ardından
A parametresini kolaylıkla bulunabilir. Denklem (3.33)’de,
d 2C
değerinin deney
dz 2
süresince uygulanan gerilimden etkilenmeyerek sabit kaldığı düşünülerek hareket edilir.
Ayrıca, deney boyunca kullanılan ucun aynı olması yay sabiti (k) ve ucun kalite faktörü
(Q) değerlerinin de değişmeyeceği anlamına gelmektedir. Bu nedenle, A parametresi
örneğe uygulanan gerilimden etkilenmeyen sabit bir terimi ifade etmektedir.
Nicel analiz yöntemindeki ikinci adım ise A parametresinin bulunmasının ardından
başlamaktadır. Bu adımda amaç, A parametresine bağlı teorik faz kayması değerlerinin
elde edilmesidir. A, B, uygulanan farklı dış V gerilimi değerleri ve örneğin ortalama
yüzey potansiyeli (φ) kullanıalrak ΔΦ faz kayması kolaylıkla bulunabilmektedir. Şekil
3.29’da kırmızı çizgi ile nicel analiz sonucunda elde edilen DC bias gerilimlerine karşı
elde edilen faz kayması değerleri gösterilmektedir. Deneysel ve fit fonksiyonu
56 verilerinin üst üste çizdirilmesi sonucunda, nicel analiz yöntemi deneysel grafiği
doğrular nicelikte görünmektedir (Şekil 3.29).
Şekil 3.29 Örnek bir film yüzeyinde B faz kaymasının ve φ ortalama yüzey potansiyeli
ile ilgili terimin elde edilmesi
Uç üzerindeki elektrik kuvvetin z bileşeni;
Fz = −
=
2
∂U
1 ∂C 2
1 ∂C
=−
V =−
⎡⎣VDC − ϕ ( x, y ) + V0 sin (ω t ) ⎤⎦
∂z
2 ∂z
2 ∂z
{
2
1 ∂C
⎡⎣VDC − ϕ ( x, y ) ⎤⎦ + 2 ⎡⎣VDC − ϕ ( x, y ) ⎤⎦ V0 sin (ω t ) + V02 sin 2 (ωt )}
2 ∂z
dir. (3.35) no.lu denklemde sin 2 (ωt ) yerine
Fz = −
(3.35)
1 − cos ( 2ωt )
yazıldığında:
2
⎫
2
1 ∂C ⎧⎪
2 ⎡1 − cos ( 2ωt ) ⎤ ⎪
⎨ ⎣⎡VDC − ϕ ( x, y ) ⎦⎤ + 2 ⎡⎣VDC − ϕ ( x, y ) ⎤⎦ V0 sin (ωt ) + V0 ⎢
⎥ ⎬ (3.36)
2 ∂z ⎪⎩
2
⎣
⎦ ⎭⎪
olur. Denklem (3.26) ile gösterilen etkileşme kuvveti:
Fz (ω =0) = −
Fz (ω ) = −
2
1 ∂C
1 ⎫
⎡⎣VDC − ϕ ( x, y ) ⎤⎦ + V02 ⎬ , sabit bileşen
2 ∂z
2 ⎭
{
∂C
⎡VDC − ϕ ( x, y ) ⎤⎦ V0 sin (ωt )}
∂z ⎣
{
, ω frekanslı bileşen
57 (3.37)
(3.38)
Fz ( 2ω ) =
1 ∂C 2
V0 cos ( 2ωt ) , 2ω frekanslı bileşen
4 ∂z
(3.39)
olarak üç bileşenden oluşur. ω frekanslı kuvvet bileşeni Taramalı Kelvin Uç
Mikroskobunun, 2ω frekanslı bileşen ise Taramalı Kapasitans Mikroskobunun çalışma
prensibini oluşturmaktadır (Mironov 2004).
3.2.4 Kelvin Uç Mikroskobu
Kelvin Uç Mikroskobu, Lord Kelvin tarafından geliştirilen “Kelvin Probe” tekniğine
dayanır. Kelvin Probe yöntemi, örnek ile bir referans elektrodu arasındaki potansiyel
farkını ölçmek için kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntem, birbirine oldukça yakın iki
iletken yüzeyin birbirine paralel olarak yerleştirilmesi ilkesine dayanmaktadır. Bu
teknikte potansiyel:
V = − (ϕ1 − ϕ 2 ) e
(3.40)
dir. Denklem (3.40)’da φ1 ve φ2 iki iletkenin iş fonksiyonlarının, V temas potansiyeli
farkını, e ise elektron yükünü göstermektedir. V0 iki elektrot arasına uygulanan dış
gerilim, ΔQ yük değişimi ve ΔC kapasitans değişimini tanımlamak üzere:
ΔQ = (V + V0 ) ΔC
(3.41)
şeklinde gösterilir. İş fonksiyonu, herhangi bir malzemeden bir tek elektron koparmak
için gerekli olan en düşük enerji miktarı olarak tanımlanır.
Lord Kelvin, uç ile örnek arasındaki uzaklığı değiştirdiğinde kapasitansta ΔC kadarlık
bir değişme gözlemiştir (Şekil 3.30). Kapasitanstaki bu değişime karşılık gelen ΔQ
kadarlık da bir yük değişimi olacaktır. Eğer dışarıdan uygulanan V kuvveti, V0 ’a eşit
şekilde ayarlanabilirse ( V = V0 ), ΔQ sıfırlanacaktır ( ΔQ =0) (Liess vd. 1997).
58 Şekil 3.30 İki paralel plaka arasındaki uzaklığın gerilimle birlikte değişimi
Kelvin Uç Mikroskobu da Lord Kelvin’in geliştirdiği Kelvin Probe yöntemi ile benzer
şekilde çalışmaktadır. Sistem, uç ile örnek arasındaki elektriksel kuvveti en aza
indirgeyerek, örnek yüzeyinde oluşan ortalama yüzey potansiyeli dağılımını
görüntülemek için kullanılmaktadır (Şekil 3.31).
Şekil 3.31 KUM çalışma prensibinin şematik gösterimi
Yüzey potansiyelini, ince film yüzeyindeki elektrik dipol momentleri oluşturmaktadır.
Bilindiği gibi fizikte, aynı değerlikli fakat zıt işaretli iki yük çiftinin oluşturduğu sisteme
dipol denir. Aralarındaki uzaklık d olan q ve –q yüklerinin oluşturduğu elektrik dipol
momenti:
p = qd
(3.42)
59 formülü ile ifade edilmektedir. Herhangi bir P noktasında (Şekil 3.32), merkezden
elektrik alanı bulunan noktaya olan vektör uzaklığı r olarak kabul edildiğinde, oluşan
toplam potansiyel:
G
ϕ p = ϕ (r ) =
q
4πε 0 r1
−
q
(3.43)
4πε 0 r2
ile verilir.
Şekil 3.32 Herhangi bir P noktasında oluşan toplam potansiyel
+q ve –q yüklerinden, elektrik alanın oluştuğu noktaya kadar olan r1 ve r2 uzaklıkları
ise:
G 1 G ⎛ 2 d2 G G⎞
r1 = r − d = ⎜ r +
− d ⋅r ⎟
2
4
⎝
⎠
1
d2 G G⎞
G 1G ⎛
r2 = r + d = ⎜ r 2 +
+ d ⋅r ⎟
2
4
⎝
⎠
2
1
2
(3.44)
ile gösterilmektedir. Denklem (3.40)’de 1/r1 ifadesini denklem (3.41)’ya benzeterek
yazarsak:
−
1 ⎛ 2 d2 G G⎞
= ⎜r +
− d ⋅r ⎟
r1 ⎝
4
⎠
1
2
⎞
1⎛
d2 d
= ⎜1 + 2 − cos (θ ) ⎟
r ⎝ 4r
r
⎠
60 −1
2
=
1
−1
(1 + x ) 2
r
(3.45)
elde edilmektedir. Binom açılımının formülü:
n n −1
(1 + x ) = 1 + nx + ( 2! ) x
n
2
+ ⋅⋅⋅
(3.46)
dir. Denklem (3.46) işlemi kullanılarak, denklem (3.43)’i genişletildiğinde:
⎡
⎤
d
d2
2
+
+
−
+
⋅⋅⋅
ϕ (r ) =
1
cos
θ
3cos
θ
1
(
)
(
)
(
)
⎥
4πε 0 r ⎢⎣ 2r
8r 2
⎦
q
⎡ d
⎤
d2
2
−
−
+
−
+
⋅⋅⋅
1
cos
θ
3cos
θ
1
(
)
(
)
(
)
⎢
⎥
4πε 0 r ⎣ 2r
8r 2
⎦
q
(3.47)
olmaktadır. O halde:
G
qd cos (θ ) qd ⋅ rˆ
=
ϕ (r ) =
4πε 0 r 2
4πε 0 r 2
(3.48)
bulunmaktadır. Denklem (3.48) dipol moment terimi ile birlikte yazıldığında:
G
p ⋅ rˆ
ϕ (r ) =
4πε 0 r 2
(3.49)
elde edilmektedir (Dugdale 1993). Denklem (3.49) ile ifade edilen dipol momentlerin
oluşturduğu
yüzey
potansiyeli,
KUM
tekniği
ile
elde
edilmektedir.
KUM’da ikili geçiş tekniği kullanılmakta olup, ilk geçişte örneğin topografisi yarı
temaslı kipte elde edilmektedir. İkinci geçişte ise, çubuk topografi profilini izleyerek
örneğin yüzey potansiyeli görüntülenmektedir. Örneğin yüzey potansiyeli denklem
(3.38) ile gösterilen ω frekanslı kuvvet terimi ile ifade edilmektedir. Yüzey potansiyeli
veya yüzey potansiyel dağılımını görüntüleyebilmek için amaç, toplam F kuvvetini en
aza indirgeyebilmektir. Bu nedenle, KUM tekniğinde yüzeyin kendi yüklerinden
kaynaklanan potansiyel değerini bulurken, Fω terimi sıfırlanmak zorundadır. Sistem
bunu sağlayabilmek için geri besleme mekanizması sayesinde VDC=φ(x,y) olarak
ayarlar ve böylece yüzeyin ortalama potansiyel değeri hakkında bilgi edinilmektedir
(Mironov 2004).
61 Şekil 3.33 yüzey potansiyeli görüntüleme tekniğinde ikinci geçişte ucun yaptığı salınım
hareketini ve uç ile örnek arasındaki kuvveti en aza indirgemek için geri besleme
mekanizmasının nasıl çalıştığını göstermektedir.
Şekil 3.33 KUM sisteminin çalışma prensibi
62 4. BULGULAR
4.1 Kurşun (Pb) Arahidat İnce Filmlerinin Yapısal Karakterizasyonu
Alt-faz pH değerleri 3,6 ve 8,6 olarak değişen kurşun arahidat ince filmlerinin yapısal
karakterizasyonları Taramalı Elektron Mikroskobu ve Atomik Kuvvet Mikroskobu ile
yapılmıştır.
4.1.1 Kurşun (Pb) arahidat ince filmlerinin elektron mikroskobu sonuçları
Rusya Saratov Devlet Üniversitesinde proje ortaklarımız S. Klimova ve E.
Gluchkovskoy tarafından hazırlanan Pb arahidat ince filmleri pH=3,6, pH=5,1 ve
pH=8,6 olmak üzere üç farklı pH değerinde hazırlanmıştır. Ancak, pH = 3,6 ve pH = 5,1
ince film örneklerinin morfolojik ve elektrokimyasal yapısının birbirine benzemekte,
pH=8,6 örneğinin yapısı ise bu iki ince filmden tamamen farklı olmaktadır (Klimova
2011). Bu nedenle bu tez çalışmasında en düşük ve en yüksek pH değerine sahip
örnekler birbirleri ile kıyaslanmıştır.
Elde edilen ince filmler, taramalı elektron mikroskobunda (SEM) incelenmiştir.
Örneklerin elektron mikroskobunda incelenmesi için iletkenliğini artırmak adına,
yüzeylerine ince bir karbon tabakası (~15 nm) kaplanmıştır.
4.1.1.1 pH=3,6 Kurşun (Pb) arahidat ince filminin elektron mikroskobu
sonuçları
pH=3,6 ince filminin taramalı elektron mikroskobunda geri saçılımlı elektron
görüntüleri şekil 4.1 ile gösterilmektedir. Elde edilen sonuçlarda yüzeyler üzerinde
birçok nano- ve makro- boyutta yapı bulunduğu görülmektedir.
63 Şekil 4.1 pH=3,6 örneği için farklı metal konsantrasyonları için elde edilen geri
saçılımlı elektron mikroskobu görüntüleri a. C = 10-4 mol/l, b. C = 10-3 mol/l,
c. C = 10-2 mol/l
pH=3,6 ince filminin elektron mikroskobu sonuçlarını gösteren şekil 4.1, metal
konsantrasyonunun morfolojik yapı üzerinde oldukça önemli bir etkiye neden olduğunu
göstermektedir.
Şekil
4.1.a
metal
konsantrasyonun
(C)
10-4
mol/l
olarak
ayarlandığında, yüzey üzerinde tutunan Pb oranının oldukça az olduğunu (açık bölgeler)
göstermektedir. Metal konsantrasyonu arttığında durumda ise yüzey üzerinde ağaçsı
birçok yapı oluşmaktadır (Şekil 4.1.b-c)) (Adamson 1976).
Çizelge 4.1 alt-faz pH değeri 3,6 olarak hazırlanan farklı üç metal konsantrasyonuna
(10-4 mol/l, 10-3 mol/l, 10-2 mol/l) sahip örneklerin SEM görüntüleri (Şekil 4.1)
64 üzerinden seçilen spektrumların içerdiği Pb (% ağırlık) oranlarını göstermektedir. Buna
göre, seçilen her spektrumun içerdiği Pb miktarı farklı olmakla birlikte, metal
konsantrasyon değerinin artışının yüzeye tutunan Pb oranını arttırdığı kesin bir şekilde
söylenebilir.
Çizelge 4.1 pH=3,6 örneğinin SEM görüntüleri üzerinden seçilen spektrum numaraları
için Pb’nin yüzde içindeki ağırlığı
Spektrum
numaraları
Pb(NO3)2 konsantrasyonu
(mol/l)
S1
0,00
S2
S3
2,67
-4
10
6,65
S4
7,64
S1
S2
16,56
10-3
27,97
S3
28,56
S1
S2
pH=3,6 içinde Pb’nin %
ağırlığı
0,00
10-2
23,05
S3
55,92
pH=3,6 örneğinin SEM görüntüleri üzerinden ağaçsı yapıların büyüklüklerini bulmak
için, bu yapılar birincil ve ikincil ağaçsı yapılar olmak üzere iki grupta incelenmiştir.
İkincil yapılar dalsı yapılar olarak adlandırılabilir. Dalsı yapıları içeren ana ağaçsı
yapılar ise birincil yapılar olarak adlandırılmıştır.
Şekil 4.1.c’de verilen 10-2 mol/l’lik metal konsantrasyonuna sahip LB ince filminde iki
ayrı grupta incelenen yapıların büyüklüklerine bakılacak olursa, birincil grupta ele
65 alınan ana yapının büyüklüklerinin 2,5 μm ile 3 μm arasında değiştiği anlaşılmaktadır
(Şekil 4.2).
Şekil 4.2 SEM görüntüsünde birincil ana yapıların parçacık büyüklükleri
İkincil grupta incelenen dalsı yapılarda ise seçilen en küçük dalın genişliği 0,6 μm ve
bölge üzerindeki ortalama genişlik ise 0,87 μm’dir (Şekil 4.3).
Şekil 4.3 SEM görüntüsünde ikincil dalsı yapıların parçacık büyüklükleri
66 4.1.1.2 pH=8,6 Kurşun (Pb) arahidat ince filminin elektron mikroskobu
sonuçları
pH=8,6 ince filminin taramalı elektron mikroskobunda geri saçılımlı elektron
görüntüleri şekil 4.4 ile gösterilmektedir.
Şekil 4.4 pH=8,6 örneği için farklı metal konsantrasyonları için elde edilen geri
saçılımlı elektron mikroskobu görüntüleri a. C = 10-4 mol/l, b. C = 10-3 mol/l,
c. C = 10-2 mol/l
Şekil 4.4, Pb arahidat Langmuir tek tabakasının tamamen doygunluğa oluştuğu pH=8,6
değerinde metal konsantrasyonunun yüzey yapısı üzerine etkisini göstermektedir. Altfazın metal konsantrasyon değeri arttıkça, ince film yüzey üzerinde tutunabilen metal
67 oranı da artmıştır. pH=8,6 değerinde ve C = 10-2 mol/l olarak ayarlandığında ise, yüzey
üzerinde kübik biçimde birçok küme yapının oluştuğu (Şekil 4.4.c) görülebilmektedir.
Çizelge 4.2 alt-faz pH değeri 8,6 olarak hazırlanan farklı üç metal konsantrasyonuna
(10-4 mol/l, 10-3 mol/l, 10-2 mol/l) sahip örneklerin SEM görüntüleri (Şekil 4.4)
üzerinden seçilen noktaların yüzdece Pb ağırlığını göstermektedir. Buna göre, seçilen
her spektrumun içerdiği Pb miktarının yüzeyin morfolojik yapısını değiştirmesiyle
birlikte metal konsantrasyonu artışının küme yapıların oluşmasına neden olduğu ve bu
küme yapıların içerdiği Pb miktarının diğer metal konsantrasyonunda hazırlanan
örneklere göre daha fazla Pb içerdiği söylenebilir.
Çizelge 4.2 pH=8,6 örneğinin SEM görüntüleri üzerinden seçilen spektrum numaraları
için Pb’nin yüzde içindeki ağırlığı
Spektrum
numaraları
Pb(NO3)2 konsantrasyonu
(mol/l)
S1
0,00
S2
1,51
-4
S3
10
2,77
S4
8,75
S1
S2
0,00
10-3
9,38
S3
16,68
S1
S2
0,00
10-2
64,37
S3
80,35
68 pH=8,6 içinde Pb’nin %
ağırlığı
Şekil 4.5 küme yapıya sahip yüksek pH’lı örneğin elektron mikroskobu görüntüsü
üzerinde seçilen 25 parçacık için, parçacık büyüklüklerini göstermektedir. Bu grafiğe
göre seçilen en küçük parçacık 800 nm en büyük parçacık ise 6,1 μm genişliğindedir.
Ortalama parçacık boyutu hesaplandığında ise bu değer 3,55 μm olarak bulunmuştur.
Şekil 4.5 10-2 mol/l konsantrasyonuna sahip pH=8,6 örneğinin elektron mikroskobu
görüntüsünden elde edilen parçacık büyüklükleri
4.1.2 Kurşun (Pb) arahidat ince filmlerinin atomik kuvvet mikroskobu sonuçları
Atomik Kuvvet Mikroskobu sonuçları Ankara Üniversitesi Manyetik Malzemeler
Araştırma Laboratuarında bulunan NT-MDT Solver Pro-M marka taramalı uç
mikroskobu ile yarı temaslı kip ile alınmıştır. Görüntüleme sırasındaki ucun yüzeyi
tarama hızı 8,37 µm/s olarak ayarlanmıştır ve doğal salınım frekansı 76 kHz olan Pt
kaplı uç kullanılmıştır.
69 4.1.2.1 pH=3,6 Kurşun (Pb) arahidat ince filminin atomik kuvvet mikroskobu
sonuçları
AKM görüntülemesi sırasında elektron mikroskobu görüntülerine benzer sonuçlar elde
etmek amaçlanmıştır. Şekil 4.6 pH=3,6 örneğinin yarı temaslı kipte topografisi alınan
30 μm x 30 μm’lik bölgesini göstermektedir.
Şekil 4.6 pH=3,6 ince filminin 30 μm x 30 μm’lik bölgesini gösteren 2 boyutlu AKM
görüntüsü
SEM ile benzer sonuçların gözlenmesinin ardından, 10 μm x 10 μm’lik bir bölgede tek
bir ağaçsı yapıyı kaplayacak büyüklükteki bölgede AKM ölçümü alınmıştır. Amaç,
büyük ağaçsı yapıyı oluşturan tek bir elemanın özelliklerini ayrıntılı olarak
inceleyebilmektir.
Şekil 4.7, pH=3,6 örneğinin yüzeyi üzerinde, tek bir ağaçsı bölgenin incelenmesi amacı
ile seçilen 10 μm x 10 μm’lik bölgenin 2 ve 3 boyutlu topografilerini göstermektedir.
70 Şekil 4.7 pH=3,6 ince filminin 10 μm x 10 μm’lik bölgesini gösteren a. 2 boyutlu
b. 3 boyutlu AKM görüntüleri
AKM ve SEM sonuçları arasında karşılaştırma yapılabilmek için, benzer bir bölge
üzerinden alınan ölçüm sayesinde AKM sistemi ile genişlik, yükseklik, ortalama
pürüzlülük vb. birçok veriyi elde etmek kolay ve etkili yöntem olacaktır (Şekil 4.8).
Şekil 4.8 pH=3,6 örneğinde seçilen tek bir yapının a. yüksekliği, b. genişliği
Ağaçsı yapıda, şekil 4.8.a ile gösterilen bölgede Pb içeren bölgenin yüksekliği Şekil 4.9
ile verilmektedir. Yapılan analiz sonucunda incelenen kurşun yapısının yüksekliğinin
~0,5 μm olduğu bulunmuştur.
71 Şekil 4.9 10 μm x 10 μm’lik bölgede Pb içeren yapının yüksekliği
Çizgi boyunca yüksekliği bulunan Pb bölgesinin genişliği ise Şekil 4.8.b ile verilen
görüntü üzerinden bulunmuştur. Buna göre, ağaçsı bölgenin genişliği 4,47 μm’dir (Şekil
4.10).
Şekil 4.10 10 μm x 10 μm’lik bölgede Pb içeren yapının genişliği
72 Çizelge 4.3, incelenen örneğinin ortalama pürüzlülüğünün 177 nm ve örneğin incelenen
10 μm x 10 μm’lik bölümünde, ağaçsı yapının en yüksek noktadaki yüksekliğinin 1,29
μm olarak bulunduğunu göstermektedir.
Çizelge 4.3 pH=3,6 örneğinin AKM görüntüsünden elde edilen pürüzlülük analizi
En büyük yükseklik
Ortalama yükseklik
Ortalama pürüzlülük
1,29 μm
0,8 μm
177,2 nm
pH=3,6 örneğinin SEM görüntülerinde birincil ve ikincil ağaçsı yapılar olarak incelenen
Pb içeren bölgelerin büyüklükleri, birincil grup yapılar için ortalama olarak 2,5 μm ile 3
μm arasında değişirken (Şekil 4.2). ikinci grup ağaçsı yapılarda ortalama büyüklükler
0,87 μm’dir (Şekil 4.3).
Şekil 4.49’da AKM analizi verilen pH=3,6 filminde Pb
bölgesinin genişliğinin 4,47 μm olarak bulunması, bu yapının birincil yapı olarak
değerlendirilmesini gerektirmektedir.
4.1.2.2 pH=8,6 Kurşun (Pb) arahidat ince filminin atomik kuvvet mikroskobu
sonuçları
Yarı temaslı kipte alınan 2 ve 3 boyutlu topografi görüntüleri şekil 4.11.a,b’de
gösterilmektedir. Yapılan AKM görüntülemesi sonucunda küme yapılar 10 μm x 10
μm’lik alanda açıkça görülebilmektedir.
73 Şekil 4.11 pH=8,6 ince filminin 10 μm x 10 μm’lik bölgesini gösteren a. 2 boyutlu,
b. 3 boyutlu AKM görüntüleri
10 μm x 10 μm’lik bir bölge için AKM görüntüsü üzerinden yapılan tanecik analizi
sonucunda şekil 4.12’de gösterildiği gibi alınan 15 tane parçacığın ortalama büyüklüğü
1,554 μm mertebesindedir. SEM görüntüsü üzerinde seçilen parçacıkların boyutlarının
800 nm ile 6 μm arasında geniş bir skalada büyüklüklere sahip olması (Şekil 4.5),
AKM’de bulunan parçacık büyüklükleri (Şekil 4.12) ile uyumlu bir sonuç
göstermektedir.
Şekil 4.12 pH=8,6 örneğinin AKM görüntüsünden elde edilen tanecik analizi grafiği
74 AKM görüntüsünden elde edilen pürüzlülük analizi sonucunda en büyük yüksekliğin
0,65 μm ve ortalama pürüzlülüğün 0,3 μm olduğu gözlenmiştir (Çizelge 4.4).
Çizelge 4.4 pH=8,6 örneğinin AKM görüntüsünden elde edilen pürüzlülük analizi
En büyük yükseklik
Ortalama yükseklik
Ortalama pürüzlülük
0,65 μm
0,3 μm
100 nm
pH=3,6 örneğinin pürüzlülük analizi sonuçları (Çizelge 4.2) ile pH=8,6 örneğinin
pürüzlülük analiz sonuçları (Çizelge 4.4) karşılaştırıldığında, alt faz pH değerinin
artmasının yapıların yükseklik değerlerini azalttığı sonucuna varılabilir. Pürüzlülük
analizinde bakılması gereken en önemli öğe olan ortalama pürüzlülük değerleri
incelendiğinde pH=3,6 örneği için bu değer 177 nm iken pH=8,6 için bu değer 100 nm
olarak bulunmuştur.
4.1.3 Kurşun (Pb) arahidat ince filmlerinin Kelvin uç mikroskobu sonuçları
Örneklerin Kelvin Uç Mikroskobu ölçümleri, Ankara Üniversitesi Manyetik
Malzemeler Araştırma Laboratuarında bulunan NT-MDT Solver Pro-M marka taramalı
uç mikroskobu ile topografi ölçümlerinin alınmasının ardından ikinci geçiş tekniği ile
alınmıştır. Görüntüleme sırasındaki ucun yüzeyi tarama hızı 8,37 µm/s olarak
ayarlanmıştır ve doğal salınım frekansı 76 kHz olan Pt kaplı uç kullanılmıştır.
4.1.3.1 pH=3,6 Kurşun (Pb) arahidat ince filminin Kelvin Uç Mikroskobu
sonuçları
pH=3,6 örneğinin elektriksel özellikleri, Kelvin Uç Mikroskobu ile gerçekleştirilmiştir.
Alınan ölçüme ait 2 ve 3 boyutlu KUM görüntüleri şekil 4.13 ile gösterilmektedir.
75 Şekil 4.13 pH=3,6 ince filminin 10 μm x 10 μm’lik bölgedeki a. 2 boyutlu
b. 3 boyutlu KUM görüntüleri
pH=3,6 örneği için Kelvin Kuvvet Mikroskobu (KUM), ölçümleri temel prensip olan
ikili geçiş tekniği ile elde edilmiştir. Uç ile örnek arasındaki Van der Waals
etkileşmelerine bağlı topografi görüntüsü Yarı Temaslı Kip’te alındıktan sonra (Şekil
4.7), ikinci geçişte Coulomb Kuvvetine bağlı KUM görüntüleri elde edilmiştir (Şekil
4.13).
Kelvin Uç Mikroskobunda:
Vtemas = ϕu − ϕö
(4.1)
dır. Denklem (4.1)’de, φu ucun sahip olduğu iş fonksiyonu (volt biriminde) sabit bir
değer olduğuna göre, uç ile örnek arasında oluşan yüzey potansiyeli ne kadar büyükse
örneğin sahip olduğu iş fonksiyonu φö (V) değeri de o kadar küçük olmalıdır. Bu
denkleme bağlı olarak, uca dış gerilim uygulanmadığında yüzey üzerinde oluşan temas
potansiyeli Vtemas=-φö olacaktır. Bu durum yüzey üzerinde eksi ve artı yüzey potansiyel
değerlerinin beraber gözlenmesini açıklamaktadır. Uca, VDC gerilimi uyguladığımız
zaman ise yüzeyde gerilim indüklü yüzey yükleri yaratmış oluruz. Şekil 4.13’de
gösterilen KUM ölçümü için ikinci geçişte yükseklik (Δz) 10 nm olarak ayarlanmıştır.
KUM görüntüsü alınırken, örneğin kendi yüzey yüklerinden dolayı sahip olduğu
potansiyel görüntüsünü elde edebilmek için örnek üzerine herhangi bir gerilim
uygulanmamıştır (Jacobs vd. 1998). Yüzey potansiyeli değerlerinden de görüldüğü gibi,
76 homojen olmayan yapıya sahip örneğimizde yüzey üzerindeki en büyük yüzey
potansiyeli değeri 690 mV’dur.
Çizelge 4.5 pH=3,6 örneğinin KUM görüntüsü analizi
En büyük YP değeri
En az YP değeri
Ortalama
690,1 mV
-219,2 mV
340,02 mV
Ancak çizelge 4.5’ten görüldüğü gibi skala üzerinden analiz yerine, image analysis
programı kullanılarak yapılan ayrıntılı analiz sonucunda örneğin en büyük YP değerinin
690 mV olduğu, ortalama yüzey potansiyelinin ise 340 mV olduğu bulunmuştur.
Şekil 4.14 pH=3,6 örneğinin KUM görüntüsü üzerinden seçilen çizgiyi göstermektedir.
Şekil 4.14 pH=3,6 ince filminin KUM görüntüsü üzerinden seçilen çizgi
Şekil 4.15 ise, seçilen çizgi boyunca kurşun içeren ve içermeyen bölgelerin yüzey
potansiyeli değerlerindeki değişimi göstermektedir. Buna göre, kurşun içeren bölgede
en YP değeri elde edilirken (437 nm), kurşun bölgesini çevreleyen bölümün ortalama
YP değeri ise 270 mV’dur.
77 Şekil 4.15 pH=3,6 ince filminin KUM görüntüsü üzerinden seçilen çizgi boyunca yüzey
potansiyelinin değişimi
4.1.3.2 pH=8,6 Kurşun (Pb) arahidat ince filminin Kelvin uç mikroskobu sonuçları
pH=8,6 örneğinin Kelvin Uç Mikroskobu kullanılarak alınan 2 ve 3 boyutlu görüntüleri
sırasıyla şekil 4.16.a,b’de gösterilmektedir.
Şekil 4.16 pH=8,6 ince filminin 10 μm x 10 μm’lik bölgedeki a. 2 boyutlu
b. 3boyutlu KUM görüntüleri
78 Şekil 4.16’da gösterilen pH=8,6 örneğinin düşük pH’lı örnekle karşılaştırma
yapılabilmesi için ikinci geçişte yükseklik (Δz), 10 nm olarak ayarlanarak dış gerilim
uygulanmaksızın (VDC=0 V) KUM görüntüleri alınmıştır. Yüzey potansiyeli
değişiminden de görüldüğü gibi, homojen olmayan yapıya sahip örneğimizde KUM
sonuçlarındaki en büyük yüzey potansiyeli değeri 300 mV civarında bulunmuştur.
Ayrıntılı olarak tüm görüntü üzerinden analiz yapıldığında ise çizelge 4.6 elde
edilmektedir. Bu çizelgeye göre örneğin sahip olduğu ortalama yüzey potansiyeli değeri
188 mV’dur. Şekil 4.17 ise pH=8,6 örneğinin KUM görüntüsü üzerinden seçilen çizgiyi
göstermektedir.
Çizelge 4.6 pH=8,6 örneğinin KUM görüntüsü analizi
En büyük YP değeri
En az YP değeri
Ortalama
320,01 mV
56,2 mV
187,9 mV
Şekil 4.17 pH=8,6 ince filminin KUM görüntüsü üzerinden seçilen çizgi
Şekil 4.18 ise, seçilen çizgi boyunca kurşun içeren ve içermeyen bölgelerin yüzey
potansiyeli değerlerindeki değişimi göstermektedir. Buna göre, kurşun içeren bölgede
en YP değeri 207 mV, kurşun bölgesini çevreleyen bölümün ortalama YP değeri ise 98
mV’dur.
79 Şekil 4.18, LB ince filmlerinde dipol moment kaynaklı YP değerlerini göstermesi
açısından önemlidir. Kurşunun sahip olduğu en büyük YP değeri 220 mV, kurşun
içermeyen bölgede 130 mV olarak karşımıza çıkmaktadır. İki bölge arasındaki fark ise
90 mV’dur.
Şekil 4.18 pH=8,6 ince filminin KUM görüntüsü üzerinden seçilen çizgi boyunca yüzey
potansiyelinin değişimi
80 4.2 CdS LB İnce Filmlerinin Yapısal Karakterizasyonu
4.2.1 CdS LB ince filmlerinin elektron mikroskobu sonuçları
Hazırlanan ince filmlerin yüzey yapıları taramalı elektron mikroskobunda incelenmiştir.
Ölçüm sırasında ise hızlandırma gerilimi 10 kV olarak ayarlanmıştır.
4.2.1.1 pH=3,6 CdS LB ince filminin elektron mikroskobu sonuçları
LB ince film tekniği ile hazırlanan pH=3,6 CdS ince filmi için SEM’de elde edilen geri
saçılımlı elektron mikroskobu görüntüsü şekil 4.19 ile gösterilmektedir.
Şekil 4.19 pH=3,6 örneği için elde edilen geri saçılımlı elektron mikroskobu görüntüsü
Şekil 4.20 pH=3,6 örneğinin SEM görüntüsünden seçilen 25 parçacık için, parçacık
büyüklüklerini göstermektedir. Bu grafiğe göre ortalama parçacık boyutu 120 nm olarak
bulunmuştur.
81 Şekil 4.20 pH=3,6 örneğinin SEM’den elde edilen parçacık büyüklükleri
4.2.1.2 pH=8,6 CdS LB ince filminin elektron mikroskobu sonuçları
pH=8,6 CdS ince filmi için SEM’de elde edilen geri saçılımlı elektron mikroskobu
görüntüsü Şekil 4.21 ile gösterilmektedir.
Şekil 4.21 pH=8,6 örneği için elde edilen geri saçılımlı elektron mikroskobu görüntüsü
82 Şekil 4.22 pH=8,6 örneğinin SEM görüntüsünden 25 parçacık için, parçacık
büyüklüklerinin dağılımını göstermektedir. Bu grafiğe göre ortalama parçacık boyutu
118,2 nm olarak bulunmuştur.
Şekil 4.22 pH=8,6 örneğinin SEM’den elde edilen parçacık büyüklükleri
4.2.2 CdS LB ince filmlerinin atomik kuvvet mikroskobu sonuçları
Yarı-temaslı kipte alınan ölçümlerde, ucun yüzeyi tarama hızı 16,73 µm/s olarak
ayarlanmıştır ve doğal salınım frekansı 76 kHz olan Pt kaplı Silikon uç kullanılmıştır.
4.2.2.1 CdS test örneğinin atomik kuvvet mikroskobu sonuçları
Şekil 4.23, ısısal vakum buharlaştırma tekniği ile elde edilen ve elde ediliş koşulları ve
yöntemi materyal ve yöntemler bölümünde ayrıntılı olarak anlatılmış olan CdS test
örneğine ait 2 boyutlu ve 3 boyutlu AKM topografilerini göstermektedir.
83 Şekil 4.23 CdS test örneğinin 4 μm x 4 μm’lik bölgesini gösteren (a) 2 boyutlu (b) 3
boyutlu AKM görüntüleri
Çizelge 4.7 CdS test örneğinin pürüzlülük verilerini göstermektedir. Bu veriler 4 μm x 4
μm’lik bölge üzerinden alınmış olup, ortalama pürüzlülüğün 47 nm olduğu
bulunmuştur. Test örneğinin Taramalı Elektron Mikroskobu görüntüsü olmadığı için
AKM’den elde edilen parçacık büyüklüğü analizi ayrı bir önem taşımaktadır.
Çizelge 4.7 CdS test örneğinin AKM görüntüsünden elde edilen pürüzlülük analizi
En büyük yükseklik
Ortalama yükseklik
Ortalama pürüzlülük
550,2 nm
324,5 nm
47,12 nm
Bu nedenle ölçüm alınan 4 μm x 4 μm’lik bölge içinden, parçacıkların yüzey
pürüzlülüğü en az olan bölge içinden seçilmesi uygun olacaktır. Şekil 4.24 parçacıkların
seçildiği, ortalama pürüzlülüğü 27 nm olan 2 μm x 2 μm’lik bölgeyi göstermektedir.
84 Şekil 4.24 CdS ince filminin parçacık büyüklüğü analizi için 4 μm x 4 μm’lik tarama
alanı içinden seçilen 2 μm x 2 μm’lik bölge
Seçilen bölgede CdS parçacıklarının dağılımı açık bir şekilde görülmektedir. Şekil 4.24
üzerinden yapılan parçacık analizi sonucunda, seçilen 25 parçacık için ortalama
parçacık büyüklüğünün 117 nm civarında olduğu bulunmuştur (Şekil 4.25).
Şekil 4.25 CdS ince filminin AKM görüntüsünden elde edilen tanecik analizi grafiği
85 4.2.2.2 pH=3,6 CdS LB ince filminin atomik kuvvet mikroskobu sonuçları
Şekil 4.26, ısısal vakum buharlaştırma tekniği ve LB ince film tekniği ile elde edilen ve
elde ediliş koşulları ve yöntemi materyal ve yöntemler bölümünde ayrıntılı olarak
anlatılmış olan pH değeri 3,6 olan CdS LB örneğine ait 2 boyutlu ve 3 boyutlu AKM
topografilerini göstermektedir.
Şekil 4.26 CdS tabanlı pH=3,6 örneğinin 4 μm x 4 μm’lik bölgesini gösteren
a. 2 boyutlu, b. 3 boyutlu AKM görüntüleri
Çizelge 4.8 incelenen filmin pürüzlülük analizi sonuçlarını vermektedir. Örneğin
ortalama pürüzlüğü test örneği ile neredeyse aynıdır (49 nm).
Çizelge 4.8 CdS pH=3,6 örneğinin AKM görüntüsünden elde edilen pürüzlülük analiz
sonuçları
En büyük yükseklik
Ortalama yükseklik
Ortalama pürüzlülük
376,11 nm
170,02 nm
42,3 nm
Şekil 4.26 üzerinden yapılan parçacık analizi sonucunda, seçilen 25 parçacık için
ortalama parçacık büyüklüğünün 117 nm civarında olduğu bulunmuştur (Şekil 4.27).
86 Şekil 4.27 CdS pH=3,6 örneğinin AKM görüntüsünden elde edilen tanecik analizi
grafiği
4.2.2.3 pH=8,6 CdS LB ince filminin atomik kuvvet mikroskobu sonuçları
Şekil 4.28, iki farklı ince film hazırlama tekniği ile elde edilen alt-faz pH değeri 8,6 olan
CdS LB örneğine ait 2 boyutlu ve 3 boyutlu AKM topografilerini göstermektedir.
Şekil 4.28 CdS tabanlı pH=8,6 örneğinin 4 μm x 4 μm’lik bölgesini gösteren
a. 2 boyutlu, b. 3 boyutlu AKM görüntüleri
87 CdS pH 8,6 örneğinin pürüzlülük analizi verileri incelendiğinde ince filmin en büyük
yüksekliği 220 nm, ortalama pürüzlülüğü ise 29 nm olarak bulunmuştur (Çizelge 4.9).
Çizelge 4.9 CdS pH=8,6 örneğinin AKM görüntüsünden elde edilen pürüzlülük analizi
sonuçları
En büyük yükseklik
Ortalama yükseklik
Ortalama pürüzlülük
219,6 nm
93,71 nm
29,2 nm
Şekil 4.28 üzerinden yapılan parçacık analizi sonucunda, ortalama parçacık
büyüklüğünün 117 nm civarında olduğu bulunmuştur (Şekil 4.29).
Şekil 4.29 CdS pH=8,6 örneğinin AKM görüntüsünden elde edilen tanecik analizi
grafiği
CdS test örneği, pH=3,6 ve pH=8,6 LB ince filmlerinde alt tabaka olarak, aynı
koşullarda hazırlanan CdS kullanılmıştır. Bu nedenle hem AKM görüntüleri üzerinden
yapılan tanecik analizleri hem de SEM görüntüleri üzerinden elde edilen tanecik
boyutları birbiri ile uyumludur. Üç farklı film için de ortalama parçacık büyüklüğü 117
nm’dir.
88 AKM’den elde edilen pürüzlülük verileri çizelge 4.10 ile verilmiştir. Bu veriler
doğrultusunda, Langmuir-Blodgett ince film tekniği ile CdS yüzeyi üzerine 5 katmanlı
bir arahidik asit tabakası transfer edildiğinde, yüzey pürüzlülüğün azaldığı net bir
şekilde görülebilmektedir. Test örneğinde tarama alanı boyunca elde edilen en büyük
yükseklik 550 nm olarak belirlenirken, bu yükseklik pH=8,6 örneğinde 220 nm’ye
kadar azalmıştır. İki farklı ince film tekniğinin bir arada kullanıldığı pH=3,6 ve pH=8,6
örnekleri karşılaştırıldığında ise, yüksek pH’lı örneğin ortalama pürüzlülüğü düşük
pH’lı örneğin neredeyse yarısıdır (Çizelge 4.10).
Çizelge 4.10 Test örneği ve test örneği üzerine üretilen 5 katmanlı farklı pH değerlerine
sahip LB film örneklerinin AKM’den elde edilen pürüzlülük analizi
sonuçlarının karşılaştırılması
CdS
CdS pH=3,6
CdS pH=8,6
En büyük
yükseklik (nm)
550
376
220
Ortalama
yükseklik (nm)
325
170
94
Ortalama
pürüzlülük (nm)
47
42
29
Şekil 4.30 pH=3,6 ve pH=8,6 ince filmlerinin yüzey morfolojisinin AKM görüntülerini
göstermektedir.
Şekil 4.30 CdS pH=3,6 ve pH=8,6 ince filmlerinin AKM görüntülerinin karşılaştırılması
89 İncelenen iki film de üretim yöntemleri ve kullanılan arahidik katmanının sayısı, üretim
koşulları (sıcaklık, yüzey basıncı, alttaş vb.) yönlerden aynı özelliklere sahip olmakla
beraber, tek fark su alt fazının pH değeridir.
İki AKM topografisi dikkatle incelendiğinde CdS parçacıklarının çözünürlüğünün
düşük pH’lı örnekte azaldığı görülmektedir. Bunun nedeninin arahidik asitin düşük
pH’da çözünmesinin zorluğundan kaynaklandığı şeklinde yorumlanabilir. pH değeri
arttıkça yüzey üzerinde morfolojinin değişimi ile ilgili literatürde birçok yayın
bulunmaktadır. Bu yayınların en önemlilerinden biri olarak Kurnaz ve arkadaşlarının
1996 yılında, çok katlı LB filmlerin topografisine pH’ın etkisi hakkında yayımladıkları
makale gösterilebilir (Kurnaz vd. 1996). Yayınladıkları bu makalede, bilim adamları
düşük pH değerlerine sahip örneklerin Atomik Kuvvet Mikroskobu kullanarak
görüntülenmesi sırasında, bu örneklerin yüksek pH’lı örneklere göre daha fazla zarar
gördüğünü yani filmin kalitesini belirlemede pH değerinin önemli olduğunu
vurgulamışlardır. Bununla birlikte pH değeri arttıkça yüzey çözünürlüğünün de arttığını
söylemeleri, incelediğimiz iki farklı LB ince filminin topografik özelliklerini
yorumlamak için kaynak olarak gösterilmesi gereken önemli bir çalışma olarak
karşımıza çıkmaktadır.
4.2.3 CdS LB ince filmlerinin elektriksel karakterizasyonu
EKM faz görüntüleri ikili geçiş tekniğine göre alınmış olup, ikinci geçiş sırasında
tarama yüksekliği (Δz) 25 nm olacak şekilde, toplamda 8 dakikalık tarama zamanında
Elektrik Kuvvet mikroskobu ölçümleri elde edilmiştir. Alınan EKM ölçümlerinin
topografileri, CdS ince filmlerinin yapısal karakterizasyonu başlığı altında ayrıntılı
olarak incelendiği için bu bölümde örneklerin sadece elektriksel özelliklerinden
bahsedilecektir.
4.2.3.1 pH=3,6 CdS LB ince filminin elektrik kuvvet mikroskobu (EKM) sonuçları
CdS pH=3,6 ince filminin iki boyutlu EKM görüntüleri şekil 4.31 ile gösterilmektedir.
Elektrostatik kuvvet, EKM sinyalinde, basit olarak, kontrasta bağlı bir nicelik olarak
90 düşünülebilir. Bu kontrast, sistem tarafından belirli faz kayması değerine karşılık gelen
bir derecelendirme olup kullanıcıya kolaylık sağlaması açısından oldukça önemlidir.
Uç ile örnek arasındaki etkileşme kuvvetinin büyüklüğüne göre oluşan faz kayması
değerinde incelenen örnek ile dışarıdan uygulanan gerilim birbirine eşit olduğunda
EKM sisteminde en düşük sinyal elde edilir (Denklem (3.38)). Bu sinyal değerinde
sistem üzerine sadece denklem 3.37 ile gösterilen Fz(ω=0) ve denklem 3.38 ile gösterilen
Fz(ω) kuvvetleri etki etmektedir.
pH=3,6 örneğine -7 V’dan +7 V’a kadar değişen VDC gerilimleri uygulanmıştır. Ancak,
eksi değerdeki gerilimlerin örnek üzerinde yarattıkları tepki artı gerilimlere benzer
nicelikte olduğu için tüm elektriksel ölçümlerde sadece +7 V’a kadar olan görüntüler
kullanılacaktır.
Şekil 4.31’de görüldüğü gibi oluşan kontrast farkları, örnek ile uç arasındaki faz
kayması (ΔФ) değerlerine karşılık gelmektedir. Örneğe, yüzey potansiyeli yakınlarında
uygulanan gerilim (Şekil 4.32.b), diğer gerilimlere oranla (Şekil 4.32.c,d,e) daha zayıf
elektriksel sinyal oluşturmaktadır.
91 Şekil 4.31 pH=3,6 örneğinin örneğe a. 0 V, b. 1 V,c. 3 V, d. 5 V ve e. 7 V
uygulandığında elde edilen 2 boyutlu ve 3 boyutlu EKM görüntüleri
VDC=0 V olarak ayarlandığında toplam potansiyel, sürücü AC gerilimi ve incelenen
yüzeyin ortalama YP değerinden oluşmaktadır (ΔV=VAC+ φ). Malzemenin YP değeri 0
V’a yakın değerlerde ise (mV seviyesinde), iki terimden oluşan toplam gerilim değeri,
92 yüzey üzerinde fazlalık yükü yaratamaz ve faz kayması oluşturamaz (Şekil 4.31.a). VDC
sıfırdan farklı bir değer aldığında ise sistemdeki toplam gerilim değeri 3 terimden
oluşmaktadır (ΔV= VDC +VAC+φ). Bu durumda yüzey üzerinde fazlalık yükünü gösteren
faz kayması değerleri oluşur.
Şekil 4.32 pH=3,6 örneğinde belirtilen bias gerilimleri için faz görüntüleri üzerinde
seçilen noktalar
Şekil 4.32 üzerinden seçilen 5 nokta için oluşan faz kayması değerleri çizelge 4.11 ile
verilmektedir. Seçilen noktalar için 0 V değerinde elde edilen faz kaymaları
incelendiğinde, iki terimden oluşan ΔV değerinin, faz farkı yaratmaya yetmediği açık
bir şekilde görülmektedir. Bu durumda yapılabilecek en doğru yorum, pH=3,6 örneğinin
ortalama YP değerinin 0 V ile 1 V arasında olduğunu söylemektir.
93 Çizelge 4.11 pH=3,6 örneğinde belirtilen bias gerilimleri için faz görüntüleri üzerinde
seçilen noktalar
VDC (V) 1. nokta (0) 2. nokta (0) 3. nokta (0) 4. nokta (0) 5. nokta (0)
-7
-17
-8,5
-6,9
6
3,9
-5
-16
-7,5
-5,7
5,7
2,5
-3
-6,19
-2,87
-2,65
2,46
0,9
-1
-0,39
-0,14
-0,13
0,16
0,03
0
-0,09
-0,11
-0,04
0,06
0,02
1
-1,88
-0,96
-1,18
1,14
0,73
3
-8,33
-4,66
-4,45
5,34
1,99
5
-16,9
-6,16
-6,02
8,13
2,54
7
-23,18
-8,67
-7,71
10,4
3,57
Benzer şekilde, Nova yazılımı içinde bulunan Image Analysis yazılımı ile pH=8,6
örneğinin kare ortalama kare (KOK) değerleri incelendiğinde, yapılan yorumun doğru
olduğu ortaya çıkmaktadır (Çizelge 4.12).
Çizelge 4.12 pH=3,6 örneği üzerinde seçilen noktalarda, uygulanan gerilimin
oluşturduğu ortalama faz kayması değerleri
VDC(örnek)
-7
-5
-3
-1
0
1
3
5
7
Ortalama faz
kayması değeri
4,06°
3,59°
1,53°
0,25°
0,24°
0,58°
3,06°
3,9°
4,01°
94 4.2.3.2 pH=3,6 CdS LB ince filminin EKM nicel analiz sonuçları
Alt-faz pH değeri 3,6 olan, 5 arakhidik asit tabakasının LB yöntemi ile CdS üzerine
aktarıldığı ince film için “Materyal Ve Yöntemler“ bölümünde, Elektrik Kuvvet
Mikroskobu alt başlığında ayrıntılı bir biçimde anlatılmış olan EKM nicel analiz
yöntemi uygulanmıştır.
Şekil 4.33 CdS pH=3,6 örneği için farklı gerilim değerlerinde EKM görüntüleri
üzerinde seçilen ortak çizgi
Şekil 4.33 ile gösterilen çizgi, EKM görüntülerinde negatif faz kayması yaratan çekici
bölge içinden seçilmiştir. Aynı çizgi için farklı bias gerilimlerinde yaratılabilen faz
kaymaları ise şekil 4.34 ile gösterilmektedir.
95 Şekil 4.34 CdS pH=3,6 örneğinin EKM görüntüleri üzerinde seçilen ortak çizgi
üzerinde elde edilen faz kaymalarının farklı bias gerilimlere göre değişimi
Örnek yüzeyine uygulanan 1 V bias gerilimi, şekil 4.33 ile gösterilen çizgi üzerinde
neredeyse homojen bir faz kayması oluşmasına neden olmuştur. Artan bias
gerilimlerinde ise seçilen çizginin de örneğin genel elektriksel homojenlikten uzak
yapısı göze çarpmaktadır. ~0,3 µm ve ~0,5 μm’ye denk gelen bölgelerde yaratılan faz
kaymaları, diğer bölgelere göre daha küçük değerde olduğu için, bu bölgelerde uç ile
örnek arasındaki Coulomb etkileşmesinin büyüklüğü (Denklem 3.30) diğer kısımlara
oranla daha zayıftır (Şekil 4.34).
pH=3,6 örneğine ait faz kayması-DC bias gerilim grafiği şekil 4.35 ile gösterilmektedir.
Örneğe herhangi bir DC gerilim uygulanmadığında çekici bölge üzerinde herhangi bir
faz kaymasının gözlenmemesi beklenmektedir. Ancak elektriksel özellikleri incelenen
örneklerin hem hava ortamında incelenmesi nedeniyle dış yüklerin etkisi, hem de
yüzeyin sahip olduğu ortalama yüzey potansiyelinin etkisi nedeni ile VDC = 0 V
değerinde her zaman bir B değeri büyüklüğünde faz kayması değeri ve bu B değerine
karşılık bir φ ortalama yüzey potansiyeli değeri gözlenmesi gereklidir (Şekil 4.35).
96 Şekil 4.35 CdS pH=3,6 örneğinin EKM görüntüleri üzerinde seçilen ortak çizgi
üzerinde elde edilen faz kayması-DC bias gerilim grafiği
EKM nicel analiz yöntemi uygulanan pH=3,6 örneği için seçilen bölge üzerinde
B=0,460, φ=0,78 V ve denklem (3.32) ile verilen fit fonksiyonunda bilinen değerler
yerine koyulduğunda A= 3 x 10-3 V-2 bulunmuştur (Şekil 4.35).
Şekil 4.36, -7 V ile +7 V arasında uygulanan bias gerilimleri için oluşan faz
kaymalarının deneysel ve fit fonksiyonu kullanılarak elde edilmiş grafiğidir. Şekil 4.35
kullanılarak elde edilen A parametresi, denklem (3.32)’de yerine koyularak fit
fonksiyonu ile elde edilen faz kayması değerleri elde edilmiştir. Deneysel olarak
bulunan ve teorik olarak hesaplanan faz kayması değerlerinin hemen hemen benzer
çıkması yapılan deneyin doğruluğunun bir göstergesidir.
97 Şekil 4.36 CdS pH=3,6 örneğinin EKM görüntüleri üzerinde seçilen ortak çizgi
üzerinde elde edilen deneysel ve fit fonksiyonu kullanılarak elde edilen faz
kayması-DC bias gerilim grafiği
EKM nicel analiz yöntemi kullanmaktaki asıl amaç KUM görüntülemesi yapmadan,
örneğin yüzey potansiyel değişimi hakkında bilgi sahibi olmaktır. Denklem (3.32)
kullanılarak, sadece deneysel ve teorik faz kayması değerlerinin karşılaştırılması değil
aynı zamanda da değişen bias gerilimler altında, oluşan yüzey potansiyeli değerlerini
elde etmek mümkündür (Şekil 4.37).
Eğer deneysel veriler ile şekil 4.37’de elde edilen verilere ulaşılabilirse, örneğin dış
gerilimlere bağlı yüzey potansiyeli değerleri hakkında da bilgi sahibi olunabilir.
Denklem (3.32) dikkatle incelendiğinde, yüzey potansiyelinin seçilen çekici bölge
boyunca (Şekil 4.33) gerilime bağlı olarak nasıl değişiğini öğrenebilmek için faz
kayması (ΔΦ), B, A ve örneğin yerel yüzey potansiyeli (φ) değerlerine ihtiyacımız
olduğu ortaya çıkmaktadır. Bu değerlerin bilinmesi halinde uygulanan gerilimlere ait
yüzey potansiyeli (V) değerleri kolaylıkla bulunabilir (Şekil 4.37).
98 Şekil 4.37 CdS pH=3,6 örneğinin EKM görüntüleri üzerinde seçilen ortak çizgi
üzerinde EKM nicel analiz yöntemi ile hesaplanan farklı bias gerilimlere göre
yüzey potansiyeli grafiği
Çizgi boyunca ~0,3 µm ve ~0,5 μm’ye denk gelen bölgelerde yaratılan faz
kaymalarının, diğer bölgelere göre daha küçük değerde olması, nicel analiz sonucunda
elde edilen yüzey potansiyeli değerlerine de yansımıştır. Seçilen çizgide en büyük yüzey
potansiyeli örneğe 7 V uygulandığında 0,2 μm’ye denk gelen bölge üzerinde elde
edilirken, en küçük değerdeki yüzey potansiyelleri ise beklendiği gibi 1 V gerilim
altında elde edilmiştir (Şekil 4.37).
4.2.3.3 pH=3,6 CdS LB ince filminin Kelvin uç mikroskobu sonuçları
KUM çalışmaları, EKM faz görüntüleri ile karşılaştırma yapılabilmesi amacıyla, aynı
bölge üzerinde ölçüm alınarak tamamlanmıştır. İkili geçiş tekniğine göre yapılan
çalışmada
Δz=10 nm olarak ayarlanmıştır. KUM çalışmalarında amaç, örnek
yüzeyindeki dipol momentlerin yarattığı elektriksel topografiyi görüntüleyebilmektir
(www.ntmdt.com, 2011).
99 Bilindiği gibi Langmuir-Blodgett yöntemi ile üretilen örnekler, yüklü baş gruplar ve
yüksüz kuyruk bölümünden oluşmaktadır. Bu nedenle bu yöntem ile üretilen filmlerin
yüzey potansiyellerini ölçmek için Kelvin Uç Mikroskobu kullanılabilir.
Şekil 4.38 pozitif bias gerilimlerinde, örneğin yüzey potansiyellerinde meydana gelen
değişimleri göstermektedir. Görüntülerde CdS parçacıkları belirli bir şekilde
görüntülenememekle beraber yüzey potansiyeli dağılımının bölgeden bölgeye gösterdiği
farklar şekil 4.38’de mV ve V birimi ile verilen YP değerlerindeki değişimler ile ortaya
koymaktadır. Örneğin dış gerilim 1 V olarak ayarlandığında, yüzey üzerindeki en
yüksek YP değeri mutlak değer cinsinden 290 mV iken, en az YP değeri 160 mV olarak
elde edilmiştir.
Şekil 4.38 pH=3,6 örneğinin ucan a. 1 V, b. 3 V, c. 5 V ve d. 7 V uygulandığında elde
edilen 2 boyutlu KUM görüntüleri
100 Denklem (4.1)’in temel çalışma prensibini oluşturduğu KUM tekniğinde pH=3,6
örneğinin ortalama YP değeri sistem tarafından ~0,75 V olarak elde edilmiştir. Ucun iş
fonksiyonu olan φu değeri, VDC gerilimi altında değişecektir. Değişen iş fonksiyonu da
dolayısıyla Vyüzey değerini değiştirecektir. Örneğin; VDC= 3 V olarak ayarlanması, φu
değerinin 3 V olması anlamına gelmektedir. Yüzeyin kendi YP değeri de ~0,75 V olarak
alındığında Vyüzey= -2,25 V olarak bulunmaktadır. Bu değer şekil 4.34(c) ile verilen
VDC= 3 V KUM görüntüsü için de denklem (4.1)’in geçerli olduğunu ortaya
koymaktadır. Sonuç olarak, herhangi bir örneğin dış gerilime bağlı olarak veya kendi
dipol momentlerinden kaynaklı KUM görüntülemesi tek bir denklemle kolaylıkla
anlaşılabilmektedir.
Şekil 4.39 KUM tekniği ile farklı bias gerilimleri altında alınan elektriksel ölçümlerde,
elektriksel sinyalde oluşan değişimi göstermek için seçilen çizgiyi göstermektedir.
Şekil 4.39 pH=3,6 örneğine KUM tekniği ile 1 V, 3 V, 5 V ve 7 V uygulandığında elde
edilen görüntüler üzerinde seçilen 2,19 μm’lik çizgi
Şekil 4.40 belirtilen pozitif gerilimler arasında, şekil 4.39 ile gösterilen çizgi üzerinde
seçilen iki farklı bölge arasındaki potansiyel değişimini göstermektedir. Buna göre,
seçilen bölgeler arasında YP farkının eşit kaldığı görülmektedir (0,06 V). Yani yüzey
yükleri uygulanan gerilimlerden eşit şekilde etkilenerek aradaki farkı sabit
tutmaktadırlar.
101 Şekil 4.40 pH=3,6 örneğinin KUM görüntülerinde seçilen çizgide potansiyel
değerlerinin değişimi
4.2.3.4 pH=8,6 CdS LB ince filminin elektrik kuvvet mikroskobu (EKM) sonuçları
CdS pH=8,6 ince filminin iki boyutlu EKM görüntüleri şekil 4.41 ile gösterilmektedir.
102 Şekil 4.41 pH=8,6 örneğinin örneğe a. 0 V, b. 1 V, c. 3 V, d. 5 V ve e. 7 V
uygulandığında elde edilen 2 boyutlu EKM görüntüleri
Elektrik Kuvvet mikroskobu taramalı uç mikroskopları ailesinden olduğu için, temel
çalışma prensibi uç ile örnek arasındaki etkileşme kuvvetlerine dayanmaktadır. Burada
etkileşme kuvveti, topografide kullanılan Van der Waals etkileşmelerinden farklı olarak,
Coulomb kuvvetidir. Bu nedenle, farklı gerilimlerde uç ile örnek arasındaki yük dengesi
değişecek ve düzlem kapasitans sistemi şeklinde çalışan sistemde yük transferi
103 gerçekleşecektir. Bu transfer ise, EKM sisteminde faz kayması değerleri olarak
karşımıza çıkmaktadır. Faz kayması, sayısal bir değerden çok, itici ve çekici
etkileşmelerin birbirlerinden ayırt edilebildiği durum olarak görülmelidir. Denklem
(2.43)’e göre, örneğe uygulanan dış gerilim, örneğin kendi YP değerini karşılamaya
yetecek büyüklükte değilse (VDC<φ), EKM görüntüsünde itici-çekici bölgeler açık bir
şekilde gözlenememektedir (Şekil 4.41.a,b).
Şekil 4.41.c,d,e görüntüleri ise düzlem kapasitansta gerçekleşen yük transferi sonrasında
oluşan yüzey yüklerinin oluşturduğu faz kayması değerlerini göstermektedir. Faz
kayması değerlerinin, örneğe uygulanan gerilim değeri ile doğru orantılı olarak değiştiği
göz ardı edilmemelidir.
Şekil 4.42 pH=3,6 örneği üzerinden seçilen 5 nokta için, örneğin YP değerine yakın ve
uzak gerilim değerlerinde elde edilen faz kayması değerleri çizelge 4.13 ile
gösterilmektedir.
Şekil 4.42 pH=3,6 örneğinde belirtilen bias gerilimleri için faz görüntüleri üzerinde
seçilen noktalar
104 Çizelge 4.13 pH=8,6 örneği üzerinde seçilen noktalarda, uygulanan gerilimin
oluşturduğu faz kayması değerleri
VDC (V)
-7
-5
-3
-1
0
1
3
5
7
1. nokta (0)
12,62
11,45
4,79
0,5
0,23
0,28
6,27
13,17
14,6
2. nokta (0)
-19
-12,9
-5,18
-1,05
-0,15
-0,61
-7,03
-17,28
-18,85
3. nokta (0)
-10,3
-8,07
-2,31
-0,8
-0,23
-0,4
-3,88
-5,95
-9,63
4. nokta (0)
-0,55
-0,34
-0,3
-0,13
-0,26
-0,4
-0,62
-0,76
-1,3
5. nokta (0)
-11,3
-9,52
-4,56
0,48
-0,2
-0,6
-4,66
-10,52
-11,9
Şekil 4.42 üzerinde seçilen noktalarda örneğe -1 V / +1 V gerilimleri uygulandığında
elde edilen faz kayması değerlerinin sıfıra yakın olması, pH=8,6 örneğinin YP değerinin
0 V<(pH=8,6)YP<1 V arasında olduğunu göstermektedir. Benzer şekilde, Nova yazılımı
içinde bulunan Image Analysis yazılımı ile pH=8,6 örneğinin kare ortalama kare (KOK)
değerleri incelendiğinde, yapılan yorumun doğru olduğu ortaya çıkmaktadır (Çizelge
4.14).
Çizelge 4.14 pH=8,6 örneği üzerinde seçilen noktalarda, uygulanan gerilimin
oluşturduğu ortalama faz kayması değerleri
VDC(örnek)
-7
-5
-3
-1
0
1
3
5
7
Ortalama faz
kayması değeri
6,01°
4,87°
2,11°
0,37°
0,35°
0,36°
2,97°
5,48°
6°
105 4.2.3.5 pH=8,6 CdS LB ince filminin EKM nicel analiz sonuçları
Alt-faz pH değeri 8,6 olan, 5 arakhidik asit tabakasının LB yöntemi ile CdS üzerine
aktarıldığı ince film üzerinde yapılan EKM nicel analiz yöntemi için seçilen bölge şekil
4.43 ile gösterilmektedir.
Şekil 4.43 CdS pH=8,6 örneği için farklı gerilim değerlerinde EKM görüntüleri
üzerinde seçilen ortak çizgi
Şekil 4.43, incelenen 4 μm x 4 μm’lik bölge içinden, çekici bölge üzerinde EKM nicel
analiz yöntemi uygulanmak üzere seçilmiştir. Şekil 4.44 ise seçilen çizgi boyunca farklı
gerilim değerlerinde uç ile örnek arasında yaratılan faz kayması grafiğini
göstermektedir. Örnek üzerine uygulanan 1 V bias gerilimi, seçilen 0,3 µm’lik çizgi
boyunca (Şekil 4.43) neredeyse eşit bir faz kayması dağılımına neden olmuştur. Artan
gerilimlerde ise faz kayması dağılımı yüzey üzerindeki yüklerin dağılımına göre
bölgesel farklılıklar göstermektedir (Şekil 4.44).
106 Şekil 4.44 CdS pH=8,6 örneğinin EKM görüntüleri üzerinde seçilen ortak çizgi
üzerinde elde edilen faz kaymalarının farklı bias gerilimlere göre değişimi
grafiği
pH=8,6 örneğine ait faz kayması-DC bias gerilim grafiği şekil 4.44 ile gösterilmektedir.
pH=8,6 örneğinin VDC=0 V değerinde elde edilen B faz kayması değeri 0,187° ve bu
değere karşı gelen φ ortalama yüzey potansiyeli ise 0,6 V olarak bulunmuştur (Şekil
4.45). Denklem (3.32) ile verilen fit fonksiyonunda bilinen değerler yerine
koyulduğunda ise A parametresinin değeri 6,56 x 10-3 V-2 olarak elde edilmiştir (Şekil
4.45).
107 Şekil 4.45 CdS pH=8,6 örneğinin EKM görüntüleri üzerinde seçilen ortak çizgi
üzerinde elde edilen faz kayması-DC bias gerilim grafiği
Şekil 4.46, -7 V ile +7 V arasında uygulanan bias gerilimleri için oluşan faz
kaymalarının deneysel ve fit fonksiyonu kullanılarak elde edilmiş grafiği vermektedir.
Şekil 4.46’dan yola çıkılarak bulunan A parametresi, denklem (3.32) ile ifade edilen fit
fonksiyonunda yerine koyularak Şekil 4.46’da verilen kırmızı çizgi ile gösterilen teorik
faz kayması değerleri elde edilmiştir. Deneysel ve teorik faz kayması değerlerinin
özellikle -5 V ile +5 V arasındaki bölge için benzer çıkması elektriksel özellikleri
incelenen pH=8,6 örneğinin kalitesi ve deneyin doğruluğu açısından önemlidir.
108 Şekil 4.46 CdS pH=8,6 örneğinin EKM görüntüleri üzerinde seçilen ortak çizgi
üzerinde elde edilen deneysel ve fit fonksiyonu kullanılarak elde edilen faz
kayması-DC bias gerilim grafiği
Denklem (3.32) kullanılarak yapılan EKM nicel analiz yöntemi sonucunda, pozitif bias
gerilimlerinin seçilen çizgi boyunca uç ile örnek arasında yarattığı elektriksel Coulomb
etkileşmeleri sonucunda Şekil 4.47 ile gösterilen yüzey potansiyeli grafiği elde
edilmiştir. Faz kaymasının küçük olduğu değerlerde oluşan yüzey potansiyeli de küçük
değerde iken; faz kayması değeri büyüdükçe oluşan yüzey potansiyeli değeri de
artmaktadır.
109 Şekil 4.47 CdS pH=8,6 örneğinin EKM görüntüleri üzerinde seçilen ortak çizgi
üzerinde EKM nicel analiz yöntemi ile hesaplanan farklı bias gerilimlere göre
yüzey potansiyeli grafiği
4.2.3.6 pH=8,6 LB ince filminin Kelvin uç mikroskobu sonuçları
pH=8,6 alt faz değerine sahip CdS ince film örneğinin KUM görüntülemelerinde Δz=10
nm olarak ayarlanmıştır. Şekil 4.48, pozitif DC gerilimler için yüzey potansiyeli
dağılımını göstermektedir.
Şekil 4.48 pozitif bias gerilimlerinde, örneğin yüzey potansiyellerinde meydana gelen
değişimleri
göstermektedir.
Görüntülerde
CdS
parçacıkları
açık
bir
şekilde
görüntülenebildiği için yüzey potansiyeli skalasında parçacıkların sınırlarındaki ve tepe
bölgelerindeki YP değerleri ayrı ayrı okunabilmektedir.
110 Şekil 4.48 pH=8,6 örneğinin uca a. 1 V, b. 3 V, c. 5 V ve d. 7 V uygulandığında elde
edilen 2 boyutlu ve 3 boyutlu KUM görüntüleri
Denklem (4.1)’e göre pH=8,6 örneğinin ortalama YP değeri sistem tarafından ~0,6 V
olarak elde edilmiştir.
111 Şekil 4.49 pH=3,6 örneğine KUM tekniği ile 1 V, 3 V, 5 V ve 7 V uygulandığında elde
edilen görüntüler üzerinde seçilen 1,3 μm’lik çizgi
Şekil 4.49 pozitif gerilimler arasında, pH=8,6 örneğinin üzerinde gösterilen çizgi
boyunca seçilen 2 bölge arasındaki potansiyel değişimini göstermektedir. Buna göre,
seçilen bölgeler arasında YP farkı pH=3,6 yüzeyinde gözlendiği gibi (Şekil 4.40) eşit
kalmamaktadır.
Yani
yüzey
yükleri
uygulanan
gerilimlerden
eşit
şekilde
etkilenmemektedir. Bu saptamayı daha geniş ele almak için, uca uygulanan DC gerilim
değerlerinin en küçük (VDC=1 V) ve en büyük (VDC=7 V) değerlerini göz önünde
bulundurarak, elektriksel KUM sinyalinin yüzeyde yarattığı YP değişimini göstermemiz
gereklidir. Şekil 4.51, 1 V ve 7 V için seçilen çizgi boyunca YP sinyalindeki değişimi
göstermesi açısından ele alınmıştır. Çizgi üzerinde seçilen ve kırmızı ile gösterilen
bölgelerde YP ani bir değişime uğramıştır. Bu değişim şekil 4.52 ile gösterilmektedir.
112 Şekil 4.50 pH=8,6 örneğinin KUM görüntülerinde seçilen çizgide potansiyel
değerlerinin değişimi
Şekil 4.51 pH=8,6 örneğinin a. 1 V ve b. 7 V bias gerilimlerine karşı gösterdiği
elektriksel KUM sinyalindeki değişim
113 Şekil 4.52 pH=8,6 örneği üzerinde seçilen çizgi boyunca a. 1 V ve b. 7 V bias
gerilimlerine karşı gösterdiği elektriksel KUM sinyalindeki değişim
grafikleri
Şekil 4.52 CdS parçacıklarının 1 V ve 7 V bias gerilim değerinde elde edilen YP
sinyallerini, şekil 4.51’de verilen 0,9 µm’lik çizgi boyunca göstermektedir. Bu çizgi
boyunca CdS taneciklerinin sınır bölgeleri kırmızı oklar ile şekil 4.52’de belirtilmiştir.
Açıkça görülmektedir ki sınırlarda ve sınırın içinde kalan bölgelerde elde edilen YP
değerleri birbirinden oldukça farklıdır. 1 V için sınır bölgelerde elde edilen YP değerleri
seçilen çizginin diğer kısımları ile ortalama bir değere sahipken; 7 V için sınır
bölgelerinde ve seçilen çizgi boyunca elde edilen genel sinyal birbirinden çok farklıdır.
Bu durum pH=8,6 örneğinin yüzey yüklerinin uygulanan farklı gerilimlerden eşit
şekilde etkilenmediğini ortaya koymaktadır.
114 5. TARTIŞMA VE SONUÇLAR
Bu tez çalışmasında sensörler, optiksel ve elektriksel cihazlar, kayıt cihazları vb. birçok
teknolojide elektronik cihazda kullanılabilen ince film üretim yöntemlerinden biri olan
Langmuir-Blodgett tekniği ile elde edilen filmler incelenmiştir. Çalışmanın birinci
bölümünde pH=3,6 ve pH=8,6 alt-fazlarında hazırlanan kurşun arahidat ince filmlerinin
topografik ve elektriksel özellikleri incelenmiştir. İkinci bölümde ise, ısısal vakum
buharlaştırma ve LB tekniklerinin birlikte kullanılarak elde edilen CdS ince filmlerin
topografik ve elektriksel özellikleri incelenmiştir.
Kurşun Arahidat İnce Filmleri
Bu tez çalışmasının ilk bölümünü, Rusya Saratov Devlet Üniversitesi’ndeki proje
ortaklarımız tarafından hazırlanan, kurşun arahidat ince filmlerinin topografik ve
elektriksel özelliklerinin incelenmesi oluşturmaktadır. Üç farklı metal konsantrasyonu
değerinde (10-4 mol/l, C = 10-3 mol/l, C = 10-2 mol/l) hazırlanan pH=3,6 ve pH=8,6
örnekleri için en uygun konsantrasyonu, taramalı elektron mikroskobu görüntülerine
göre, 10-2 mol/l olduğubelirlenmiştir. En uygun konsantrasyon değerinin bulunmasının
ardından, alt-fazın pH değişiminin yüzeye tutunan kurşun iyonlarının geometrisi ve
yapısına olan etkisi incelenmiştir. Buna göre pH=3,6 örneği için elde edilen dalsı ve
ağaçsı yapılar, pH=8,6’da yerini küme yapılara bırakmıştır.
İnce filmlerin SEM görüntüleri ile benzer bölge üzerinden, örneklerin AKM sistemi ve
EKM
sistemi
ile
topografik
ve
elektriksel
özellikleri
incelenmiştir.
AKM
görüntülemeleri yapılan ince filmlerin, ortalama parçacık büyüklüklerinin, SEM ile elde
edilen parçacık büyüklükleri ile uyumlu olduğu bulunmuştur. Bu durum, LB yöntemi ile
elde edilen ince filmlerin görüntülemesinde, elektron mikroskobuna göre daha ucuz bir
teknik olan Atomik Kuvvet Mikroskobu’nun kolaylıkla kullanabileceğini ortaya
koymaktadır.
115 LB ince filmlerin hazırlanışı sırasında, suyun sıcaklığı, saflığı, kullanılan alttaş, pH
değeri ve metal konsantrasyonunun elde edilen ince filme olan etkisi bilinen bir
gerçektir (Osvaldo ve Oliveira 1992). Bu nedenle birçok araştırmacı tek bir parametreyi
değiştirerek öncekinden çok daha farklı yapıda bir film elde edebilir. R. Viswanathan ve
arkadaşlarının 1992 yılında yayınladıkları makale bu söyleme en iyi örneklerden biri
olarak gösterilebilir (Viswanathan vd. 1992). Bu çalışmada pH değişiminin ve
kullanılan alttaşın filmin kalitesini etkileyeceğini düşünerek hareket ettikleri bu
çalışmada, bilim insanları, mika ve silikon alttaşlar üzerine kadmiyum arahidat tek
tabakasını pH=5,5 ve pH=6,5 değerlerinde aktarım işlemini gerçekleştirmişlerdir. Mika
alttaş üzerine aktardıkları farklı iki pH değerindeki tek tabakada yüksek pH’a sahip
örneğin AKM incelemesi sırasında diğer örneğe göre çok daha kolay zarar gördüğü
ortaya çıkmıştır. Benzer şekilde silikon alttaş için ise her iki pH değeri içinde mikadan
farklı olarak çok daha kaliteli bir tek tabaka elde edildiğinden bahsedilmektedir. Bir
başka örnek olarak ise S. W. Hui ve arkadaşlarının 1995 yılında LB tekniği ile üretilen
iki farklı fosfolipitin AKM ile incelenmesi makalesi gösterilebilir (Hui vd. 1995).
Makalede kısaca, bir önceki örnek makalede olduğu gibi, yüksek pH’da hazırlanan
örneklerin düşük pH’da hazırlanan filmlere göre çok daha kırılgan ve zarar görebilme
ihtimalinin yüksek olduğu anlatılmaktadır.
LB ince film üretim tekniğinde genellikle doyuma ulaşmış uzun zincirli karboksilik
asitler (stearik, arahidik, behenik) ve bu asitlerin iki değerlikli tuzları (e.g., Cd2+, Ca2+,
Pb2+, Ba2+, vb.) kullanılır. Kullanılan metal katyonlarının filmin düzenli yapısı ve
depolanabilirliğini kolaylaştırmaktadır (Blodgett 1935; Langmuir ve Blodgett 1937).
Ayrıca, alt-faz pH değerinin asidik veya bazik değerde olması metal katyonlarının
düzenlenimini ve geometrisini etkilemektedir (Spratte ve Riegler 1991, Spratte vd.
1994, Spink 1967, Riegler ve LeGrange 1988, Riegler ve Spratte 1992).
Sonuç olarak, Kurşun arahidat örneklerinin topografileri karşılaştırıldığında, pH=8,6
örneğinin yüzey kalitesinin çok daha yüksek olduğu literatür ile yapılan karşılaştırma ile
açıkça ortaya çıkmıştır. Düşük pH değerinde (pH=3,6) yağ asitleri ile etkileşmeye fazla
giremeyen metal katyonları, yüzey üzerinde belirli bölgelerde toplanmış şekilde
116 görüntülenirken; pH=8,6 örneğinde metal katyonları yüzey üzerinde birçok farklı
bölgede birbirinden ayrılmış ve homojen bir şekilde dağılmış şekilde gözlenmektedir.
Topografik özellikleri incelenen örneklerin daha sonra elektriksel özelliklerinin
incelenmesi için Kelvin Uç Mikroskobu tekniği kullanılmıştır. Şekil 5.1, pH=3,6
örneğinin topografi görüntüsü ve KUM görüntüsü üzerinden alınan aynı çizgi
üzerindeki sinyal değişimini göstermektedir. Seçilen çizgi üzerinde, en az yüzey
potansiyeline sahip kurşun bölgesi 0,26 V, en yüksek potansiyel ise 0,43 V olarak
bulunmuştur. Topografi ve yüzey potansiyeli görüntüleri birbiriyle kıyaslandığında,
yüzey potansiyeli değerinin topografiden bağımsız olarak değiştiği görülmektedir (Şekil
5.2). Bu durum, ikinci geçişte topografide elde ettiği görüntüyü kullanarak belli ve sabit
bir yükseklikte tarama yapan ucun, sadece örneğin ortalama YP değerine bağlı olarak
ölçüm aldığını göstermektedir.
Şekil 5.1 pH=3,6 örneği için a. topografi, b. Kelvin Uç Mikroskobu (VDC = 0 V)
görüntüleri üzerinden seçilen çizgi
117 Şekil 5.2 pH=3,6 örneği için topografi ve yüzey potansiyeli değerlerinin seçilen çizgi
üzerinden karşılaştırılması
pH=8,6 örneğinin topografi görüntüsü ve KUM görüntüsü üzerinden alınan aynı çizgi
ise şekil 5.3 ile verilmektedir. Amaç, pH=3,6 örneğinde yapıldığı gibi, kurşun içeren ve
içeremeyen bölgelerin YP değerlerini karşılaştırabilmektir.
Şekil 5.3 pH=8,6 örneği için a. topografi, b. Kelvin Uç Mikroskobu (VDC = 0 V)
görüntüleri üzerinden seçilen çizgi
118 Şekil 5.4 ise seçilen çizgi boyunca yüzey potansiyeli ve topografideki değişimin
grafiğini göstermektedir..
Şekil 5.4 pH=8,6 örneği için topografi ve yüzey potansiyeli değerlerinin seçilen çizgi
üzerinden karşılaştırılması
Yapısında yüklü -CO2H zinciri bulunan yağ asitlerinin YP değerleri alt-faz pH
değerlerine bağlıdır (Dziri vd. 1998). Bu nedenle topografi ve KUM görüntülerinin
birbiri ile karşılaştırılmasının ardından, iki farklı pH değerinde elde edilen en yüksek ve
en düşük YP değerlerinin karşılaştırılması yapılabilir. pH=3,6 örneği için kurşun içeren
bölge üzerindeki en yüksek YP değeri 0,43 V iken pH=8,6 örneği için bu değer 0,2 V
olarak bulunmuştur. Buna göre, topografik olarak yüzey kalitesinin çok daha yüksek
olduğu pH=8,6 örneği üzerinde dış gerilim ile yüzey yükü yaratmak, dalsı ve ağaçsı
yapıdaki pH=3,6 örneğine göre çok daha kolay olacaktır. Çünkü KUM tekniğinde
amaç, uç ile örnek arasındaki Fω kuvvetini uygulanan dış gerilim ile sıfırlamaktır
(Denklem 3.38). Amacın sadece Fω kuvvetini sıfırlamak değil aynı zamanda yüzey de
fazlalık yükü yaratmak olduğu durumda da aynı durum söz konusu olacaktır.
119 CdS İnce Filmleri
Tez çalışmasının ikinci bölümünü ise, ısısal vakum buharlaştırma tekniği ve LB ince
film tekniklerinin birlikte kullanıldığı CdS ince filmlerinin topografik ve elektriksel
özelliklerinin incelenmesi oluşturmaktadır. Elde edilen ince filmlerin taramalı elektron
mikroskobunda geri saçılımlı elektron görüntüleri (BSD) alınarak, görüntüler üzerinde
ortalama parçacık büyüklükleri bulunmuştur.
LB yöntemi kullanılarak 5 katmanlı arahidik tabakasının CdS alt tabakası üzerine
aktarımının parçacık büyüklüğüne etkisini inceleyebilmek için, ısısal vakum
buharlaştırma tekniği kullanılarak elde edilen CdS test örneğinin AKM sisteminde
topografi görüntülemesi yapılmıştır. Yapılan AKM görüntülemesi sonucunda test
örneğinin ortalama parçacık büyüklüğü 117 nm olarak bulunmuştur. Bu işlemin
ardından pH=3,6 ve pH=8,6 alt-fazlarından hazırlanan CdS LB ince filmleri de AKM
sistemi ile incelenmiştir. Sonuç olarak, 5 katmandan oluşan arahidik asit tabakasının ve
pH farkının ortalama parçacık büyüklüğüne etki etmediği ortaya çıkmıştır.
İnce filmlerde parçacık büyüklüğü, filmin kalınlığına bağlı olarak değişmektedir. Film
kalınlığı arttıkça yüzeyde daha büyük kristaller oluşmaktadır (Korkmaz 2005, Khan vd.
2010). Çizelge 5.1 Khan ve arkadaşlarının CdS polikristal ince filmleri için elde
ettikleri, kalınlığa bağlı parçacık büyüklüklerini göstermektedir. Buna göre, yaklaşık 1
µm kalınlıkta üretilen polikristal CdS ince filmlerinin (Klimova 2011) SEM
görüntülerinden elde edilen ortalama parçacık büyüklüklerinin 117 nm civarında
bulunması, filmin kalınlığının parçacık büyüklüğüne olan etkisini doğrular niceliktedir.
Çizelge 5.2 ise, test örneği ve LB yöntemi ile elde edilen pH=3,6 ve pH=8,6
örneklerinin ortalama pürüzlülük ve kare ortalama kare (KOK) değerlerini
göstermektedir.
120 Çizelge 5.1 Khan ve arkadaşlarının 2010 yılında yayınladıkları CdS polikristal ince
filmlerinin kalınlığa bağlı parçacık büyüklükleri
Film kalınlığı (nm)
SEM’den elde edilen parçacık büyüklüğü (nm)
200
46
245
65
400
71
500
72
Çizelge 5.2 CdS test örneği ve LB yöntemi ile elde edilen pH=3,6 ve pH=8,6
örneklerinin ortalama pürüzlülük ve KOK değerleri
CdS
CdS_pH:3,6 CdS_pH=8,6
Ortalama Pürüzlülük
304 nm
52 nm
28 nm
Kare Ortalama Kare
(KOK)
96 nm
63 nm
36 nm
CdS ince filmi için elde edilen ortalama pürüzlülük ve KOK değerleri, arahidik asit
içeren ince filmlere göre çok daha yüksektir. LB yönteminin kullanıldığı pH=3,6 ve
pH=8,6 filmlerinde ise, pH değerinin artışı ince filmin daha pürüzsüz bir yüzeye sahip
olmasına neden olmuştur. pH=8,6 filminin ortalama pürüzlülük ve KOK değerleri
pH=3,6 örneğinin hemen hemen yarısı kadardır. Sonuç olarak, topografik özellileri
incelenen üç ince filmde, pH=8,6 en iyi yüzey kalitesine sahiptir yorumu yapılabilir.
Çünkü ince film örneklerinde mümkün olan en az pürüzlülük veya KOK değerinin
(Toma vd. 2011) elde edilmesi en önemli parametrelerden biridir.
Tez çalışmasında, CdS ince film örneklerinin AKM ve SEM sistemlerinde yüzeylerinin
incelenmesinin ardından, elektriksel özelliklerinin incelenmesi için EKM ve KUM
teknikleri kullanılmıştır.
121 KUM tekniğinde uç ile örnek arasındaki Coulomb etkileşmelerine ek olarak kullanılan
ucun yan yüzeylerinden, havadan ve diğer dış etkenler dolayısı ile ek bir potansiyel
bulunmaktadır. Bu durum da uç ile örnek arasındaki gerçek YP değerinin bulunmasını
zorlaştıran bi durumdur. Ayrıca KUM tekniğinde çözünürlük EKM sistemine göre çok
daha zayıftır. Bu nedenle yüksek çözünürlük için, KUM sistemi ile incelenecek
örneklerin kenarlarında veya altında alüminyum gibi uygun bir elektrot olması
gereklidir. Gerek YP değerlerinin kesin olarak bulunamaması gerekse çözünürlüğüm
EKM’ye göre zayıf olması, KUM tekniğine ihtiyaç duyulmadan YP değerlerinin nasıl
bulunabileceği sorusunu ortaya çıkarmıştır. C. H. Lei ve arkadaşları 2004 yılında P3HT
yarı iletken polimerinin elektriksel özelliklerinin EKM ve KUM yöntemleri ile birlikte
incelenmesini gerçekleştirmişlerdir. Bilim insanları bu çalışmada EKM faz kayması
verilerinden
yararlanarak,
farklı
gerilimler
altında
değişen
YP
değerlerinin
hesaplanabileceğini göstermişlerdir. Nicel analiz yöntemi ismini verdikleri yöntem ile,
KUM tekniği kullanılmadan YP değerlerinin bulunabileceğini ortaya koymuşlardır.
Ayrıca nicel analiz yönteminin sonuçlarının, KUM sistemine göre daha güvenilir
olduğunu deneysel olarak da göstermişlerdir (Lei vd. 2004).
EKM nicel analiz yönteminin en büyük avantajı yüksek çözünürlükteki EKM
verilerinden yararlanarak KUM’a göre daha kesin bir YP dağılımı ortaya koymasıdır.
Ayrıca bu yöntemde KUM sisteminde inceleme yapılabilmesi için örnekte olması
gereken fazladan bir elektrota ihtiyaç yoktur. Bu avantajlarından dolayı nicel analiz
yöntemi ısısal vakum buharlaştırma, kendiliğinden birleşme (self-assembly), LB gibi
birçok ince film üretim tekniği ile hazırlanan filmlerin YP değerlerinin EKM faz
kayması değerlerinden faydalanarak bulunabilmesine olanak sağlamaktadır.
EKM nicel analiz yöntemi, tez çalışmasının Elektrik Kuvvet Mikroskobu altbaşlığında
ayrıntılı bir biçimde anlatılmıştır. EKM’de temel faz farkı denklemi:
⎛ Q d 2C
⎞
(V − ϕ ) 2 ⎟ + B
ΔΦ = − arcsin ⎜
2
⎝ 2k dz
⎠
(5.1)
122 ile verilmektedir. Burada V uygulanan dış gerilimi, ΔФ faz kaymasını, Q kalite
faktörünü, k yay sabitini vermektedir. B değeri, faz kaymasının (ΔФ) DC bias gerilime
(V) karşı değişimi grafiği çizdirildiğinde elde edilen faz kayması ekseninde 0°’den
sapma miktarını; φ ise DC bias gerilim ekseninde 0°’den sapma miktarını yani ortalama
Q d 2C
YP değerini göstermektedir. Kolaylık olması açısından ise
parametresi A ile
2k dz 2
gösterilebilmektedir.
Şekil 5.5, faz kayması değerlerinin, bias gerilimlerine göre değişimi grafiği üzerinden B
ve φ değerlerinin nasıl bulunacağını göstermektedir. Ayrıca dikkat edildiğinde tüm faz
kayması değerlerinin eksi değerlerde seçildiği görülebilir. A parametresi ile (V- φ)2 her
zaman artı işaretlidir. Bu nedenle faz kayması değerleri her zaman eksi olmak
zorundadır.
Deneysel faz kayması-gerilim grafiğinin, teorik faz kayması-gerilim değişimi ile uyumu
ise şekil 5.6 ile gösterilmektedir. Doğru bir EKM ölçümünde, deneysel ve teorik
grafiklerin birbiri ile uyumlu olması gereklidir.
Şekil 5.5 Faz kaymasının DC bias gerilime göre değişimi grafiğinde, B faz kaymasının
ve φ teriminin elde edilmesi
123 Şekil 5.6 Teorik ve deneysel faz kayması değerlerinin DC bias gerilime göre değişimi
Çizelge 5.3 CdS pH=3,6 ve pH=8,6 örneklerinin nicel analiz yöntemi ile elde edilen
değerlerini göstermektedir.
Çizelge 5.3 pH=3,6 ve pH=8,6 örneklerinin nicel analiz yöntemi parametreleri
pH=3,6
-3
-2
pH=8,6
-3
-2
A
3x10 V
6,56x10 V
B
0,460
0,187
φ
0,78 V
0,6 V
0
EKM deneyleri sırasında, sistem üzerinde sürücü gerilim dışında (VAC) herhangi bir DC
gerilimin olmadığı durumda, faz kayması-DC bias gerilim grafiklerinde, herhangi bir
faz kayması değerinin (B) gözlenmemesi beklenmektedir. Ancak uç-örnek arasındaki
Coulomb etkileşmeleri nedeniyle VDC=0 V olarak ayarlandığında dahi, bir B faz
kayması değeri oluşmaktadır. Çizelge 5.3’e göre pH=3,6 örnekte uç ve yüzey arasındaki
124 elektriksel Coulomb etkileşmesinin, yüksek pH’lı örneğe göre çok daha yüksek olduğu
elde edilen B değerlerinden kolaylıkla anlaşılabilmektedir (B3,6>B8,6). Aynı durum
ortalama YP değerleri içinde geçerlidir. pH=3,6 örneğinin YP değeri pH=8,6 örneğine
göre daha büyüktür (YP3,6> YP8,6). Ayrıca ucun kalite faktörü Q değerinin ve ucun yay
sabiti k’nın aynı kaldığı durumda, A değerinin yine pH=3,6 örneği için daha yüksek
bulunması, bu ince filmde d2C/dz2 ifadesinin daha büyük olması anlamına gelmektedir
(A3,6>A8,6).
Çizelge 5.4 EKM sistemi ile incelenen örneklerin, ikili geçiş tekniği gereği aynı anda
elde edilen topografileri üzerinden elde edilen ortalama yüzey pürüzlülüklerini
göstermektedir.
Çizelge 5.4 pH=3,6 ve pH=8,6 örneklerinin ortalama yüzey pürüzlülükleri
Ortalama
Yüzey
Pürüzlülüğü
pH=3,6
pH=8,6
42 nm
29 nm
LB ince filmlerin hazırlanışı sırasında, suyun sıcaklığı, saflığı, kullanılan alttaş sabit
parametrelerdir. Değişen tek parametre ise alt-fazların pH değeridir. Mika alttaş üzerine
aktarılan farklı iki pH değerindeki LB filmlerinde filmin kalitesini pH değeri
belirlemektedir. Buna göre elektriksel özelliklerde olduğu gibi, ortalama pürüzlülük
değerlerinde de yüksek pH’lı örneğin ortalama pürüzlülüğü daha küçüktür. pH=3,6
örneğinin 42 nm olarak bulunan ortalama pürüzlülük değeri, pH=8,6 örneğinin
pürüzlülük değerinden çok daha büyüktür (Çizelge 5.4). Buna göre, alt faz pH değerinin
artışının alttaş üzerinde daha düzenli ve daha kaliteli bir yapı oluşturmaktadır.
Şekil 5.7-5.8 nicel analiz yöntemi ile pH=3,6 ve pH=8,6 örneklerinin, belirli bir çizgi
boyunca, deneysel faz kayması değerleri ile elde edilen, dış gerilime bağlı yüzey
potansiyeli grafiklerini göstermektedir. Seçilen çizgi, negatif faz değerlerinin elde
edildiği yani uç ile örnek arasında çekici elektriksel etkileşmelerin hakim olduğu bir
125 bölge içinden seçilmiştir. Ayrıca şekil 5.7-5.8’de aynı çizgi boyunca, ince filmlerin
yüksekliklerinde meydana gelen değişimler de gösterilmektedir. Topografi ve EKM
nicel analiz görüntülerden üzerinden aynı çizginin seçilme sebebi, YP değerleri ile
yükseklik değişimleri arasında bağlantı kurabilmektir.
Şekil 5.7 pH=3,6 ince filmine ait, seçilen çizgi boyunca, topografi ve EKM nicel analiz
yöntemi ile elde edilen YP değerleri grafiğini göstermektedir. Buna göre topografide
siyah oklar ile gösterilen noktalar, YP değerlerinde de aynı nokta üzerine denk
gelmektedir. Yani topografik özellikler YP değerlerinin oluşmasında (veya topografik
özellikler YP değerlerinin oluşmasında) etkili olmuştur.
Şekil 5.8 de pH=8,6 filminin EKM nicel analiz ile elde edilen YP değerlerinin
topografiye olan bağlılığını göstermektedir. Benzer biçimde, topografide kritik
yükseklik değişimlerine sahip yerlere koyulan siyah oklar ile YP değerleri grafiğindeki
değişimlerin, aynı noktada olduğu görülmüştür.
Topografiden bağımsız olarak yorum yapıldığında ise iki örnek içinde dış gerilimin 7 V
olduğu durumda, örnekler üzerinde yaratılan yükler, 5 V uygulandığındaki elde edilen
YP değerleri ile neredeyse aynıdır. Ayrıca her iki örneğe 7 V uygulandığında iki örnekte
de elde edilen en yüksek YP değeri ~8,56 V’dur. Bu değerin her iki ince film için de
neredeyse aynı bulunmuş olması 8,56 V değerinin, ince filmlerin alt faz pH değerinden
bağımsız olduğunu göstermektedir.
Şekil 5.9-5.10 EKM nicel analiz grafikleri ile (Şekil 5.7-5.8) karşılaştırma yapılabilmesi
için, deneysel olarak elde edilen KUM grafiklerini göstermektedir. Buna göre KUM
yöntemi, nicel analiz yönteminin topografiye olan bağlılığını ve seçilen çizgi boyunca
YP değerlerindeki değişimleri hiçbir şekilde yansıtmamaktadır. Bu durum KUM
tekniğinden elde edilen çözünürlüğün, nicel analiz yöntemine göre daha zayıf
çözünürlüğe sahip olduğunu göstermektedir (Lei vd. 2004).
126 Şekil 5.7 CdS pH=3,6 örneği için seçilen çizgi boyunca topografi ve EKM yüzey
potansiyeli değerlerinin karşılaştırılması
Şekil 5.8 CdS pH=8,6 örneği için seçilen çizgi boyunca topografi ve EKM yüzey
potansiyeli değerlerinin karşılaştırılması
127 Şekil 5.9 CdS pH=3,6 örneği için seçilen çizgi boyunca topografi ve KUM yüzey
potansiyeli değerlerinin karşılaştırılması
Şekil 5.10 CdS pH=8,6 örneği için seçilen çizgi boyunca topografi ve KUM yüzey
potansiyeli değerlerinin karşılaştırılması
128 Yapılan bu tez çalışmasında, farklı pH değerlerindeki CdS LB ince filmler üzerinde ilk
defa EKM nicel analiz yöntemi uygulanmıştır. Bu sayede KUM tekniği kullanılmadan
ince film yüzeylerindeki ortalama YP değerleri bulunmuştur. Bulunan YP değerleri
daha sonra KUM tekniğinden elde edilen değerler ile karşılaştırılmıştır. Böylece, KUM
yönteminin, EKM nicel analiz yönteminin sağlamış olduğu topografiye olan bağlılığı ve
YP
değerlerindeki
değişimleri
hiçbir
şekilde
yansıtmadığı
deneysel
olarak
gösterilmiştir. Bu durum EKM nicel analiz yönteminin, KUM tekniğine göre neden
avantajlı bir yöntem olduğunu açıkça ortaya çıkarmaktadır.
129 KAYNAKLAR
Adamson, A. 1976. Physical Chemistry of Surfaces, Wiley, New York.
Adamson, A. W. 1990. Physical Chemistry of Surface, John Wiley & Sons, Inc., New
York., p. 101.
Anonymous. 2011 Web Sitesi. http://www.chembio.uoguelph.ca/educmat/chm729/afm/,
Erişim Tarihi:08.10.2011.
Anonymous. 2011 Web Sitesi. http://www.jpk.com/, Erişim Tarihi: 10.10.2011.
Anonymous. 2011 Web sitesi. http://www.ntmdt.com/. Erişim Tarihi: 09.10.2011.
Anonymous. 2011 Web Sitesi. www.parkafm.com , Erişim tarihi:11.10.2011.
Aroca, R. F. and Constantino, C. J. L. 2000. Surface-Enhanced Raman Scattering:
Imaging and Mapping of Langmuir-Blodgett Monolayers
Physically Adsorbed onto Silver Island Films. Langmuir, 16, 5425.
Binks, B. P. 1991. Insoluble monolayers of weakly ionising low molar mass materials
and their deposition to form Langmuir-Blodgett multilayers, Adv.
Colloid Interface Sci., Vol. 34, pp. 343.
Blodgett, K. B. 1935. Films built by depositing successive monomolecular layers on a
solid surface. Journal of the American Chemical Society, Vol. 57,
pp. 1007.
Bordia, A., Verma, S.K., Srivastava, K.C. 1996. Effect of garlic on platelet aggregation
in humans: a study in healthy subjects and patients with coronary
artery disease, Prostaglandins, Leukotrienes and Essential Fatty
Acids, Vol. 55, pp. 201.
Dugdale, D. and Dugdale D. E. 1993. Essentials of electromagnetism, American
Institute of Physics, New York., p. 84.
Dziri, L., Boussaad, S., Tao, N., Leblanc, R. M. 1998. Effect of pH on
acetylcholinesterase Langmuir and Langmuir–Blodgett films studied
by surface potential and atomic force microscopy, Thin Solid Films,
Vol. 327-329, pp. 56-59.
Eaton, P. West, P. 2010, Atomic Force Microscopy, Oxford, New York.
Gaines, G. I. J. 1966. Insoluble Monolayers at Liquid-Gas Interfaces. Wiley
InterScience, New York.
130 Gerber, A., Kohlstedt, H., Fitsilis, M., Waser, R., Reece, T. J., Ducharme, S., and Rije, E.
2006. Low-voltage operation of metal-ferroelectric-insulatorsemiconductor diodes incorporating a ferroelectric polyvinylidene
fluoride copolymer Langmuir-Blodgett film, J. Appl. Phys.
Vol. 100, pp. 024110.
Hui, S. W., Viswanathan, R., Zasadzinski, J. A., Israelachvili, J. N. 1995. The Structure
and Stability of Phospholipid Bilayers by Atomic Force Microscopy,
Biophysical Journal Vol. 68, pp. 171.
Hühnerfuss, H., Gericke, A., Neumann, V., Stine, K.J., 1996. The determination of the
molecular order of chiral monolayers at the air-water interface by
infrared reflection-absorption spectroscopy —A bridge between
physico- and biochemistry, Thin Solid Films, Vol. 284-285, pp. 694.
Jacobs, H. O., Leuchtmann P., Homan O. J. and Stemmer A. 1998. Resolution and
contrast in Kelvin probe force microscopy, J. Appl. Phys. Vol. 84,
pp. 1168.
Khan, Z. R., Zulfequar, M., Khan, M. S. 2010. Effect of Thickness on Structural and
Optical Properties of Thermally Evaporated Cadmium Sulfide
Polycrystalline Thin Films, Chalcogenide Letters, Vol. 7, pp. 431.
Kim, J. 2008. Synthesis, characterization, and catalytic application of gold
nanoparticles, Ph. D. Thesis, Western Michigan University.
Kilmova, S. 2011. Yazılı görüşme, Saratov Devlet Üniversitesi, Rusya.
Kolasinski, K. W. 2008. Surface Science: Foundations of Catalysis and Nanoscience
Wiley, New York.
Korkmaz, S. 2005. Characterization of CdS Thin Films and Schottky Barrier Diodes,
Yüksek Lisans tezi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi.
Kurnaz, M. L. and Schwartz, D. K. 1996. Skeletonization as a Probe of Interlayer
Correlations in Langmuir Blodgett Films, Langmuir Vol. 12,
pp. 4971.
Langmuir, I. 1917. The Constitution and Fundamental Properties of Solids and Liquids,
Journal of the American Chemical Society, Vol. 39, pp. 1848.
Langmuir, I., Blodgett K. B. 1937. Built-up Films of Barium Stearate and Their Optical
Properties, Phys. Rev., Vol. 51, pp. 964.
Lei C. H., Das A., Elliott M. and Macdonald J. E. 2004. Quantitative electrostatic force
microscopy-phase measurements, Nanotechnology, Vol. 15, pp. 627.
131 Lenzmann, F., Li K., Kitai A. H., Stover H. D. H. 1994. Thin-Film Micropatterning
Using Polymer Microspheres, Chem. Mater., Vol. 6, pp. 156.
Liess, H.D., Maeckel, R., Ren, J. 1997. The scanning Kelvin microscope with voltage
modulation: a new principle to image discrete surface potentials,
Surface and Interface Analysis, Vol. 25, pp. 855.
Mironov, V.L. 2004. Fundamentals of Scanning Probe Microscopy, The Russian
Academy of Sciences Institute of Physics of Microstructures,
Russia.
Muller, A. H. E., Borisov O. 2011. Self Organized Nanostructures of Amphiphilic
Block Copolymers II, Springer, Berlin Heidelberg New York.
Osvaldo, N., Oliveira Jr. 1992. Langmuir-Blodgett Films - Properties and Possible
Applications, Brazilian Journal of Physics, Vol. 22, pp. 60.
Petty, M. C. 1996. Langmuir-Blodgett films, Cambridge University Press, New York.
Pockels, A. 1891. Surface Tension, Nature, Vol. 46, pp. 437.
Pockels, A. 1892. On the relative contamination of the water surface by equal quantities
of different substances, Nature, Vol. 47, pp. 418.
Riegler, H., Spratte, K. 1992. Structural changes in lipid monolayers during the
Langmuir Blodgett transfer due to substrate/monolayer interactions,
Thin Solid Films, Vol. 210-211, pp. 9.
Riegler, J. E., LeGrange, J. D. 1988. Observation of a Monolayer Phase Transition on
the Meniscus in a Langmuir-Blodgett Transfer Configuration, Phys.
Rev. Lett., Vol. 61, pp. 2492.
Samori, P. 2006. Scanning Probe Microscopies Beyond Imaging: Manipulation of
Molecules and Nanostructures, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.
KGaA, Germany.
Shaw, D. J. 1980. Introduction to Colloid and Surface Chemistry, Butterworth & Co,
London.
Simon-Kutscher, J., Gericke, A., and Hühnerfuss, H. 1996. Effect of Bivalent Ba, Cu,
Ni, and Zn Cations on the Structure of Octadecanoic Acid
Monolayers at the Air−Water Interface As Determined by External
Infrared Reflection−Absorption Spectroscopy. Langmuir, Vol. 12,
pp. 1027.
132 Spratte, K., Riegler, H. 1991. Fluorescence microscopy studies of layer/substrate
İnteraction during the Langmuir-Blodgett transfer: Fractional
condensation and local layer modification in lipid monolayers at the
three-phase line, Makromol. Chem., Macromol. Symp., Vol. 46,
pp. 113.
Spratte, K., Chi, L. F., Riegler, H. 1994. Physisorption instabilities during dynamic
Langmuir wetting, Europhys. Lett. Vol. 25, pp. 211.
Spink, J. A. 1967. The transfer ratio of Langmuir-Blodgett monolayers for various
solids, Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 23, pp. 9.
Toma, O., Pascu, R., Dinescu, M., Besleaga, C., Mitran, T. L., Scarisoreanu, N.,
Antohe, S. 2011. New Investigations Applied On Cadmium Sulfide
Thin Films For Photovoltaiv Applications, Chalcogenide Letters,
Vol. 8, pp. 541.
Viswanathan R., Schwartz D. K., Garnaes J. And Zasadzinski J. A. N. 1992. Atomic
Force Microscopy Imaging of Substrate and pH Effects on
Langmuir-Blodgett Films, Vol. 8, pp. 1603.
133 ÖZGEÇMİŞ
Adı Soyadı
: Melike ARSLAN
Doğum Yer
: Nallıhan
Doğum Tarihi
: 15 / 09 / 1986
Medeni Hali
: Bekar
Yabancı Dili
: İngilizce
Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)
Lise
: Eskişehir Kılıçoğlu Anadolu Lisesi, 2004
Lisans
: Ankara Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Fizik Mühendisliği
Bölümü, Ankara, 2009
Çalıştığı Kurum/Kurumlar ve Yıl
Yüce Bilgi Sistemleri, Ankara, 2008
Radiation Source ELBE, Helmholtzzentrum Dresden, Rossendorf (HZDR),
Almanya, 2008
Ankara Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Manyetik Malzemeler Araştırma
Grubu, 2009
Yayınlar
1-
S. A. Klimova, M. Yavuz, S. V. Stetsyura, G. Durak, E. G. Glukhovskoy,
M. Arslan, S. B. Venig, Y. Elerman
“Scanning Probe Microscopy
Measurements of the Langmuir-Blodgett Organic Thin Films”
5.
Nanobilim ve Nanoteknoloji Konferansı (2009).
2-
S. A. Klimova, M. Yavuz, S. V. Stetsyura, G. Durak, M. Arslan, S. B.
Venig, Y. Elerman “Investigation of the LSH Thin Films with Different pH
134 by Scanning Probe Microscopy (AFM, EFM, SKM, SCM) Measurements”
5. Nanobilim ve Nanoteknoloji Konferansı (2009).
3-
S. A. Klimova, M. Yavuz, S. V. Stetsyura, M. Arslan, E. G. Glukhovskoy,
S. B. Venig, Y. Elerman “Investigation of CdS Langmuir-Blodgett Thin
Films by Using EFM Technique” 6. Nanobilim ve Nanoteknoloji
Konferansı (2010).
4-
S. A. Klimova, M. Arslan, S. V. Stetsyura, M. Yavuz, E. G. Glukhovskoy,
S. B. Venig “Electrical Force Microscopy and SKPM Investigations of Pb
Doped CdS Films” 6. Nanobilim ve Nanoteknoloji Konferansı (2010).
5-
O. Tozkoparan, O. Yıldırım, M. Arslan, E. Duman, Y. Elerman “Fe ve Ni
Nanoparçacıkların Manyetik Özelliklerinin İncelenmesi” 17. Yoğun Madde
Fiziği Ankara Toplantısı (2010).
6-
M. Arslan “Electrical characterization of CdS LB Thin Films” 3.
Uluslararası Nanoparçacık, Nanoyapılı Kaplamalar ve Mikrotaşıyıcılar:
Teknoloji, Özellikler ve Uygulamalar Konferansı (2011).
7-
M. Arslan, S. A. Klimova, I. V. Malyar, S. Venig, I. Dincer, Y. Elerman
“Quantitative Method for Obtaining Surface Potentials from EFM
Measurements” 7. Nanobilim ve Nanoteknoloji Konferansı (2011).
135