Tünelleme akımıyla indüklenen bakır üstü grafen yüzey/arayüz sistemlerinin foton emisyonu

Görüntüleme çözünürlüğü, malzemelerin fiziksel özelliklerini incelenmesi hususunda kritik bir öneme sahiptir. Bu amaçla ölçüm cihazlarının hep daha yüksek çözünürlüklere çıkartırılması, araştırma konuları içerisinde her zaman önemli bir yere sahip olmuştur. Daha sonraları Nobel ödülüne layık görülen taramalı uç mikroskopisi yüzey incelemelerinde görüntüleme çözünürlüğünü atomik mertebelere indirerek çığır açmıştır. Taramalı uç mikroskopisinin en eski üyesi olan taramalı tünellemeli mikroskopi, 1 Å'dan bile daha düşük mertebelerde iletken ve yarı iletken yüzeylerde morfolojik görüntüleme kapasitesine sahiptir. Bunun yanısıra tünellenen elektronların kontorlünün de kullanıcıda olması spektroskopik ölçümlerin de önünü açmıştır. Tünelleme elektronları ve örnek yüzey elektronlarının etkileşiminden kaynaklanan bir çok farklı etki de gözlemlenmiştir. Tünelleme elektronları TTM ucundan örnek yüzeyine geçerken yaptıkları foton emisyonu buna güzel bir örnek teşkil eder. Üstelik bu ışıma karakteristiği, atomik çözünürlükteki yüzey topoğrafyası ile eş zamanlı olarak gözlenebilmektedir. TTM ucu-vakum/hava bariyeri/iletken yüzey geometrisindeki ışımayı incelemeden önce iletken yüzeylerindeki yük yoğunluklarına daha yakından bakmak yerinde olacaktır. Yüzey plazmonları, yüzeyde parallel olarak yayılım gösteren elektromanyetik dalgaları oluşturan serbest yüzey elektronlarının kolektif osilasyonları olarak tanımlanmaktadır. Bu salınımlar uygun koşullarda optik frekanslarla örtüşen elektromanyetik dalgalar oluşturmakta ve bunun sonucunda ışıma görülebilmektedir. Lokalize yüzey plazmonları (LYP) ve yüzey plazmon polaritonları (YPP) ismi verilen özel durumlara mahsus mekanizmalar da mevcuttur. Yüzey plazmonu genel olarak yüzey yüklerinin osilasyon hareketini tanımlarken polariton YPP arayüzde oluşan elektromanyetik dalgaları belirtmektedir. LYP mekanizmaları ise TTM-ucu ve yüzey kavitesindeki yük dalgalanmalarının oluşturdğu, geçit plazmonları da denilen yapılardır. Bu iki yapı kimi zaman birbirlerinin ortaya çıkmasını da tetikleyebilmektedir. Farklı gerilimler uygulanan parallel iletken plakalar arasına çeşitli yalıtkan materyaller konularak oluşturulan jonksiyonlardan ışıma gözlemlendiğinde henüz taramalı uç mikroskopları icat edilmemişti. Bu ışımaların fiziksel altyapısını anlamak amacıyla Metal-oksit-metal yapıları kullanılarak detaylı çalışmalar yürütülmüştür. Lamb ve McCarthy, tünelleme elektronlarının jonksiyon üzerinden geçerken yüzey yükleri ile esnek olmayan çarpışma yaparak optik frekanslar ile eşleşebilecek osilasyonlara sebep olduklarını çalışmalarında belirtmişlerdir. Taramalı uç mikroskoplarının farklı uygulamalar için kullanılmaya başlanmasıyla birlikte, bu ışıma karakteristikleri nano boyutta incelenmeye başlanmıştır. Bu amaçla geliştirilen TTM sistemlerine ise foton taramalı tünellemeli mikroskopu (fTTM) ismi verilmiştir. fTTM alanındaki çalışmalar, tünelleme akımından kaynaklı foton çıkışını kompleks bir şekilde ele almıştır. Yüzeydeki en ufak yapısal ve kimyasal değişikliğin dahi yüzeydeki yüklerinin karakteristiğini değiştirmesinden ötürü foton emisyonu morfolojiye direk olarak bağlıdır. Diğer bir yandan TTM ucunun kör olması ya da korozyona uğraması da jonksiyon stabilitesini radikal olarak değiştireceğinden ışıma üzerinde etkisi ciddi boyutlardadır. Bu parametreleri göz önünde tutarak, TTM jonksiyonlarından foton çıkışı LYP ve/veya YPP mekanizmalarının yüzey özelliklerine bağlılıkları açısından açıklanmıştır. Soy metallerin haricinde farklı sistemler de fTTM ile incelenmiştir. Metal yüzeylerinde çeşitli moleküller biriktirilmesiyle ya da farklı ultra ince film kombinasyonlarından oluşan yapılar da bu araştırmalara dahil edilmiştir. Her ne kadar C60 gibi farklı allotropları ile kaplı yüzeyler direkt olarak fTTM ölçümlerine dahil edilmiş ise de, bugüne kadar grafen kaplı soy metal sisteminin fTTM çalışması literatürde yer almamaktadır. Bir takım lüminesans çalışmalarına dahil edilmiş olan ve hızla değişik uygulamalara dahil edilen grafenin çarpıcı özelliklerine bir göz atmak gerekir. Nanotüp, C60, elmas ve grafit son yıllarda bir çok uygulamada sıkça kullanılan karbon alotroplarıdır. Grafen ise Wallace tarafından tek katmanlı grafit ismiyle taktim edilen iki boyutlu karbon kristalidir. Her karbon atomu üç adet bağ kurarak bal peteği örgüsü biçimiyle kristal örgüsünü oluşturur. Grafenin sıradışı yüzey elektroniği, %98'e varan optic geçirgenliği ve aly katmanları korozyona karşı koruyan kararlı yapısı ile yepyeni araştırma konularının açma potansiyeli Nobel ödülünü de beraberinde getirmiştir. Örneğin bakır üzerinde kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile büyütülen grafen atmosferik koşullarda dahi alt katmanları korozyona karşı korur. Sadece vakum şartlarında yapılabilen bir çok çalışmanın atmosferik koşullarda da gerçekletirilmesi, günlük kullanıma uygulamalarına yönelik bir çok yeni araştırma alanına öncülük etmiştir. Bu özelliklerin keşfi için grafen ve alakalı yapıların karakterizasyonu çok büyük önem arz eder. Bu yüzden yaygın olarak büyütülen grafen filmin saflığı, tek ya da çok katmanlı oluşu gibi özellikleri taramalı uç mikroskopisi uygulamalarına başlamadan Raman spektroskopi tekniği ile künyelendirilir. Bu aşamadan sonraki adım taramalı uç teknikleri ile yüzey nano boyutlarda incelenmektedir. Atomik kuvvet mikroskopu (AKM) sayesinde tarama yüzeyleri herhangi bir elektronik etkiye maruz kalmadan bağımsız olarak belirlenebilmektedir. Çalışmamızda da TTM ölçümlerinden önce mutlaka geniş alanlı AKM incelemeleri ile karakterizasyonu yapılmıştır. Ardından TTM ile yapılan yüzey çalışmalarında atomik çözünürlüklü bal peteği örgüsünden Moire deseni gibi süper periyodik yapılara kadar bir çok özellik atmosferik koşullar altında gözlemlenmiştir. Bunun yanında grafenin altında yer alan bakır kristalinin atomik basamakları analiz yapılabilecek kalitede gözlemlenebilmektedir. fTTM çalışmalarının fiziksel altyapısı hakkında yeterli bilgi edindikten sonra, grafen yüzey karakterisyonunun da oldukça güvenilir sonuçlar vermesi, grafen yüzeylerinin nano boyutta foton emisyonunun muhtemel sebeplerini incelemeye teşvik etti. Bu doğrultuda farklı TTM iğne materyalleri ve TTM ucu hazırlama tekniklerininin karşılaştırılmasıyla optimize edilerek çalışmalara başlanmıştır. Foton emisyonuna sebep olacak şekilde LYP ve YPP uyarılması amacıyla TTM öçümlerine nazaran yüksek tünelleme akımı ve voltaj seviyelerinde çalışılmaktadır. Bu doğrultuda, yüzey karakterizasyon çalışmasının ardından üzerinde grafen/bakır fTTM sisteminin tünelleme akımı ve voltaj değeri yükseltildi. Toporafya, düşük akım ve voltaj değerlerindeki gibi yüksek kalitede sonuçlar verirken, foton haritası açıkça foton çıkışını göstermiştir. En çok dikkat çeken detay ise foton haritasındaki ışıma olan ve olmayan bölgelerin topoğrafya ile uyumlu oluşuydu. Aralarındaki olası bir ilişkiyi ortaya çıkartmak amacıyla çeşitli bölgelerde küçük analiz alanları seçilererek sonuçlara ulaşıldı. Atomik basamak yükseklikleri ölçülerek rristal yönelimleri, yani Miller indisleri belirlenmiş ve dikkat çekici sonuçlara ulaşıldı. Işıma görülen bölgeler (111) yönelimine sahip iken diğer bölgeler (110) ya da (100) yönelimlerine sahip olduğu saptanmıştır. Bakır kristalinin farklı yönelimlerinin elektronik yapılarında da değişikler görüldüğü teorik olarak bir çok çalışmada açıklanmıştır. Serbest elektron benzeri yüzey enerji seviyelerine sahip olan (111) yönelimleri, aynı şekilde foton çıkışı olan bölgeler olarak dikkat çekmiştir. Çalışmalarımızın ortaya koyduğu bu sonucu, (111) yönelimli yüzeylerin sahip olduğu ayırdedici elektronik özellik sayesinde geçit plazmonlarının YPP'lerin oluşumu tetiklemesi ve foton çıkışını sağladığı şeklinde yorumlanmıştır. Sonuç olarak karbonların çok özel bir örgüsü olan grafen ile günlük uygulamalarda dahi çok fazla kullanılan bakırın bu kombinasyonu, atomik boyutlarda ışık kaynağı özelliğini ortaya çıkartmıştır. Yapılan çalışmada bu olayın kaynakları anlamaya çalışılmış ve bölgesel olarak değişen bakır kristal yönelimlerinin ışımadaki etkisi analizlere dayandırarak ortaya konulmuştur.