Şakir Erkoç
advertisement
Nanobilim ve Nanoteknoloji Şakir Erkoç Fizik Bölümü; ODTÜ, 06800 Ankara erkoc@metu.edu.tr http://erkoc.physics.metu.edu.tr 27 Ocak 2014 1 METU Department of Physics, ANKARA 2 METU Department of Physics, ANKARA Teknolojide ölçmek önemlidir. İlk hassas ölçüm aleti: Kumpas 3 METU Department of Physics, ANKARA Teknolojide ölçmek önemlidir. Daha hassas ölçüm aleti: Mikrometre 4 METU Department of Physics, ANKARA Teknoloji adı ölçüm hassasiyeti ile anılır: Mikrometre hassasiyette: Mikron teknolojisi Nanometre hassasiyette: Nanoteknoloji 5 METU Department of Physics, ANKARA 6 METU Department of Physics, ANKARA YIL 7 METU Department of Physics, ANKARA Nanoteknolojinin ilgilendiği büyüklükler ortalama 100 nanometre mertebesindedir. Nanoteknoloji ürünü olarak geliştirilen aygıtların ve/veya cihazların büyüklükleri ortalama 100 nanometre mertebesindedir. Nanometre (nm) ne kadar büyüktür veya küçüktür? 8 METU Department of Physics, ANKARA Nanometrenin küçüklüğünü kavrayabilmek için 10‟un kuvvetlerinde bir gezinti yapalım: Aşağıdaki resmin bir kenarının uzunluğu 1 metre. 1 metre = 1 milyar nanometre ; 1 m = 109 nm 9 METU Department of Physics, ANKARA Aşağıdaki resmin bir kenarının uzunluğu 0.1 metre. 0.1 m = 10-1 m = 100 milyon nanometre = 108 nm 10 METU Department of Physics, ANKARA Aşağıdaki resmin bir kenarının uzunluğu 0.01 metre. 0.01 m = 10-2 m = 10 milyon nanometre = 107 nm 11 METU Department of Physics, ANKARA Aşağıdaki resmin bir kenarının uzunluğu 0.001 metre. 0.001 m = 10-3 m = 1 milyon nanometre = 106 nm 12 METU Department of Physics, ANKARA Aşağıdaki resmin bir kenarının uzunluğu 0.0001 metre. 0.0001 m = 10-4 m = 100000 nanometre = 105 nm 13 METU Department of Physics, ANKARA Aşağıdaki resmin bir kenarının uzunluğu 0.00001 metre. 0.00001 m = 10-5 m = 10000 nanometre = 104 nm 14 METU Department of Physics, ANKARA Aşağıdaki resmin bir kenarının uzunluğu 0.000001 metre. 0.000001 m = 10-6 m = 1000 nanometre = 103 nm 15 METU Department of Physics, ANKARA Aşağıdaki resmin bir kenarının uzunluğu 0.0000001 metre. 0.0000001 m = 10-7 m = 100 nanometre = 102 nm NANOTEKNOLOJĠ ÜRÜNLERĠNĠN BÜYÜKLÜKLERĠ BU MERTEBEDE!.. 16 METU Department of Physics, ANKARA Aşağıdaki resmin bir kenarının uzunluğu 0.00000001 metre. 0.00000001 m = 10-8 m = 10 nanometre = 10 nm 17 METU Department of Physics, ANKARA Aşağıdaki resmin bir kenarının uzunluğu 0.0000000001 metre. 0.0000000001 m = 10-10 m = 0.1 nanometre = 10-1 nm 18 METU Department of Physics, ANKARA Bazı nesnelerin büyüklüğü Karınca Kan hücreleri DNA molekülü Atom 19 METU Department of Physics, ANKARA “Nano” Zaman Şeridi • • • • • • • • • • 1959: Richard Feynman’ın meĢhur konuĢması. 1974: İlk moleküler elektronik aygıt patenti verildi. 1981: Binnig ve Rohrer’in TTM’u icatları. 1985: Curl, Kroto, Smalley’in C60’ı keĢifleri. 1986: AKM’nun icadı. 1986: Drexler‟in “Engines of Creation” kitabı yayınlandı. 1987: Elektrik iletkenliğinin kuantlaşma özelliği ölçüldü. 1987: İlk tek elektron transistor yapıldı. 1988: İlk suni protein yapıldı. 1989: IBM yazısı 35 Xe atomu ile kristal yüzeyine yazıldı. 20 METU Department of Physics, ANKARA 35 Xe atomu ile IBM yazısı kristal yüzeyine yazıldı; 1989. 21 METU Department of Physics, ANKARA “Nano” Zaman Şeridi (devam) • 1991: Iijima’nın çok duvarlı karbon nanotüpleri keĢfi. • 1993: Iijima’nın grubu ilk tek duvarlı karbon nanotüpü izole etti. • 1993: İlk nanoteknoloji laboratuvarı ABD‟de kuruldu. • 1997: Nanomekanik aygıtlarda ilk defa DNA kullanıldı. • 1998: Dekker grubunun TUBEFET‟i yapması. • 1999: İlk moleküler elektronik anahtar yapıldı. • 2000: Nanoteknoloji araştırmaları için ABD‟de 422 M$ kaynak ayrıldı. • 2001: Nanotüplerden ilk mantık devreleri yapıldı. • 2001: ZnO nanotel lazeri yapıldı. • 2002: Superörgü nanoteller yapıldı. • 2005: Nanoaraba yapıldı. 22 METU Department of Physics, ANKARA Tek bir molekülden nanoaraba yapıldı. Y. Shira/Rice University (2005) 23 METU Department of Physics, ANKARA Karbon nanotüp devresi ve insan saçının mukayesesi. 24 IBM http://nanotetchweb.org 23 Mart 2006 METU Department of Physics, ANKARA Nanofiber ile insan saçının mukayesesi: 25 METU Department of Physics, ANKARA “AĢağıda daha çok yer var: Yeni bir fizik alanına davet” Richard P. Feynman 29 Aralık 1959 „da yaptığı bir konuşma ile nanoteknolojinin ilk habercisi oldu. American Physical Society California Institute of Technology (Caltech) http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html 26 METU Department of Physics, ANKARA Richard P. Feynman‟ın 1959‟daki öngörüleri: • 24 ciltlik bir ansiklopediyi bir topluiğnenin baĢına neden yazamayalım? • Küçük ölçekte bilgi depolama • Daha iyi elektron mikroskopları • Fevkalade biyolojik yapılar • Bilgisayarları minyatürleĢtirme • BuharlaĢtırma yolu ile minyatürleĢtirme (nano üretim) • Sürtünme problemleri • Yüzlerce minik el (nano üretim) • Atomları düzenlemek • Küçük dünyada atomlar 27 METU Department of Physics, ANKARA Feynman, liselerde yarıĢmalar düzenleyerek öğrencilerin merakı çekilebilir diyordu. ġöyle hayali bir yarıĢma önermiĢti: A lisesinin öğrencileri bir toplu iğnenin başına ”Nasıl, iyi mi?” yazısını yazarlar, B lisesine gönderirler. B lisesinin öğrencileri de “i”nin noktasının içine “O kadar da değil!” yazısını yazıp gönderirler. ... Hatta “belki paralı ödüller daha etkili olabilir” diyerek kendisi para ödüllü bir yarışma önerdi. Dünyanın en küçük çalışan elektrik motorunu kim yaparsa 1000 $ para ödülü vereceğini söyledi. 28 METU Department of Physics, ANKARA Dünyanın en küçük ilk elektrik motoru Richard Feynman, William McLellan (soldaki) tarafından yapılan ilk mikromotora optik mikroskopla bakıyor. (1960). Resimde mikromotor topluiğne başı ile mukayese ediliyor. (Caltech. arşivi) 29 METU Department of Physics, ANKARA Günümüzde Feynman‟ın öngörülerinin çoğu gerçekleşmiş durumda, örneğin “Dip-Pen Nanolithography” yöntemi ile yazılmış bir yazı örneği görüntüsü aşağıda görülüyor. (Kaynak: http://www.nanotech-now.com/basics.htm) 30 METU Department of Physics, ANKARA 31 METU Department of Physics, ANKARA Bilgisayar disklerinin inanılmaz küçülmesi (Bilgisayar teknolojisinin 45 yılda geldiği nokta!..) 1956 IBM Ramac 305 2000 IBM Microdrive Kapasitesi: 5 MB Büyüklüğü: 50 x 24 inç disk Ağırlığı: yaklaĢık “bir ton” Değeri: $50,000 1 GB 1 x 1 inç disk 1 oz (yaklaĢık 450 gram) $500 32 Nanoteknoloji sayesinde bu geliĢme daha da ileriye gidecek!.. METU Department of Physics, ANKARA Elektronik devre elemanlarının boyutlarının zamanla değiĢimi 33 METU Department of Physics, ANKARA Neden “Nano”ya hücum? Nanometre ölçeğinde fizik ve kimyada yapılan çalışmaların sonucunda: - daha küçük ve daha hızlı elektronik cihazlar, - daha çok işlevli, daha sağlam ve daha hafif malzemeler, - biyolojik ve tıbbi araştırmalarda kullanılabilecek daha hızlı ve güvenilir aygıt yapımı ve tümörlerin tesbitinde yeni kimyasal malzeme üretimi, - bir kütüphane dolusu kitap bilgisini bir kesme şeker büyüklüğündeki hacim içine sığdırma, - yeni malzeme tasarımları yapılabilir. 34 METU Department of Physics, ANKARA “Nanoteknoloji”ye gidiĢi sağlayan etmenler: • Cihazların fiziki boyutlarını küçültmek; • Malzemede yüzey/hacim oranını büyüterek yüzey etkisini arttırmak (kataliz‟de olduğu gibi); • Biyolojik nesnelerin inorganik nanoyapılar içine konmasıyla çeşitli algılayıcılar ve işlevli nanoyapılar oluşturmak; • Düşük boyutlu yapılarda yeni özelliklerin oluşması; • Fizik kanunlarının nanoyapılarda doğrudan gözlenebilmesi. 35 METU Department of Physics, ANKARA Nanoölçekte ölçme daha da önemlidir! Bu maksatla çeĢitli mikroskoplar geliĢtirilmiĢtir: TTM: Taramalı Tünellemeli Mikroskop TEM: Taramalı Elektron Mikroskobu TEM: Tünellemeli Elektron Mikroskobu AKM: Atomik Kuvvet Mikroskobu Mikroskopları icat eden bilim adamları. 36 METU Department of Physics, ANKARA Taramalı Tünellemeli Mikroskop Verdiği görüntüler TTM şematik gösterimi 37 METU Department of Physics, ANKARA 38 METU Department of Physics, ANKARA Atomik Kuvvet Mikroskobu Verdiği görüntüler AKM şematik gösterimi 39 METU Department of Physics, ANKARA Nanoteknoloji alanları • Nanoelektronik cihazlar– nanoelektronik, nanotüpler, tek-molekül anahtarlar • Manyetik kayıt uygulamalar için büyük manyetodirenç • Nanokompozitler: nanoparçacık katkılı polimerler / fiberler • Nanoyapılı katalizler • İlaç taşıyıcı yapılar • Biyoalgılayıcılar • Su arıtmak için nanogözenekli filtreler Nanoteknoloji alanları bunlarla sınırlı değil!.. 40 METU Department of Physics, ANKARA Nanoteknolojinin günümüzdeki değişik uygulamaları: 41 METU Department of Physics, ANKARA Nanoteknolojinin etkileyeceği alanlar: M. Bayındır 42 METU Department of Physics, ANKARA “Nano Ġmalât” Nanoyapıları imal etme yöntemleri: Nanoüretim Yukarıdan-AĢağıyaYöntemi AĢağıdan-Yukarıya Yöntemi Nanoyapıların makroyapılardan üretilmesi Nanoyapıların atomların veya moleküllerin dizilmesiyle oluşturulması 43 METU Department of Physics, ANKARA 44 METU Department of Physics, ANKARA 45 METU Department of Physics, ANKARA M. Bayındır 46 METU Department of Physics, ANKARA ĠĢin Bilim Tarafı • Nanoyapılar (< 30 nm) ilgi çekici bir araĢtırma alanı oluĢturuyor: – Bu ölçekte yeni fiziksel olaylar olur – Yeni yapılar (büyüklüğe bağlı özellikler gözlenebilir) – Yeni uygulama alanları olabilir (optik, elektronik, termoelektrik, manyetik kayıt, vs.) • Nanoyapıların oluĢturulmasıyla düĢük-boyutlu yapıların ilginç fiziksel özellikleri farkedildi, bu yapılar 3B yapılarından farklı fiziksel özellikler gösterir 47 METU Department of Physics, ANKARA Malzemelerde “boyut” Malzemenin boyutuna göre elektronik özellikleri değişiklik gösterir. 48 METU Department of Physics, ANKARA Bir-boyutlu (1B) Nanoyapılar ÇeĢitli Olabilir: Herbiri farklı yapı ve özelliklere sahip, dolayısı ile seçim önemli (a) Bi Nanotel Dresselhaus Grubu (MIT) (b) Bi Nanotüp Peidong Yang UC Berkeley (c) Bi Atom-dizisi K. Miki 49 ETL, Japan METU Department of Physics, ANKARA Altın; normal halinde hiçbir madde ile etkileĢime girmez, zaten bu özelliğinden dolayı mücevher olarak kullanılır. Ancak altın nanoparçacıkları hemen hemen her madde ile etkileĢime girer!.. Nano ölçekte maddenin özellikleri değiĢiyor! 50 METU Department of Physics, ANKARA 51 METU Department of Physics, ANKARA KATALĠZ ĠġLEMĠNDE PARÇACIK (KATALĠZÖR) BÜYÜKLÜĞÜ ÖNEMLĠ Yüzey atomlarının hacim atomlarına oranı parçacık büyüklüğüne bağlı Yüzey atomlarının çok olması kataliz iĢlemini hızlandırır 52 METU Department of Physics, ANKARA ZnO (çinko oksit) Nanoteller ile yapılan Nano-Lazer Nanotel UV Nanolazeri UV Lazer Çıktısı VSL ile büyütülmüş ZnO nanoteller Intensity (a.u.) Uyarılma 370 380 390 400 Wavelength (nm) Peidong Yang et al ZnO nanotelin yayılma 53 tayfı (emisyon spektrumu) METU Department of Physics, ANKARA Nanotel Hafıza (Duan et al., Nano Lett. 2, 487) 54 METU Department of Physics, ANKARA Nanotel Mantık Devreleri 2(p-Si) ile 1(n-GaN) kesişen nanotel eklemi ile oluşturulmuş VEYA mantık devresi 1(p-Si) ile 3(n-GaN) kesişen nanotel eklemi ile oluşturulmuş VE mantık devresi Ölçek: 1m 55 (Huang et al., Science 295, 1313) METU Department of Physics, ANKARA Moleküllerden oluşturulmuş hafıza elemanı örneği: 56 METU Department of Physics, ANKARA Karbon Nanoyapılar 3B: elmas; 2B: grafit; 1B: nanotüp; 0B: nanotop 57 METU Department of Physics, ANKARA Karbon Nanotoplar (“Fullerene”ler): C8 C20 C4 0 C60 58 METU Department of Physics, ANKARA Karbon nanotopları (özellikle C60) ilk sentezleyen bilim adamları: 59 METU Department of Physics, ANKARA Karbon topları farklı büyüklüklerde olabilir. En çok C60 oluşuyor. “Coranulene” molekülü karbon toplarının bir parçası gibi görünüyor. C540 C60 C70 Coranulene - C60 60 METU Department of Physics, ANKARA Karbon nanotoplardan oluĢturulmuĢ kristal yapılar, iĢlevsel yapılar. 61 METU Department of Physics, ANKARA Nanotoplardan oluşmuş kristal yapı modelleri: 62 METU Department of Physics, ANKARA KARBON NANOTÜPLER: Sumio Iijima Karbon nanotüpü ilk (1991) sentezleyen bilim adamı. 63 METU Department of Physics, ANKARA Grafit plakaların kıvrılması ile oluĢurlar. 64 METU Department of Physics, ANKARA Karbon nanotüpler grafit plakanın kıvrılma yönüne göre adlandırılırlar: 65 METU Department of Physics, ANKARA Tek duvarlı karbon nanotüpler: 66 METU Department of Physics, ANKARA 67 METU Department of Physics, ANKARA 68 METU Department of Physics, ANKARA Grafit plakanın kıvrılma yönüne göre oluşan farklı karbon nanotüp (KNT) modelleri. 69 METU Department of Physics, ANKARA Karbon nanotüp eklem modelleri: Y Ģekilli eklemler. 70 METU Department of Physics, ANKARA 71 METU Department of Physics, ANKARA Karbon nanotüp (KNT) eklem modelleri: 72 METU Department of Physics, ANKARA Karbon nanotüp (KNT) yapıları çok Sağlam ve esnektir. 73 METU Department of Physics, ANKARA Karbon nanotüp (KNT) yapıları çok sağlam ve esnektir. Bükülerek, kıvrılarak yapıları bozulmaz. 74 METU Department of Physics, ANKARA Karbon nanoyapıların farklı örnekleri: Nanotorus Nanohelis Nanotorus 75 METU Department of Physics, ANKARA Çeşitli silisyum (Si) nanoyapı örnekleri. 76 METU Department of Physics, ANKARA Dünyanın en küçük zincirli diĢli takımı (Sandia’da üretildi) 77 (İki zincir halkası arasındaki mesafe 50 mikron. İnsan saçının çapı yaklaşık 100 mikron.) METU Department of Physics, ANKARA 78 METU Department of Physics, ANKARA Çeşitli nanoyapı modelleri: Nanotüpler Nanoeklem örnekleri. Nanotüp yapılar sadece karbondan oluşmaz, başka atomlar da tüp yapı oluşturabilir. Nano elektromekanik sistem (NEMS) örnekleri. 79 METU Department of Physics, ANKARA Nanorulman modelleri 80 METU Department of Physics, ANKARA Nanorotor modelleri: 81 METU Department of Physics, ANKARA Karbon nanotüp ve nanodişliden oluşturulmuş nanoçark modeli: 82 METU Department of Physics, ANKARA Nano diĢli kutusu modeli: 83 METU Department of Physics, ANKARA Çeşitli nano makine parçası modelleri: 84 METU Department of Physics, ANKARA Nanomıknatıs (molekül mıknatısı) örnekleri: 85 METU Department of Physics, ANKARA Nanotüplerin Uygulamaları: Tarama iğneleri (uçları) ve Elektronik • • • • TTM/AKM iğneleri (uçları) DNA‟nın doğrudan incelenmesi Yarıiletken aygıtlar Alan Yayıcıları Transistor Alan Yayıcılar S.J. Tans et al. Nature, 393, 49 (1998) Biyolojik moleküllerin görüntüsü Yeni Malzemeler Immunoglobulin G’nin nanotüp iğneli AKM görüntsü Nanotüp içinde Fullerene C60 86 METU Department of Physics, ANKARA 87 METU Department of Physics, ANKARA Hidrojen depolamak için karbon nanotüpler: • • • Diğer karbon nanoyapılarına göre daha fazla hidrojen depolama kapasitesi: - tek duvarlı yapı - çoklu tutunma yerleri - muntazam dizilmişse büyük paketleme yoğunluğu - 80 K‟da saf malzemelerde 8 wt% - oda sıcaklığında 7 wt% Önemli hususlar: - ürünlerde çok çeşitlilik - ucuz maliyetle çok miktarda saf malzeme (nanotüp) üretimi - işlemlerde belirsizlikler az Hidrojeni yerleştirmede ve çıkarmada az enerji gerektirir. B. Pradhan, et al 2001 Karbon nanotüplerde tekrarlanabilirlik önemli bir husustur. 88 METU Department of Physics, ANKARA ĠĢlevsellik kazandırılmıĢ tek duvarlı karbon nanotüp örnekleri: 89 METU Department of Physics, ANKARA Katot ışını tüpleri (CRT) yerine alan yayıcı diyotlar (FED) CRT Display FED Display Cathode Cathode Phosphor Screen Anode Çok yer kaplar, çok enerji harcar. Anode Phosphors Az yer kaplar, az enerji harcar. 90 METU Department of Physics, ANKARA 91 METU Department of Physics, ANKARA Karbon nanotüpler su arıtmada da kullanılabilir: 92 METU Department of Physics, ANKARA Karbon nanotüpler molekül dedektörü olarak da kullanılabilir: Nanoteknoloji ürünü dedektörler ile tek bir molekülü bile algılamak mümkün!.. 93 METU Department of Physics, ANKARA Nanoteknoloji ürünü robotların hastalıkların tedavisinde kan damarlarında işe yarayacakları hayal edilmektedir. 94 METU Department of Physics, ANKARA 95 METU Department of Physics, ANKARA 96 M. Bayındır METU Department of Physics, ANKARA TÜRKĠYE’DE ARAġTIRMA ĠÇĠN PARA KAYNAKLARI: • Üniversitelerde araştırma ve tez projeleri (BAP1, BAP2, vs.) • TÜBİTAK projeleri (araştırma, kariyer, vs.) • DPT projeleri • TTGV projeleri (Türkiye Teknoloji Geliştirme Vakfı) • AB projeleri (FP6, FP7, EUREKA, vs.) • Uluslararsı işbirliği ile sağlanan projeler • Diğer Kamu Kuruluşlarının desteklediği projeler (Milli Savunma, Havacılık, Haberleşme, vs.) • Özel sektör Ar-Ge kurumları 97 METU Department of Physics, ANKARA TÜRKİYE‟DE AR-GE YATIRIMLARI M. Bayındır 98 METU Department of Physics, ANKARA ODTÜ’DE NANOBĠLĠM VE NANOTEKNOLOJĠ ÇALIġMALARI •Nanoyapıların kararlılığı, bilgisayar modellemeleri •Algılayıcı uygulamaları için ferroelektrik ince filmlerin mikronaltı boyutlarda üretimi •Nano yapılı çok katmanlı hibrid yüzey kompozitlerin üretimi •Nanokristal çalıĢmaları •Hidrojen depolama çalıĢmaları •Mikroelektromekanik sistem (MEMS) çalıĢmaları •Nanobiyoteknoloji çalıĢmaları •Kataliz çalıĢmaları 99 METU Department of Physics, ANKARA SON SÖZ “NANOBĠLĠM VE NANOTEKNOLOJĠ” DĠSĠPLĠNLER ARASI BĠR SAHA TEMEL BĠLĠMLERĠN FĠZĠK , KĠMYA , BĠYOLOJĠ VE UYGULAMALI BĠLĠMLERĠN MALZEME & METALÜRJĠ MÜHENDĠSLĠĞĠ ELEKTRĠK & ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ KĠMYA MÜHENDĠSLĠĞĠ MAKĠNE MÜHENDĠSLĠĞĠ BĠLGĠSAYAR MÜHENDĠSLĠĞĠ ORTAK ÇALIġMASI ĠLE GELĠġTĠRĠLEBĠLĠR VE UYGULANABĠLĠR! 100 METU Department of Physics, ANKARA İlginiz için teşekkürler!.. 101
