Nanotribological properties of graphene grown by chemical vapor deposition and transferred onto silicon oxide substrates

Mekanik sistemlerin ömürlerini uzatmak amacıyla, sürtünme ve aşınma, kayganlaştırıcı malzeme kullanımı ile azaltılmalıdır. Öte yandan, artan yüzey-hacim oranları ve ilgili fiziksel etkiler sebebiyle, sıvı temelli geleneksel yağlama yaklaşımları, nano- ve mikro-boyutlu sistemler için başarılı olmamaktadır. Bu sebeple, geçtiğimiz yıllarda araştırma çalışmaları bir takım katı kayganlaştırıcı adayının yapısal ve mekanik karakterizasyonuna yönelmiştir. Sahip olduğu sıra dışı elektronik ve mekanik özellikler sebebiyle, iki boyutlu "mucize malzeme" grafen, geçtiğimiz on yıl içerisinde birçok farklı deneyin hedefinde yer almıştır. Nano- ve mikro-boyutlu sistemlerde kullanıma uygun, tek katmanlı katı bir kayganlaştırıcı potansiyeli sergilemesi sebebiyle, grafenin nanotribolojik özellikleri literatürde bulunan bir grup çalışma vasıtasıyla incelenmiştir. Mekanik soyma yöntemi ile elde edilmiş grafenin katman sayısına bağlı sürtünme karakteristikleri buruşma etkisi ile ilişkilendirilmiş olsa da, kimyasal buhar biriktirme (KBB) yöntemi ile büyütülmüş grafen numunelerin nanotribolojik davranışı halen incelenmektedir. Pratik uygulamalar için yeterli boyuta sahip, yüksek kaliteli grafenin hâlihazırda KBB yöntemi ile büyütüldüğü ve metal folyolardan çeşitli alttaşlara transferinin gerektiği göz önüne alındığında, bu tarz grafen numunelerin nanotribolojik özelliklerinin etraflıca anlaşılmasına yönelik bir ihtiyaç ortaya çıkmaktadır. Yukarıdaki tartışmadan yola çıkarak, bu yüksek lisans tezi, KBB ile büyütülmüş ve oksitlenmiş silisyum alttaşlara (SiO2/Si) transfer edilmiş grafene yönelik kapsamlı bir yapısal ve nanotribolojik karakterizasyon çalışması sunmaktadır. Bilhassa, bir dizi deney vasıtasıyla, numune hazırlama ve ardından gerçekleşen SiO2/Si üzerine transfer süreçleri en iyileştirilmiştir. Elde edilen grafen filmlerin yapısal ve morfolojik karakterizasyonu için ileri mikroskopi teknikleri kullanılmıştır. Özellikle, grafenin alttaş üzerindeki kapsama miktarı ve ilgili yapısal özellikler; optik mikroskopi, taramalı elektron mikroskopisi ve atomik kuvvet mikroskopisi (AKM) ile incelenmiştir. KBB ile büyütülmüş numunelerin tek-katman karakterini onaylamak amacıyla, Raman spektroskopisi kullanılmıştır. KBB ile büyütülmüş grafen numunelerin SiO2/Si üzerinde sergiledikleri nanotribolojik özellikler; sürtünme kuvvet mikroskopisi (SKM) modunda çalışan AKM ile ortam koşulları altında, sürtünme kuvvetinin artan normal yükle değişimini ölçerek belirlenmiştir. Değişik uç kullanımının, numune büyütme koşullarının ve transfer sonrası temizleme prosedürlerinin sürtünme davranışına olan etkileri değerlendirilmiştir. Bunun haricinde, mekanik soyma ile elde edilen grafen numunelerle kayganlaştırma performansına yönelik bir karşılaştırma da gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, incelenen tüm numuneler için, KBB ile büyütülmüş grafenin SiO2/Si üzerinde çok iyi bir kayganlaştırıcı görevi gördüğünü ve sürtünme katsayısı değerlerini ~90% seviyesinde azalttığını göstermiştir. KBB ile büyütülmüş grafenin, transfer edilmiş haliyle en yüksek ortalama kayganlaştırma performansını sergilediği ve ilgili değerlerin transfer sonrası temizlemeyle ufak bir miktar düştüğü gösterilmektedir. Son olarak, KBB ile büyütülmüş grafende bulunan kırışıkların ölçülen sürtünme değerleri üzerine etkisi sayısal olarak değerlendirilmiş, sonuçlar bahsi geçen yapısal kusurlar üzerinde sürtünme değerlerinin önemli miktarda arttığını ortaya çıkarmıştır.