Bir metali oluşturan atomlarının birbirleriyle bağ yapması, bir tutkal gibi atomları birbirleriyle bir arada tutan metale iletkenlik özelliği kazandıran elektron bulutu aracılığıyla olur. Negatif yüke sahip elektronlardan oluşan bu elektron bulutuna, metali oluşturan pozitif yüklü atomların çekim kuvveti uygulaması kohezyon kuvveti olarak ifade edilir [31, 38]. Metali oluşturan atomların iç kısımlarda bulunanları tek düze şekilde birer elektron bulutuna sahiptir. Atom bu elektron bulutuna bir çekim kuvveti uygular ki bu da elektronun bağ enerjisi olarak bilinir. Diğer taraftan bu kohezyon kuvveti olarak da adlandırılır. Ancak yüzeyde durum oldukça farklıdır. Çünkü yüzeydeki atomların bulutlarının birleşerek oluşturduğu devasa serbest elektron bulutu, metale farklı özellikler kazandıran yeni bir katman oluşturur. Bu katmanda bulunan elektronların bağ enerjisi daha düşüktür. Bir başka ifadeyle serbest enerjisi çok daha yüksektir. Enerji entropinin kaçınılmaz kuralına göre hareket eder ve doğada sıkça karşılaşıldığı gibi bu yüksek enerji durumundaki elektronlar daha düşük enerjili duruma geçmek isterler. Bu durum ise bu katmanın bağ yapma yeteneğine sahip olmasını sağlar. Yüksek enerjinin bir şekilde azaltılması için doğal olarak her olası bağın oluşması kaçınılmaz ve muhtemeldir. Açık havada demirin paslanması bu duruma iyi bir örnektir. Metalin yüzeyi yeterince temizlenerek aynı türdeki metal atomlarıyla kaplanırsa, yüzeydeki atomların bağ yapma enerjileri ve dolayısıyla bağ oluşumu engellenmiş olur [31, 38]. Bu durumda elektron bulutu kaplanan atomların arasında serbestçe hareket edebilir. Kaplanan tabaka ile metal yüzeyi arasındaki bağ kuvveti teorik olarak metalin herhangi bir noktasındaki bağ kuvveti kadardır. Aslında oldukça sağlam bir şekilde
c a (a) c a b a = b = c c ≠ a = b b (b)
Şekil 2.10: Paslanmaz çeliklerde kristal örgü sistemleri (a) fcc yapı, (b) bct yapı.
bağlıdır. Bu bağ kuvveti de metalin herhangi bir yerinde var olan kohezyon kuvveti kadardır. Eğer yüzeye metali oluşturan atomdan farklı başka bir metal kaplanırsa aynı atomik kuvvetlerin yine ortaya çıktığı görülür. Metal yüzeyine bağlanan kaplama atomları ile ana metal atomları arasında da bir bağ kuvveti oluşur. Bu noktada oluşan bağ kuvveti; kohezyon kuvveti değil adezyon kuvveti olarak adlandırılır. Kısaca; aynı tür atomların aralarında oluşan çekim kuvveti kohezyon, farklı atomların aralarında oluşan çekim kuvvetine ise adezyon kuvveti denir.
Yüzeye metalden başka herhangi bir atom ya da molekülün bağlanması; yani, adezyon kuvvetini oluşturan bağ kuvveti önceki paragraflarda açıklanan yüzeyde bulunan elektron bulutundaki yüksek serbestlik enerjisini bir miktar azaltacaktır. Önceki paragrafta anlatılan demirin paslanması yani oksitlenme olarak adlandırılan olay metalin yüzeyine ortamda bulunan oksijen moleküllerinin bağlanarak bu yüksek enerjiyi düşürmesine güzel bir örnektir [31, 38]. Bu durum, demir için olumsuz bir özellik gibi görülmesine rağmen ileri teknoloji ürünü sensörlerin üretilmesinde de yine bu özellikten faydalanılmaktadır. Örneğin; beş oksijen atomu ile bağ yapmış olan Tantalyum metali artık bir oksit grubu maddedir ve Tantalyum Pentaoksit (Ta2O5) olarak adlandırılır.
Ta2O5 yüzeyinde hâlâ enerjisi fazla olan elektronlar mevcuttur. Bu elektronlar da
ortamda bulunan serbest hidrojen iyonları ile zayıf bir etkileşime girerler. Bu etkileşim sonucunda sistemin enerjisi düşer ancak hidrojenden gelen elektronla birlikte sistemin sahip olduğu negatif yük artar. Bu yük farkının bir alan etkili transistör üzerinde bulunan tetikleyici yerine kullanılması ile elde edilen yarıiletken yapı serbest hidrojen iyonlarını tanımlamada daha önce ancak tuz köprüsü prensibiyle çalışan devasa algılayıcılarla yapılabilen analizlerin mikrometre mertebesindeki boyutlarda iyon seçici alan etkili transistör olarak adlandırılan yeni bir algılayıcının geliştirilmesini sağlamıştır [52].
Bu çalışma kapsamında kullanılan alt tabaka, ticari esnek asetat olup yapısında Karbon, Klor ve Oksijen bulunan zincirlerin oluşturduğu amorf yapıda bir polimerdir [49]. Polimerler genel olarak yalıtkan malzemelerdir. İletkenlik özelliği, yalıtkan malzemelerde elektron bulutu olamamasından dolayı görülmez [53]. Polimer nitelikte olan asetat yalıtkan olup elektron bulutuna sahip değildir. Polimerler organik moleküllerin ardı arkasına dizilerek oluşturduğu çok uzun molekül zincirlerinin bir araya gelmesi sayesinde oluşur. Güçlü kovalent bağlar ile bir arada duran bu zincirlerde
elektriklenmenin oluşması durumu göz önüne alındığında yüzey üzerinde mutlaka serbest elektron vardır. Ancak neredeyse tüm elektronlar kovalent bağlar ya da iyonik bağlarda görevli olup serbest elektron çok çok az sayıdadır. Bu polimer malzemenin yüzeyine metal tabakası kaplamak istenildiğinde; yüzeye çarpan metal atomları polimer yüzeyinde elektron bulutu bulunmamasından dolayı yapışmanın gerçekleşmesi mümkün değildir. Ancak bu süreçte, Wan Der Waals kuvvetleri iş başındadır. Wan Der Waals kuvvetleri o kadar zayıftır ki bağ yapmaya yeterli gelmeyeceği fikri çok doğaldır. Ancak Wan Der Waals kuvvetleri, metalik bağ kuvvetlerinin yaklaşık yüzde biri kadar küçük olduğu herkes tarafından bilinen bir gerçektir [31]. Ne kadar küçük olsa da polimer bir malzemenin yüzeyi yeterince temiz olursa ve kaplanan atom sayısının istatiksel olarak çok çok yüksek sayıda olması ile polimer yüzeye metal kaplanabilmesinin de gayet mümkün olduğu bir gerçektir [5]. Bu sebeple bu çalışmada da temizlik oldukça önemlidir ve çalışma sürecindeki temizlik adım adım anlatılmıştır (ayrıca bakınız Bölüm 3.2).
Yeterince temiz bir ortamda ilk katmanın tutunmasının arkasından kohezyon kuvvetleri ve alaşımı oluşturan diğer elementlerin de adezyon kuvvetleri ile bağlanması mümkün hâle gelir. Ancak tüm bu süreç mutlaka yüksek oranda temiz ortamda olmalı ki bu sebeple en ideal ortam yüksek vakum ortamıdır. Böylelikle polimer üzerine nispeten iyi derecede metal alaşımı kaplamak mümkündür. Yapılan araştırmalarda polimer malzemelerin ince filmlerle yapılan bilimsel çalışmalarda sıklıkla alt tabaka olarak kullanıldığı görülmektedir [2-4, 17, 40, 53].