Topolojik yalıtkanların ve topolojik süperiletkenlerin manyetik özelliklerinin taramalı uç mikroskopları (TUM) teknikleri ile araştırılması

Nanoteknoloji atomik ve moleküler seviyedeki olayları araştıran, modelleyen ve fonksiyonelleştiren, kavramı 1959 yılında Feynman tarafından ortaya atılan disiplinler arası bir bilim dalıdır. Yeni nesil kuantum malzemelerin özelliklerinin araştırılmasında, karakterize edilmesinde nano ölçekte çalışmaların yapılması yaygındır. Malzemelerin kütle manyetik özellikleri ve yüzey manyetik özellikleri nano boyuta küçültülmüş sistemlerde farklı karakteristikler göstermektedir. Bu sebeple manyetizma mekanizmaları nano boyutta yaygın olarak araştırılmaktadır. Taramalı uç mikroskopları tekniklerinden Manyetik Kuvvet Mikroskobu ve Taramalı Hall Aygıtı Mikroskobu nanomanyetizma araştırmalarında sıklıkla kullanılan yöntemlerdendir. Tarihsel gelişim sırasına göre nanoteknoloji yaklaşımının öngörülmesinin ardından 1982'de Taramalı Tünelleme Mikroskobu (TTM) ve 1986'da Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) icat edilmiştir. Taramalı Uç Mikroskopları (TUM) genel ismi ile adlandırılan bu teknikler yüzey biliminde ve nanoteknoloji araştırmalarında sıklıkla başvurulan karakterizasyon tekniklerindendir. AKM'nin bir tarama modu olan Manyetik Kuvvet Mikroskobu (MKM) malzemelerin manyetik özelliklerinin araştırılmasında sıklıkla kullanılan nitel bir tekniktir. MKM tekniğinde manyetik özellikli bir sensör kullanılarak yüzeyin manyetik faz haritası çıkarılır. MKM tekniğinin avantajı sensör ucunun boyutuna bağlı olarak 10nm hassasiyette ölçüm alınabilmektedir. Manyetizma araştırmalarında kullanılan bir diğer taramalı uç mikroskobu çeşidi Taramalı Hall Aygıtı Mikroskobudur (THAM). Sensör olarak kullanılan Hall aygıtı ile yüzeydeki manyetik alanlar nicel olarak ölçülebilmektedir. Tekniğin avantajı girişimsel olmayan bir yöntem olmasıdır. Aynı zamanda nanomanyetizma araştırmalarında kullanılan, 300K-1K aralığında çalışan düşük sıcaklık sistemleri ile entegre olacak şekilde tasarlanan Düşük Sıcaklık-Manyetik Kuvvet Mikroskobu (DS-MKM) ve Düşük Sıcaklık-Taramalı Hall Aygıtı Mikroskobu (DS-THAM) çeşitleri mevcuttur. Süperiletkenler kritik bir sıcaklık ve manyetik alan değeri altında elektriksel direnci tamamen sıfıra inen iletken malzemelerdir. Sıfır dirence sahip olması sebebiyle teknolojik açıdan elektriksel dirençten kaynaklı enerji kayıplarını ortadan kaldırabilecek potansiyelde bir malzeme olarak karşımıza çıkmaktadır. Günümüzde ortam sıcaklığında ve basıncında süperiletken faza geçen bir malzeme henüz bulunamamıştır fakat yeterince düşük sıcaklıklara inildiğinde süperiletken faza geçen ve teknolojik olarak kullanım alanı bulan süperiletkenler ve uygulama örnekleri mevcuttur. Süperiletkenler karakteristik olarak süperiletken fazda manyetik alanı dışarlamaktadır, bu durum Meissner etkisi olarak adlandırılır. Tip II süperiletkenlerin özel karakteristiği olarak manyetik alan altında kritik sıcaklık değerinin altına soğutulduklarında manyetik alanın bir kısmını dışarlarlar bir kısmını ise geçirirler. Manyetik alanın süperiletken içine nüfuz ettiği noktalarda manyetik akı girdaplar oluşturarak karşı tarafa geçer. Tip II süperiletkenlerde oluşan bu manyetik girdaplar DS-MKM ve DS-THAM teknikleri ile incelenebilmektedir. Topolojik yalıtkanlar kütle yalıtkanı olup yüzeylerinde tek atom tabakası iletken bir sınırı olan teknolojik öneme sahip bir malzeme grubudur. Bu eşsiz malzeme grubunun karakteristiği olan elektronların geri saçılım yapmaması özelliğinden dolayı, yüzeydeki iletken atomal tabakada sadece aynı yönde yönlenmiş spine sahip elektronların bulunması mümkündür. Bu özellik sayesinde topolojik yalıtkanlar spin polarizasyonu araştırmalarının yapılabileceği doğal bir malzeme grubu olarak bilim adamlarının ilgisini çekmektedir. Elektronun eksi yükü ve spin hareketi dolayısıyla fizikteki Hall etkisi prensibine dayanan karakteristik bir manyetik alanı bulunmaktadır. Elektronun sahip olduğu bu manyetik alan Spin Hall etkisi olarak adlandırılmaktadır ve dolaylı yollarla ölçülebilmektedir. Topolojik yalıtkan malzemelerden elektrik akımı geçirildiğinde yüzeyde spinlerin polarizasyonu sebebiyle belli bir manyetik alan oluşmaktadır ve bu manyetik alan manyetik ölçüm teknikleri ile ölçülebilmektedir. Bu tez çalışmasında FeSe süperiletkenindeki manyetik girdap yapıları DS-MKM tekniği ile ve FeSeTe süperiletkenindeki manyetik girdap yapıları DS-THAM tekniği ile araştırılmıştır. Bi2Se3 topolojik yalıtkanında Spin-Hall etkisi DS-MKM ile 300K ve 150K sıcaklıklarında deneysel olarak incelenmiştir. Tez kapsamında FeSe süperiletkeninde Meissner bölgesinde tuzaklanan manyetik girdap yapıları DS-MKM tekniği ile gözlemlenmiştir. İnceleme sonucunda FeSe yapısının demir kalkojen tipi süperiletken ailesinin temel özelliklerini taşıdığı görülmüştür. Girdaplar teorik çalışmalarla uyumlu olacak şekilde belli bir düzen dâhilinde olmadan konumlanmaktadır. Tez kapsamında yapılan deneysel çalışmalar sonucunda FeSe kristal yapısında manyetik girdapların zincir şeklinde konumlandığı özel hatlar gözlemlenmiştir. FeSe kristal yapısında bulunan ikiz düzlemleri farklı enerji düzeylerine sahip olması sebebiyle manyetik girdaplarda tuzaklama etkisi yapmış olabilir. Ayrıca bireysel konumlanmış tekil manyetik girdaplar yapıda mevcuttur. Deney bulgularına ek olarak oda sıcaklığında FeSe kristalinde faz ayrışması olan bölgeler tespit edilmiştir, farklı manyetik faz yapılarına sahip kısmi bölgeler DS-MKM tekniği ile gözlenebilmiştir. Tez kapsamında FeSeTe süperiletkeni üzerinde DS-THAM tekniği ile yapılan incelemelerde Meissner bölgesinde tuzaklanmış girdap-antigirdap yapısı gözlenmiştir. Girdap-antigirdap yapısında +1.5G ve -1.5G olarak zıt yönlerde simetrik olarak konumlanmış eşit büyüklükte manyetik alanlar DS-THAM ile ölçülmüştür. FeSeTe üzerinde yapılan diğer deneylerde Meissner bölgesinde tuzaklanan manyetik girdap yapısı düzenli olarak incelenebilmiştir. FeSe yapısına Te katkısının kristal kusurlarını oluşturabildiği ve girdap yapısının FeSe'deki girdap zinciri oluşumundan farklı olarak daha düzenli hale geçebildiği düşünülmektedir. Tez kapsamında Bi2Se3 topolojik yalıtkanında Spin-Hall etkisi deneysel olarak DS-MKM ile bu teknikle ilk defa gözlenebilmiştir. Çalışmada Bi2Se3 örneği FIB ile çubuk yapıları şeklinde desenlenmiştir. Bu çubuk yapılarının her bir kolundan +10mA ve -10mA akım MKM ile tarama esnasında dönüşümlü olarak geçirilmiştir, bu esnada manyetik sensör rezonans frekansında titreştirilirken yüzeye yaklaştırılmıştır. Örnek yüzeyinde Spin-Hall etkisi sebebiyle oluşan belli bir manyetik alan oluşmaktadır. Oluşan bu manyetik alan sebebiyle MKM sensörünün rezonans frekansı kaymaktadır. Akım yönü ters çevrildiğinde ters yönlü spine sahip elektronlar yüzeyde birikeceğinden Spin-Hall etkisi sebebiyle oluşan manyetik alanın yönünün işareti de ters yöne dönmektedir. MKM sensörüne etkiyen manyetik alanın yönü değişeceğinden rezonans frekansı zıt yönde kaymaktadır. Spin-up ve spin-down yönlü elektronların oluşturacağı manyetik alanlar çekici veya itici yönlü olmaktadır. Bu da MKM sensöründe itme veya çekme etkisi yapmaktadır. Böylece dolaylı olarak Bi2Se3 malzemesinde Spin-Hall etkisi MKM tekniği ile 300K ve 150K'da bu teknikle literatürde ilk defa gözlemlenebilmiştir. Tez çalışması sonunda elde edilen sonuçlar topolojik yalıtkanların ve topolojik süperiletkenlerin özelliklerinin anlaşılmasına ve teorilerinin geliştirilmesine yardımcı olabilecektir. Bi2Se3 topolojik yalıtkanında Spin-Hall etkisi DS-MKM tekniği ile bu teknikle literatürde ilk defa olmak üzere 300K ve 150K'da gözlemlenebilmiştir. Yöntemin ilk defa Spin-Hall etkisi karakterizasyonunda kullanılması sebebiyle gelecekte spintronik araştırmalarında farklı uygulamalarda kullanım alanı bulabileceği düşünülmektedir. FeSe ve FeSeTe süperiletkenlerinin yüzey manyetik özellikleri ve girdap yapıları daha önce DS-MKM ve DS-THAM teknikleri ile araştırılmamış bir konudur. FeSe ve FeSeTe süperiletkenlerinin girdap yapılarının araştırılması demir cinsi süperiletken ailesinin karakteristik özelliklerinin anlaşılmasına yardımcı olabilecektir. Bu tez kapsamında yapılan çalışmalar topolojik yalıtkanların ve topolojik süperiletkenlerin karmaşık yapılarının anlaşılmasına yardımcı olacaktır.