Atomic layer deposition of metal oxides on self-assembled peptide nanofiber templates for fabrication of functional nanomaterials

Nanomalzeme sentez yönteminde başlıca iki temel yaklaşım vardır. İlki yukarıdan-aşağıya bir yaklaşım ve daha yüksek hacimli malzemeden kimyasal, fiziksel, mekanik ya da termal yollarla malzeme uzaklaştırılmasını gerektirir; asit aşındırma, odaklanmış iyonlama, lazer ablasyon bu yukarıdan-aşağıya sentez teknikleri arasında yer almaktadır. Bu nano yapılı malzeme sentez yöntemi her ne kadar malzemenin yapı kontrolünde zayıf da olsa, basit bir yöntemdir. Günümüzün yüksek hacimli CMOS transistör üretme teknolojisinde yerini almaktadır. Öte yandan, aşağıdan-yukarıya yaklaşım ince ve uygun ayarlanmış küçük malzeme bloklarını kullanır. Aşağıdan-yukarıya yaklaşım doğrudan hedef nanoyapıların kendiliğinden düzenlenerek bir araya gelmesi veya sentetik veya doğal nanokalıpların kullanılarak doğrudan malzeme büyütme yoluyla gerçekleştirilmektedir. Aşağıdan-yukarıya malzeme sentez yöntemi hem elde edinmek istenen malzeme yapıları hem de yapısal hiyerarşileri oluşturmak için oldukça geniş bir yelpaze sunar. Birçok biyolojik sistem karmaşık kalıp tabanlı biyomolekül malzeme oluşturmak için benzer bir yaklaşım kullandığından bu yöntemle nano yapılı malzemelerin sentezi büyük önem taşımaktadır. Peptit amfifil (PA) moleküllere özgün olan bir araya kendiliğinden düzenlenerek oluşan yapılar olduğundan, anorganik malzeme kalıplamada çok yönlü bir araç sunmaktadır. PA malzemeler nano ölçekli anorganik malzemelerin üretimi için çeşitli çalışmalarda, yumuşak kalıplar olarak kullanılmıştır. Bu çalışmaların çoğunda kalıp yüzeyi üzerinde malzeme birikimi solüsyon tabanlı biriktirme yöntemi üzerinde yoğunlaşmıştır. Her ne kadar bu yöntemle başarılı malzeme biriktirme gerçekleştimek mümkün olsa da, malzeme kalınlığının hassas kontrolünü, malzeme kalınlığı bütünlüğünü ve yüksek konformluğunu tekrarlanabilir bir şekilde elde etmek zordur. Bu zorluğu aşmak için, bu tezde, atomik katman biriktirme (ALD) tekniği ile PA nanoağ kalıpların üzerine konformal bir şekilde malzeme büyütme gerçekleştirildi. ALD buhar fazından kendini sınırlayan bir biçimde düşük sıcaklıkta tekrarlı bir şekilde malzeme büyütme yöntemidir. Her bir yarım döngüde, Ti- ya da Zn- içeren uçucu metalorganik kompleksler kendi kendini sınırlayan homojen tek tabaka oluşturur ve hemen arkasından, bir oksijen öncüsü olarak su buharı (H2O) ile reaksiyona girerek yarım döngüyü tamamlar. Her bir yarım döngü arası temizleme döngüleri ile ayrıldığından, gaz fazında reaksiyonlar gerçekleşmez. Malzeme büyütmesi yalnızca yüzeydeki kimyasal ligand-yer değiştime reaksiyonları ile gerçekleşir. ALD yaklaşımı ayarlanabilir duvar kalınlığı ve yüksek kalıp konformalitesine sahip TiO2 veya ZnO nanoağların oluşmasını mümkün kıldı. Elde edilen metal oksit-peptit hibrid malzemeler farklı işlemlere tabi tutuldu. TiO2 malzeme içerisende bulunan organik kalıp 450 °C sıcaklıkta uzaklaştırılmıştır. Bu sıcaklık TiO2 malzemesini amorf yapısından anataz formuna dönüştürmüştür. ZnO malzemesi ALD işlemi sırasında hekzagonal kristal şeklinde büyüdüğünden, ZnO-peptit hibrid malzeme için herhangi bir ısıl işlem uygulanmadı. Prensip olarak, geniş bant aralıklı yarı iletkenler olan anataz forma sahip TiO2 ve hekzagonal yapıya sahip ZnO fotoanot malzemeleri olarak kullanılabilirler. Nanoyapılı anodik malzemeler yük taşıyıcı ayırma, yük taşıyıcı taşıma ve aktif yüzey alanınlarında önemli bir artış sağladığından hala büyük bir ilgi çekmektedir. Burada kendiliğinden düzenlenmiş yumuşak kalıplar üzerinde büyütülmüş nano yapılı TiO2 ve ZnO malzeme üretimini göstermekteyiz. Yöntemin kavramsal kanıtı olarak, TiO2 ve ZnO yarıiletken malzemeler boya duyarlı güneş hücrelerinde kullanıldı. Değişen malzeme kalınlığının açık devre gerilimi (Voc), kısa devre akımı (Jsc) ve dolgu faktörü gibi hücre parametreleri üzerinde etkisi olabileceğinden güneş hücreleri üzerindeki performansları incelendi. Farklı TiO2 (100, 150 ve 200) ve ZnO (100, 125 ve 150) katman döngülerine sahip üç grup fotoanot malzeme üretildi. Fotoanot içerisindeki TiO2 ve ZnO nanoağlar elektron transferini kolaylaştıracak şekilde birbirine bağlı bir nanotüp sistemi oluşturdu. Ayrıca, bu ağlar, gözenekli, yüksek yüzey alanlı malzemeler olup ve yarı iletken malzeme yüzeyine tututan boya moleküllerinin sayısını büyük ölçüde artırabilir.