X-ray photoelectron spectroscopy for chemical and electrical characterization of devices extended to liquid/solid interfaces

Elektriksel ve elektrokimyasal aygıtları çalışma koşullarında incelemek, yeni teknolojilerin geliştirilmesi için hayati önem taşımaktadır. Bu tür aygıtların performansını belirleyen birçok önemli özellikleri, geri kalan kütle ile önemli ölçüde farklılıklar göstermekte olan yüzey ve ara yüzleri tarafından kontrol edilmektedir. Ancak, özellikle sıvı bazlı aygıtlar için, yüzey analizi yapmak zordur ve oldukça gelişmiş enstrümantasyon gerektirmektedir. Bu doktora tez çalışmasında, X-ışını fotoelektron cihazı içinde, geleneksel dielektrik malzemeler üzerindeki elektro-ıslanma konfigürasyonunda çok yüksek vakum uyumlu ve sulu olmayan sıvılar kullanılarak, alternatif ve doğru akım altında sıvı, dielektrik ve sıvı/katı arayüzler üzerindeki potansiyel oluşumların kimyasal çözünürlükle incelenmesi amaçlanmıştır. Düşük moleküler ağırlıktaki polietilen-glikol (PEG) ve özel bir iyonik sıvı (DEME-TFSI) kullanılarak iyonik olmayan ve tamamen iyonik olan sıvılar olmak üzere iki uç noktayı temsil eden sıvılar incelenmiştir. Veri toplanması sırasında üst ya da alt elektrottan aygıtlara harici bir elektriksel potansiyel uygulanarak, bu potansiyelin kimyasal olarak adreslenmiş bir şekilde ölçülebilmesi, elektro-ıslanma olayını hem kimyasal hem de elektriksel boyutlardan incelenebilmesini sağlamıştır. Tezin ilk bölümünde, elektro ıslanma sırasında damlacıkta meydana gelen geometrik değişiklikler, hem durağan alansal taramalar, hem de potansiyelin periyodik olarak değiştirildiği dinamik XPS nokta analizleri ile izlenmiştir. İkinci bölümde, sıvıların sadece DC altındaki elektro-ıslanmalarına odaklanılmıştır. Hem sıvıyı hem de dielektrik alt taşını temsil eden XPS tepelerinin bağlanma enerjisindeki değişimler, dışarıdan uygulanan elektriksel potansiyele göre izlenerek, hem dielektrik tabakadaki, hem de sıvının değişik bölgelerindeki potansiyel gelişmeleri tespit edilmiştir. Sıvının iletkenliğinin, sıvı/dielektrik ara yüzeyinde meydana gelen potansiyel dağılımı üzerinde hiçbir etkisinin olmadığı gösterilmiştir. Ayrıca, dielektrik bozulma ve bunun sıvı üzerindeki potansiyel gelişimi üzerine etkisi de bu bölümde incelenmiştir. Üçüncü bölümde, iyonik sıvı ve polietilen glikol bazlı aygıtların frekansa bağlı AC elektro-ıslanma sırasındaki potansiyel gelişmeleri incelenmiştir. AC uyarımı altında frekans taraması ile yapılan zamana bağlı XPS ölçümleri; aygıtların, sıvının direncine veya iyonik içeriğine ve ayrıca dielektrik tabakanın elektriksel özelliklerine bağlı olan kritik bir frekansla ayrılan, iki farklı davranış sergilediğini göstermiştir. Kritik frekanstan düşük değerlerde, XPS spektrumları esas olarak dielektriğin kapasitif bileşeni tarafından belirlenmekte olup, dolayısıyla sıvı uygulanan elektrik alanını tamamen bloke etmektedir. Bununla birlikte, kritiğin üzerindeki frekanslar için, sıvının direnci baskındır ve damla, bir direnç şeridi gibi davranmaktadır. Bu davranışın sonucunda oluşan eş potansiyel yüzey konturları da ilk kez deneysel olarak bu çalışmada gösterilmiştir. Tezin son bölümünde, araştırılan sistemi elektriksel olarak tanımlamak ve aynı XPS spektral gözlemini tekrarlayabilmek için kullanılacak olan ve katı hal direnç ve kapasitörlerden oluşan bir taklit cihaz üretmek için eşdeğer bir devre modeli geliştirilmiştir.