Yüksek enerjili ağır iyonlar ile bombardıman edilmiş grafitik yüzeylerin ve yeni grafen cihazlarının araştırılması

Malzemelerin fiziksel özelliklerini değiştirmek için kontrollü şekilde atomik ölçekte kusur oluşturmak uzun yıllardır araştırılmaktadır. Özellikle son yıllarda grafen gibi iki boyutlu malzemeleri kullanarak çok küçük elektronik devre elemanları (nanometre mertebesinde) üretme çalışmaları, bu malzemelerde kontrollü kusur oluşturma gerekliliğini ortaya çıkarmıştır. Bu tarz yapılarda tek bir atomdan dolayı oluşan kusurlar dahi malzemenin tüm elektronik karakteristiğini değiştirebilmektedir. Çok küçük ölçekte yapay bir şekilde kusur oluşturmanın yollarından biri yüksek enerjili ağır iyonlarla bombardımanlamaktır. Bu çalışmanın ilk aşamasında yüksek enerjili ağır iyonlarla (uranyum ve kurşun) bombardıman edilmiş çok düzenli pirolitik grafit (highly oriented pyrolytic graphite (HOPG)) yüzeyler Taramalı Tünelleme Mikroskobu (TTM) ile çalışılmıştır. Aynı zamanda bir grafen katmanının diğer grafen katmanları üzerinde dönmesi ya da kayması ile oluşan moiré yapıları aynı iyonlarla bombardıman edilmiş ve TTM ile çalışılmıştır. İlk sonuçlarımızdan biri dik olarak bombardıman edilmiş grafitik yüzeylerde oluşan kusurların beklenilenin aksine sadece nokta şeklinde değil, aynı zamanda farklı boyutta ve şekillerde oluşması olmuştur. Bu durum bombardıman kaynağı olan iyon demetinin geliş açısının lokal varyasyonlarının olabileceği gibi aynı zamanda bombardıman edilen bölgenin morfolojik özelliklerinin bombardıman sonucu kusur oluşumunu etkileyebileceğini göstermiştir. Bir diğer çalışmamız yüzey normaline göre 80o geliş açısıyla yapılan yüksek enerjili ağır iyon bombardımanın sonucunda oluşan kusurları incelemek üzerine oldu. Bombardıman deneyleri sonucunda literatürdeki çalışmalara benzer şekilde kuyruklu yıldız şeklinde kusurlar TTM ile görüntülenmiştir. Bu yapıların kuyruk kısmında TTM ile atomik çözünürlük alınabilmiştir. Bu durum iyonun grafitik yüzeyin derinliklerinde seyahat ederken yüzey katmanlarına hasar vermediğinin bir göstergesidir. Kuyruklu yıldız şeklindeki yapıların kuyruk kısımlarında morfolojik bir değişiklik olmamasına rağmen TTM ile gözlemlenebilmesi TTM'nin hem elektronik hem de morfolojik değişiklikleri görebilmesinden dolayı bu kuyruk kısımlarının yüzeyde elektronik bir değişikliğe sebep olduğu ve TTM ile bu değişikliklerin yükseklik farkı olarak görüldüğüne bir örnek teşkil etmektedir. Ayrıca, kuyruklu yıldız şeklindeki yapıların kafa kısımlarında TTM ile atomik çözünürlük elde edemediğimizden, bu kısımların yüzeyde oluştuğunu ve yüzey katmanlarının hasar görmesine neden olduğunu söyleyebilmekteyiz. Ayrıca farklı üreticilerden alınan çok düzenli pirolitik grafit kristallerinin bombardıman edilmesi sonucu kuyruklı yıldız biçimindeki kusurların, özellikle kafa yapılarının, şeklen farklılık gösterebileceği görülmüştür. Literatürde; HOPG'nin alt katmanlarında çeşitli kusurlar bulunabildiği ve bu kusurların HOPG'nin elektronik yapısını değiştirebildiği hakkında çeşitli çalışmalar bulunmaktadır. Farklı üreticilerden aldığımız farklı HOPG kristalleri üzerinde yaptığımız çalışmalar, kusur oluşumlarının farklı kalitedeki kristallerde değişebileceğini göstermiştir. Kuyruklı yıldız şeklindeki kusurların kafa yapılarındaki değişimlerin bize gösterdiği; kristalin alt katmanlarındaki elektronik veya morfolojik değişikliklerin yüksek enerjili ağır iyon ile etkileşim sürecinde etkisi olduğu ve bu etkileşim sonucu yüzeyde oluşan morfolojik değişimin (kuyruklı yıldız şeklindeki kusurun kafa yapısı) şekline ve boyuna etki ettiğini bize göstermiştir. Bu durum iyonun sadece yüzey ile değil aynı zamanda kristalin alt katmanlarıyla da etkileşiminin kusur oluşumuna etkide bulunabileceği bilgisini vermektedir. Son yılların popüler malzemelerinden biri olan grafenin sıyırma açısı ile gelen yüksek enerjili ağır iyonlarla bombardımanı literatürde sıklıkla çalışılmaktadır. Bu çalışmalar sonucu görülen; dielektrik üzerinde bulunan grafen katmanlarının sıyırma açısı ile gelen yüksek enerjili ağır iyonlarla bombardımanı sonucu grafen katmanının yırtılıp açılması durumu bir çok araştırmacı tarafından gözlemlenmiştir. Fakat bu yırtılıp açılma durumunun gönderilen iyon demetiyle grafenin doğrudan etkilişiminden mi yoksa iyonun alttaş ile etkileşimi sonucu alttaşta oluşan kusurun grafeni zorlayıp yırtmasından dolayı mı olduğu hala açık değildir. Literatürdeki çoğu rapora göre moiré yapıları grafen katmanları üzerinde bağımsız duran başka bir grafen katmanı gibi davranabilmektedir -başka bir deyişle doğal alttaşı üzerinde duran grafen katmanı- moiré yapılarının bu özelliği grafenin kendi doğal alttaşı üzerinde çalışılabilmesine olanak sağlamaktadır. Ayrıca farklı moiré yapılarının elektronik olarak farklılık gösterebileceği de yine literatürde oldukça tartışılmaktadır. Bu özellikler moiré yapılarını; hem doğal alttaşı üzerinde duran grafenin yüksek enerjili ağır iyonlarla bombardıman edilmesi çalışmaları için hem de HOPG kristali üzerinde veya altkatmanlarında oluşan lokal elektronik değişimlerin bombardıman sonuçlarına etkilerini çalışmak için elverişli kılmaktadır. TTM sonuçlarımız bize moiré yapılarının yüzey normaline göre 80o ve 87.5o açısı ile gelen yüksek enerjili ağır iyonlarla bombardıman edildiği zaman dielektrik üzerindeki grafen katmanlarında olduğu gibi yırtılma veya açılmaya uğramadığını göstermiştir. Bu durum grafenin yırtılmasındaki alttaş etkisini kanıtlamaktadır. Sonuçlarımız göstermiştir ki; yüksek enerjili ağır iyon bombardımanı sonucu kusur oluşumu kristalin alt katmanlarından başlamakta ve yüzeyde kusur oluşumuna sebep olmaktadır. Çalışmalarımız göstermiştir ki, literatürde bahsedilen dielektrik üzerinde bulunan grafen filminin yüksek enerjili ağır iyonlarla bombardımanı sonucu meydana gelen grafen filminin yırtılma ve açılma durumu, yüksek enerjili ağır iyon ile grafenin doğrudan etkileşimi sonucu değil, iyon ile dielektrik alttaşın etkileşimi ile oluşan kusurların grafenin yırtılmasına sebep olması sonucu meydana gelmektedir. Gözlemlerimizin çoğu dik geometri ile bombardıman edilen moiré yapılarının da aynı şekilde hasarsız kaldığı ve HOPG üzerindeki kusurlara benzer kusurların oluştuğu yönünde olmuştur. Fakat, moiré yapıları üzerinde oluşan kusurlar aynı bölgede bulunan ve HOPG üzerinde oluşan kusurlardan daha küçük görülmüştür. Bu durum moiré yapılarının yüksek enerjili ağır iyon ile etkileşimde bulunurken iyonun enerjisinin bir kısmını dağıttığı ve daha küçük kusur oluşumuna neden olduğunu göstermektedir. Ender de olsa bazen dik geometri ile bombardıman edilmiş moiré yapılarının delinebildiği gözlemlenmiştir. Ayrıca bu moiré yapılarının periyotlarının da yapı üzerindeki farklı noktalarda değişiklik gösterebileceği görülmüştür. Bizim düşüncemiz, HOPG'nin derinliklerindeki elektrostatik varyasyonların buna neden olduğudur. Eğer moiré yapısı daha yalıtkan özellikteki HOPG bölgesinin üzerinde bulunuyorsa bombardıman sonucu delinebilmekte, daha iletken özellikteki HOPG bölgesinin üzerinde bulunuyorsa delinmeden temiz HOPG'dekine benzer kusur barındırabilmektedir. Bir başka çalışmamız yırtılma açısı ile bombardıman edilen grafitik yüzeylerde oluşan kuyruklu yıldız yapısındaki kusurların tribolojik özelliklerini araştırmak idi. Bu çalışma için bombardıman edilmiş grafitik yüzeyleri Sürtünme Kuvvet Mikroskobisi (SKM) ile araştırdık. SKM sonuçlarımız TTM sonuçlarımız ile benzer sonuçlar göstermiştir. Gözlemlerimize göre kuyruklu yıldız şeklindeki yapıların kafa kısımları simultane şekilde alınan sürtünme kuvveti ve topografi haritalarında görülmüştür. Fakat ilginç bir şekilde kuyruklu yıldız yapısındaki kusurların kuyruk kısımları sürtünme kuvveti haritasında görülebilmesine rağmen topografi haritasında görülememektedir. Önceden bahsettiğimiz gibi kuyruklı yıldız yapılarının kuyruk kısımları TTM ile görülebilmekte hatta üzerlerinde atomik çözünürlük alınabilmektedir ki bu durum TTM'nin doğası gereği kuyruk kısımlarının elektronik bir yükseklik farkına neden olduğunu gösterebilir. Bu iki sonucu kombine edersek kristalin derinliğinden gelen elektronik kaynaklı bir etkinin yüzeyde tribolojik bir farka neden olduğunu söyleyebiliriz ki bu iki yüzey arasındaki sürtünmenin sadece yüzeyden değil aynı zamanda kristalin aşağı katmanlarının oluşturduğu bir etkiden de kaynaklanabileceğini göstermektedir. Tezin ikinci aşamasında Kimyasal Buhar Biriktirme (KBB) yöntemi ile bakır folyolar üzerinde büyütülerek kuvars ya da cam plakalar üzerine aktarılmış grafenden transparan ısıtma elemanları yapımı çalışılmıştır. Grafen aktarma prosedürü olarak ıslak kimyasal yöntem kullanılmış ve amacımıza göre geliştirilmiştir. Önceki çalışmalaramızda; KBB ile bakır folyo üzerinde grafen büyümesi sırasında, nokta ya da denritik yapıda silikon-oksit nanoparçacıkların oluştuğunu gözlemlemiştik. Geliştirdiğimiz aktarma yöntemiyle, grafen filmleri ile birlikte silikon-oksit nanoparçacıkların da bir yüzeyden başka bir yüzeye aktarılabildiğini gördük. Aktarma işleminin ardından, cam ve kuvars üzerindeki grafenlere bakır folyo ve iletken epoksi yardımı ile kontak alınarak dirençleri kΩ mertebesinde ölçülmüştür. Bu mertebedeki dirençler bize, grafen filmlerimizi ısıtma elemanı olarak kullanma olanağını araştırma fikrini verdi. Cam ve kuvars üzerindeki grafeni ısıtma deneyi sonuçlarımız; üzerinden akım geçirilen transparan grafen ısıtma elemanının çok yüksek sıcaklıklara (310o) çok düşük güç tüketimiyle (27.2 Watt) çıkabildiğini göstermiştir. Çalışmamızın devamında farklı büyütme parametreleriyle üretilen grafen filmlerinin ısınma özelliklerini inceledik. Raman spektroskopisi ve taramalı elektron mikroskobu sonuçlarımız bize KBB ile bakır folyo üzerinde büyüttüğümüz grafen filmlerinin tek katmanlı grafen üzerinde oluşan çok katmanlı grafen adacıklarına sahip olduğunu göstermiştir. KBB ile grafen büyütme parametrelerini (gaz akıları, gaz dozlama süreleri vb.) değiştirerek bu kusurların yoğunluğu ile birlikte çok katmanlı adacıkların yoğunluğunun değiştirilebildiğini gözlemledik. Bakır üzerinde KBB ile büyütülmüş grafenlerin üzerindeki taramalı elektron mikroskobu ve raman spektroskopisi ölçümlerimiz ve bu örneklerden yapılan ısıtma elemanlarının direnç ölçümleri bize, çok katmanlı grafen adacığı yoğunluğu arttıkça ısıtma elemanlarının dirençlerinin azaldığını gösterdi. Ayrıca ısıtma deneyi sonuçlarımıza göre, çok katmanlı grafen adacığı yoğunluğu arttıkça ısıtma elemanlarının daha düşük güç tüketimiyle daha yüksek sıcaklıklara çıkabildiklerini gözlemledik.