Omer
nEuiQ
Yiiksek Lisans Tezi Fizik Anabilim Dah Yrd. Dog. Dr. Salih SAYGI20rL
Her Hakkr Sakhdrr[r-v sil-n$ix YARTILETKENLERLE
NANOTEL
Unnrir,vtE Si ve B AZI KARAKTnnisrixr-nni
T.C.
cAZiosMANPA$A UNivnnsirnsi
FEN BiLiMLERi ENSTiTUSU
niZirANABiLiM DALI
YUKSEK LiSANS Tr,Zft
Omer DEMiq
TOKAT
20tl
Tezyazrm kurallanna uygun olarak haz:r:lan?frt bu tezin yazrlmastnda bilimsel ahlak kurallanna uyuldu[unu, baqkalarrmn eserlerinden yararlamlmasr durumunda bilimsel normlara uygun olarak atrfta bulunuldu[unu, tezin igerdifi yenilik ve sonuqlann baqka bir yerden alnmadrgrnr, kullamlan verilerde herhangi bir tahrifat yaprlmadr[rm' tezin herhangi bir krsmrmn bu tiniversite veya baqka bir iiniversitedeki baqka bir tez galtEmast olarak sunulmadr[tm beyan ederim.
6zrcr
YUTSPT LISANS TE7.I
rir-v BiLE$iK YARIirprrr,NLERLE NAN6TEL URET|LMES|
VE
B AZT
KARAKTE,RI
STIKLERI
Omer
DEMIQ
C a z i o s m a n p a g a U n i v e r s i t e s i Fen Bilimleri Enstitiisii
Fizik Anabilim Dah
Danrqrdin: Yrd. Dog. Dr. Salih SAYGI
Gtiniimiiz teknolojisinde nanoteknoloji dnemli geligmeler kaydetmigtir. Bazr tiimleqik devrelerde kullanrlabilece[i diiqiiniilen nanoteller ile ilgili gok ciddi araqhrmalar yaprlmaktadrr. III-V grubu yaniletkenler nanotel tiretiminde uygun bant arahlt ve bazr bz.ttitteri sayesinde cine grkmaya baqlamaktadr. Nanoteller ile ilgili gok geqitli iiretim yontemleri geliEmiqtir. Bunlar arasrnda, Kimyasal buhar goktiirme yonteminin geEitli avantajlara sahip olmasr sebebiyle en gok teroih edilen ydntem oldu[u bilinmektedir-Bu gairgmadu SlltOOy alttag iizeri Au kaplanarak Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) metoAuyta tek-kristal wurtzite yaprda GaN nano-tel 850oC de biiytittildii. Kaynak malzeme olarak galyum metali ve an"lonyak gazt kullanrldr. GaN nano-tellerin 40nm ile 50nm arasrn da gapa ve birkag mikrometre boya sahip oldu[u gdrtildii. Elde edilen GaN nano-teller X rqrnr krnnrnu (XRD), taramah elektron mikroskobu (SEM) ile karakterize edildi.
2011, 57 sayfa
SYNTHESIS OF III-V COMPOLIND SEMICONDUCTOR NANOWIRES AND
SOME CFIARACTERISTICS
Omer DEMIC
Gazio smanpasa University
Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Physics
Supervisor: Asst. Prof. Dr. Salih SAYGI
Today's technology has made significant advances in nanotechnology. Nanowires can be used in integrated circuits to6e some very serious research is done with. III-V group semiconductors Nanowires production with appropriate bandgap and some features are starting to stand out. Nanowires with a wide variety of production methods are developed. Chemical vapor deposition (CVD), a method is cheap and many advantages. In the study nanowires of single-crystalline wurtzite GaN have been fabricated on a Si (100) substrate coated with a Au layer, via a chemical vapor deposition process at 850"C using gallium and ammonia as source materials. The GaN NWs grow hexagonal cross-sections with widths of 40-50 nm and lengths of up to several microns. The obtained GaN nanowires were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) techniques.
2011,57 pages
ONsOz
Yiiksek Lisans gaftqmalanm stiresince bana her tiirlii kolayhfr safilayan, karqrlaqtrftm zorluklarda bana yol g<isteren ve bu gahgmarun olugmasrnda bilgi ve deneyimlerini benden esirgemeyen danrqman hocam Sayrn Yrd. Dog. Dr. Salih SAYGI' ya en igten te gekkiirlerimi sunanm.
Bana her ttirlti deste[i esirgemeyen sevgili eqim gocuklanm ve difer aile bireylerime de teqekktir ederim.
6mer DEMiq
TEMMUZ 2011
6zrcr
ABSTRACT
TE$EKKUR
iCiNorcriLER
SiMGELER
VC
KISALTMALAN NiZiNi
$EKiLLEn oiziNi
qizELGELER DiziNi
cinis
GENEL NiT,CiT,BN 2.1. Yaniletkenler
2.2. III-V yarriletkenler ve InN, GaN, AIN 2.3. Nanoteknoloji
2.4. Bazr Nanoyaprlar 2.4.1. Nanoteller(l.lanowires)
2.4.2. Nanokemer, Nanogerit (lt{anobelt,Nanoribbon) 2.5 Nanoyaprlann Sentezlenmesi
2.5.1. Anodik Altiminyum Oksit (AAO) Kahp 2.5.2. Molekiiler Iqrn Epitaksi (MBE)
2.5.3. VLS Mekanizmasr
2.6 Nanoyapr Yaptsal Karakterizasyonu 2.6.1. Taramah Elektron Mikroskobu (SEM) 2.6.2. X rqmr Krrrnrmr (XRD) Yrintemi
2.6.3. Enerji Da[rhmh X-Iqrnlan Spektroskopisi (EDS)
MATERYAL vC METOD
3.1. Deneylerde Kullamlan Malzeme, Alet Ve Cihazlar 3.1.1. Kullanrlan Malzemeler
3.T.2. Kullanrlan Aletler ve Crhazlar 3.1.2.1. Yatay Tiip Frrrn
3 . 1 . 2 . 2 . D i j i t a l V a k u m O l g c r 3.I.2.3. Gaz Akrg Hrzr Olger 3.1.2.4. Vakum Pompasr 3.1.2-5. Gaz Kanqtrrrcr Sistemi
i
ii iii iv vi vii viii I2
2
J6
1 0
1 0
1 l
l 2
1 3
1 4
1 5
T 7
1 8
1 9
22
24
24
24
2 5
2 5
26
27
2 7
1V3.1.2.6. Evaporatcir 3.2. Deney Aqamalan 3.2.1. Alttagrn Temizlenmesi 3.2.2. AlttaqrnKaplanmasr 3.2.3. Biiyttme Deneyi 4. BULGULAR VE TARTISMA
s. soNuq
KAYNAKLAR
Ozcnqmi$
29
3 0
3 0
3 1
3 1
3 5
4 l
43
45
Simgeler
E
€kVr
trfusaltmalar
cm
mm
InP
ALAs
AAO
MBE
SEM
XRD
NHr
Nz
H,
pm
nm
Ga
InN
AIN
GaAs
tu
Au
GaN
I'IV
Agrklamalar Enerji (KeV, MeV) Enerji Dalga Fonksiyonu Agrklama Santimetre Milimetre indiyum Fosfat Altiminyum Arsenit Anodik Aliiminyum Oksit Molekiiler Iqrn EpitaksiTaramah Elektron Mikroskobu X rqrru I(rnrumr Yontemi Amonyak Azot gazr Hidrojen gazr Mikrometre Nanometre Galyum indiyum Nitrat Altiminyum Nitrat Galyum Arsenit Argon Altrn Galyum Nitrat Ultraviyole
Kimyasal Buhar Biriktirme Silisyum Elektronvolt
CVD
Si
eV
VISekiller $ekil 2.1. $ekil 2.2. $ e k i l 2 . 3 . $ e k i l 2 . 4 . $ e k i l 2 . 5 . $ e k i l 2 . 6 .
$EKiLLEn nizirrri
Hegzagonal Wurtzite yapr
Grafit tabakasr ve bu tabakadan olugmuq fulleren Nanoqeritler
Anodizasyon ydnteminde Al kaplama AAO nanokahp
(a) Nanoyapr malzemesine uygun bir kataliz<iriin ince filmi ile taqryrcr yi.izeyinin kaplanmasl, (b) kataliz<ir kaph taqryrcr ytizeyinin rsrl iqlem sonrast yizey gerilimine ba[h olarak adacrkh vapr olusturrnast
TaEryrcr tizerine adacrklar halinde yerleqmiq srvl alagrm 16 damlacrklar iizerinden nanoyapt malzemesi buhannrn
difiizyonu
Nanotel biiyrime a;amasl qematik gdsterimi
(a) Bir kristal diizleminde X rgrnr krrrnrmrnrn meydana geligi ve (b) krnnrm olayrnda X-rgrnlannrn aldrfr yollann
uzunluklan arasqdaki farklarrn aynnhh bir qekilde gristerimi QTF-1200X2Dual Zones Tube Furnace (3") yatay tiip finn Dijital vakum 6lger
Gaz Akrg kontrol clhazr Vakum pompasl
Gaz karrgtrncr sistemi Evaporatdr
VLS mekanrzmasryla GaN nanotelin oluqumu Literatiirden ahnma katalizor ug cirnefi
Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) Sistemi
Deneyde kullanrlan parametrelerin (NH3 ve Ar gazlarrnrn akrg hvrve srcakhk) zamanagdre grafili
Au kaplanmrq Si alttaqrn finnda a) 750"C'de b) 800 oC'de c) 850 oC'de rsrtrlarak elde edilen gdrtintiiler
900oc'de 120m1/dak NI{:, 80ml/dak Ar akrg hrzrnda Ga ile alttaq arasr 5cm mesafede l0nm Au kaph Si iizerine 20 dakikada biiytitiilmiiq nanotellerin SEM g<irtintiisri
900uC'de l2}mlldak NH3, 80ml/dak Ar akrq hrzrnda Ga ile alttag arasr 3cm mesafede 10nm Au kaph Si iizerine 20 dakikada biiytitrilmUg nanotel lerin SEM g<irtintiisti
900uc'de 120m1/dak NHr, 8Oml/dak Ar akrg hrzrnda Ga ile alttaq arasr 5cm mesafede 10run Au kaph Si rizerine 20 dakikada biiyiittilmiiq nanotellerin EDS spektrumlarr
900"C'de 120m1/dak NH3, S0mVdak Ar akrg hrzrnda Ga ile alttag arasl 5cm mesalbde 10nm Au kaph Si iizerine 20 dakikada biiyiitiilmiiq nanotellerin XR D gdrilntiisti
Sayfa 5 1 0 1 l 1 -I J
1 3
i 5
1 ' 7 I T2 l
$ e k i l 2 . 7 . $ e k i l 2 . 8 . $ e k i l 2 . 9 . $ e k i l 3 . 1 . $ekil 3.2. $ e k i l 3 . 3 . $ e k i l 3 . 4 . $ekil 3.5. $ e k i l 3 . 6 . $ e k i l 3 . 7 . $ e k i l 3 . 8 . $ekil 3.9. $ekil 3. I 0. $ e k i l 4 . l . $ekil 4.2. $ e k i l 4 . 3 . $ekil 4.4 $ekil 4.5.26
26
27
2 8
2 9
3 0
-)z a ^ J L a a J J3 4
3 5
3 6
1 n3 8
3 9
Qizelge 3.1. Deneylerde kullanrlan kimyasal maddeler Qizelge 5.1. Yaprlan deneylerde bulunan optimize deferler
25
42
l.ciRi$
Son zamanlarda meydana gelen baq drindiirticii hrzdaki teknolojik geliqmeler ve bu geligmelerin yol g<isterdi[i konular insanhk tarihinin altrn gafrnr ya$amaslna sebep olmaktadrr. Kugkusuz bu ddnemde bilimin daha da ilerlemesini en dnemli yollanndan biri de nanoteknolojideki geliqmelerdir. Nanoteknoloji, atom ve molekiil olge[inde <izel ytintem ve tekniklerle yaprlann, materyallerin ve araglann inga edilmesini; bu dlgekte tilgme, tahmin etme, izleme ve yaplm faaliyetlerinde bulunmayt ve bu 6lge[in bazr temel dzelliklerinden yararlanma kabiliyetini ifade eder. Kuantum fizifiinin etkileri ancak nano boyutlarda kendini aksettirmekte ve yeni yeni uygulamalara olanak saflamaktadrr. Nano<ilgek seviyesinde malzemelerin <jzellikleri makroskobik <ilgekten tamamen farkh olup nano<ilgefie yaklaqtrkga birgok <jzel ve yararh olay ve yeni tizellikler ortaya grkmaktadrr. Ornefin, iletim dzellikleri (momentum, enerji ve ktitle) artrk siirekli olarak defiil aqcak kesikli olarak tarif edilmektedir. Beruer olarak, optik, elektronik, manyetik ve kimyasal davramqlar klasik defil kuantum olarak tantmlanmakladrr. Teknolojik uygulamalar agrsrndan maddenin karakteristik rizelliklerini belirlemek, <izellikle elektrik, manyetik, rsrl ve optik <izellikleri gok <inemlidir. Son yrllarda nano boyutlarda pek gok farkh yapr haznlanmaktadrr. Uq boyutlu kiiresel Nano-tozlar (nanopowder) ve nano-pargacrklar (nanoparticle), iki boyutlu ince filmler, tek boyutlu nano-teller (nanowire), nano-tripler (nanotube) ve nano-noktalar (nanodot) gibi hepside birbirinden farkh <izellige sahip yaprlar iizerinde bir yandan riretim teknikleri bir yandan da karakterizasyon gahgmalan hrzla devam etmektedir.
Bu tez galrqmasrndakatalizdr kullanrlarak Kimyasal Ruhar Biriktirme metoduyla GaN nanotel biiyritme, aynca biiyiitiilen nano-tellerin geqitli karakterizasyon ydntemleriyle karakterize elmek amaclanm rstrr.
2.1. Yarriletkenler
Katr maddeler elektriksel dzellikleriyle metal, yan metal, yarriletken ve yalrtkan olarak ayrrt etmek miimktindrir. iyi bir iletken ile iyi bir yahtkan arasrnda qok ciddi bir fark mevcuttur. l"K srcakhkta bir metalin dzdirenci 10-lOOhrn.cm mertebelerindeyken iyi bir yalrtkanrn tjzdirenci 10-22ohm.cm kadar olabilmektedir. Malzemeler arasrndaki bu larkr agrklamak izere ortaya konulan ilk rnodcl serbest elektron modelidir (Rlademore ve ark.).
Serbest elektron modelinde valans elektronlan kristal iqerisinde ilelkenlik elektronlarrdrr ve malzeme iginde elektriksel iletime katrlan bu elektronlar iyonlarrn oluqturdu[u periyodik polansiyellerden etkilenmezler. Elektronlar igin bir dalga denklemi Eqitlik 2.1 orne[inde oldu[u gibi tanrmlanmrgtrr. Bu denklem ilerleyen bir dalgayr belirtmektedir. Bu dalga denklemi igin Schrodinger denklemi yazrlarak elektron igin enerji ifadesi Egitlik 2.2 omepinde oldufu gibi elde edilir.
yro(r)= s'r' n 2 ,
, o = ] f u t , + k , t
+ k - t )
/ m( 2 . 1 )
(2.2)
Yaniletkenler elektriksel iletkenlifi gegici veya kalrcr olarak geniq bir arahkta kontrol cdilebilen katr malzemelerdir. Yaniletkenler ckonomik vc teknolojik olarak oldukga biiyiik onenre sahiptirler. Flilgisayarlar, cep telelbnlan ve dijital ses aygrtlarr gibi elcktronik cihazlartn en dnernli pargalannrn briyiik bir krsnrr yaniletken malzemelcrden e l d c e d i l i r ( S i m o n , I 981 ).
Yaniletkenler ile yalrtkanlar, birbiiilerine benzer elektriksel davranrqa sahiptirler. Yalrtkanlar ilc yarriletkenleri elektriksel karakterizasyonlar bakrmrndan birbirinden ayrran cl-l onenrli fark yaniletkenlerde elektronlann serbest hareket e.debilmesi igin agmalan gcreken bir bant aralrfrnrn olmasrdrr. Yaniletkenlerde, yalrtkanlarda oldufu gibi oda srcakh[rnda qok az clektron, elektrikscl iletkenlifin sa[lanabilnresi igin gcrekli
3
olan bant arah[rnr agabilmeleri igin yeterli termal enerjiye sahiptir. Bu nedenle katkrsrz yaniletkenler ve yalttkanlar drqandan uygulanan bir elektriksel alan olmadrkga benzer elektriksel davrantg g<isterirler. Daha kiigiik bant arah[rna sahip yarriletkenlerin elektriksel tjzelliklerini srcakhk ile kontrol etmek daha kolaydrr(Simon, 1981).
Yaniletken malzemenin katkrlanmasr sonucunda malzemede olugan safsrzlrklar malzemenin elektriksel 6zelliklerinde deliqime sebep olurlar. Genellikle her bir safsrzhk atomunun katkrlanmasl sonucunda yaniletkene serbest bir elektron veya bir boqluk ekledi$ini varsaymak gegerli bir yaklaqrmdrr. Yeterli katkrlama ile yaniletkenler hemen hemen metaller kadar iletken olabilirler. Safsrzh[rn ttiriine bafh olarak yarriletkenin katkrlanmrq bdlgesi daha fazla elektron veya hol igerebilir. Elektronlarrn iletime daha gok katkr sa[ladrfr yaniletkenlere n-tipi, hollerin iletime daha gok katkr sa$adr[r yaniletkenlere ise p-tipi yaniletken denir (Simon, 1981).
2.2.III-V Yaniletkenle?'ve InN, GaN, AIN
III-V grubu yarriletkenleri geniq yasak enerji arahfr ve dolrudan bant gegiq <izellifine sahip yaniletkenlerdir. III-V grubu yarriletkenlerin oluqturdufiu bileqikler iyonik ve kovalent bag kangtmt bir <izellik g<isterirler. III-V grubunda bileqen atomlann boyutlannm bafrn iyonik karakterine olan etkisi yaniletkenin elektronik bant yaprsrnda onemli bir ozelli[i ortaya grkannaktadrr. Bu durumda bilegi[in ba[lannrn iyonik karakteri sadece yarriletkenin yasak enerji arahfrnr de[il aynr zamanda bandrn dolayh mr yoksa dolrudan mr oldu[unu belirler.
Elementler ve bilegik yaniletkenler kargrlaqtrnldr[rnda, bileq;iklerin daha yiiksek ergime stcakltklan, daha geniq yasak enerji arahklar ve benzer orgri parametrelerine sahip olduklan goriilmektedir. Bu olgu bileqik yaniletkenlerde ba[lann kanqrk(iyonik/kovalent) oldulunun bir kanrtrdrr. Ilileqili oluqturan atomlann gaplannrn yani bileqen atomlann btiyukliif0niin olugan kristalin ba[lannrn karakteri tizerinde tjnemli etkisi vardrr. Atomlar arast bogluklar kristalin iyonik yaprslnl iromo-polar yaprya dofrLr kaydrrabilir. Bileqen atom]ann boyutlannrn bafur iyonik karakterine olan ctkisi yanilctkenin elektronik bant yaprsrnda onemli bir dzelligi orlaya grkarmaktadrr. Ru
durumda bileqigin ba$arrnrn iyonik karakteri sadece yaniletkenin yasak enerji arah[rnr de[il aynr zamanda bandrn dolayh mr yoksa dofrudan gegiqli mi oldufunu belirlemektedir.
Genig bant arahkh yaniletkenler, <izellikle optoelektronik teknolojisinin geliqmesi ile yo[un bir qekilde gahqrlmaya baqlanmrgtrr. Bu materyaller, yiiksek srcakhk ve ytiksek frekansta gahqan elektronik aletlerde ve optoelektronik aletlerin yaprmmda tercih edilmektedirler. III-N tipi yaniletkenler (InN, GaN ve AIN) genig bant arahklan, sertlikleri ve teknolojik uygulamalara uygunluklarr nedeniyle oldukga <inemlidirler.
III-N tipi yaniletkenlerin, geniq bant arahklan, sertlikleri ve srcakhfa dayanrkh olmalart nedeniyle teknolojide uygulama alanlan oldukga geniqtir. GeniE bant arahklan nedeniyle optoelektronik aygrtlarrn yaprmrnda kullanrlmaya elveriqli olan bu materyaller, yeqil ve mavi rqrk bolgesinde spektrum verdiklerinden ktsa dalga boylu aletler igin de vazgegilmez,kaynaklardrr( Nakamura,l997). Qahqmalar gdsterrnektedir ki bu yaniletkenlerin hacim modiilii di[er III-V tipi yarriletkenlere gdre (GaAs, InP, AlAs vb) daha biiyiiktiir. Bu sonug III-N tipi yaniletkenlerin daha dayanrkh oldu[unu ve bu yiizden teknoloji igin daha uygun olduklannr gdsterir. Teknolojik uygulamalar agrsmdan bu derece rinemli olan III-N tipi yarriletkenlerin fiziksel dzelliklerinin incelenmesi de 6nem kazanmrqtrr. Bu nedenle bu materyallerin hacim dzellikleri birgok teorik ve deneysel grup tarafindan gahqrlmrEtrr. f{acim cizelliklerinin incelenmesi yaprsal dzelliklerin aragtrnlmasryla baglar. AlN, GaN ve InN yaniletkenlerinin yaprsal tizellikleri iizerine yaprlan gerek teorik gerekse deneysel gahqmalar literati.irde genig bir qekilde yer ahnaktadrr. Aynca bu yaniletkenlerin optoelektronik teknolojisinde kullanrm alanlannrn olmasr nedeniyle, clektronik ozellikleri de yofun bir Eekilde gahgrlmrEtrr. Elektronik ctzelliklerin aragtrnlmasrnda deneysel gahqmanrn zorluklan nedeniyle bu gahqmalar daha gok teorik olarak yaprlmrqtrr. Deneysel olarak, literattirde sadece GaN yaniletkeni igin S. A. Ding ve arkadaglannrn 1996 yrhnda fbton yayrnlanm asr tekni [i yle yaptr klan gah gma yer almaktadrr.
Galyum Nitrat III-V grubu bir bileqik, aynr zamanrJa do[rudan gegiqli bant yaprsrna sahip bir yaniletkendir. GaN birim hticresi hegzagonal yaprdadrr. Ilu yapr srkr paketli altrgen yapr (hcp)'ya sahip olup($ekil 2.1) birim hticresinde 4 tane atom vardrr.
5
Atomlar arasl agr tetrahedral agr olup l09u'dir.En yakrn komqu atom saytst 4 ve ikinci enyakrn komgu atom sayrsr 12'dir. Yasak enerji arahlr 3,4 eV'tur. Dofrudan gegigli yaniletkenlerde elektron ve boqluklann yeniden birlegme(rekombinasyon) momentum defigimi olmaksrzrn meydana gelir. Bdylece yaniletken foton iiretir. Bu ytizden do[rudan gegiqli yarriletkenler LED ve lazer tiretiminde srkhkla kullanrlmaktadrr. Ytiksek mekaniksel ve termal kararhh[a sahiptir ve serttir. Bu ytizden radar, fi.ize uydu sistemleri gibi alanlarda da kullanrlmaktadrr. Ultraviyole(UV) ve mavi rgrk dalgaboylanndaki rEr[r elektronik gegiqlerle sofuran ve iyi bilinen bir elektrooptik malzemesidir. Bu 6zelli[inden dolayr ultraviyole(UV) ve mavi rgrk yaytctlarda ve detektorlerde GaN kullanrlmaktadrr.
$ekil 2.1. Hegzagonal Wurtzite yapl
2.3. Nanoteknoloji
Nanoteknoloji, atomlarrn makro, diinyada olmayan
tek tek kullanrlarak. yalmzca niteliklcre sahip aygrtlann
gahqabilen defil, iq goren, iiretilmesi ve kullanrlmastnt
amaglayan bir alandrr. Tiirkge'ye "rnolekiiler tiretim" diye gevrilebilecek nanoteknoloji kavramr, son yrllarda gokga adrndan sdz ettirmektedir. Nano defieri, maddenin atomdan onceki son basama[rnr gosterir.
Nanometre terimi, antik Yunanca 'da "ciice" anlamrna gelen "nano" krjktinden gelmektedir. Nanometre, metrenin milyarda biri kadar olan bir dlgiidiir ve yaklaqrk 10 atomluk bir geniqlifii kapsamaktadrr Inm:10-o -]. KarErlaqtrrrna aqrsrndan bir sag telinin ortalama 150.000 nanometre oldufu sciylenirse karqrlagtrrma aqrsrndan faydah olabilir.
Nanoteknoloji ise nanometre olgefiindeki malzemelerin tasanmr, iiretimi, montajr, karakterizasyonu ve bu malzemelerden elde edilmig minyatiir fonksiyonel sistemlerin uygulamalarrnr inceleyen ve hrzla geliqen disiplinler arasr araqtrma-geligtirme faaliyetlerinin tiimtinii temsil etmektedir. Molekiller boyutta sistemler iireterek daha biiyiik sistemleri kontrol etfnek (Bottom-Up Approach) ya da, molekiiler boyutta gahqan gok yiiksek oranda kiigiilttilmiig makineler olugturma bilimi (Top-Down Approach) olarak ifade edilir (Weber, 2004)
Giintimiizde nanobilim alanrndaki bilgi birikimi akademik gevreler ve kolektif laboratuar gahgmalan sayesinde dinamik bir qekilde artmaktadrr. Bu dinamik yapr nanoteknolojiyi gelecefin bilimi yapma konusunda safilam bir qekilde ileriye gdttirmektedir. Buna ra[men hala nanoteknolojide yolun gok bagrnda oldufumuz sdylenebilir. Gtincel bilim hala mikro rilgek olarak tabir edilen mikroskobik biiyi.lkliiklerle gahqmaktadrr. 'fasarlanan nano bilim tirtinleri boyut olarak klasik fizik yasalan ile ifade edilemeyecek kadar kiigiiktiir. Bu nedenle nanoteknolojiyi agrklayan fizik kurallannrn ortaya konulmasr giivenilir nanoteknoloji iiriinleri igin gerekli goriilmektedir.
Nanoteknolojiyi ashnda evrenin olugumuna kadar gotiirmeliyiz. Qiinkii ke;fedilen soz konusu uygulama dmelin canh hticrelerin iginde bulunmaktadrr. Hticreler belli bir plana gore dokulan oluqtururlar. Bu dokularda canlr tiirlerini oluqturur. insanhk tarihindc nanoteknolojinin ilk olarak ortaya atrlmasr 1959 yrLnda fizikgi Richard
Feynman'rn Kalifomiya'da malzeme ve cihazlann molekiiler boyutlarda tiretilmesi ile baqanlabilecekleri lizerine yapmr$ oldulu iinlil konu$masrna kadar dayandrrrlabilir.
Richard lreynman, "There is Plenty of Room at the llottom" adh konuqmastnda her geyi kiigilk bir dlgekte yonlendirme ve denetleme diigiincesini dile getirmigtir. Bu konuqmasrnda Feynman gok kiigiiltiilmiig cihazlar ile nanometre btiytikliigiiniin rilgiilebilecefini ve bunun yeni amaglar dofrultusunda kullanrlabilece[inin alttnt qizmigtir. "2000'li yrllarda insanlar geriye doniip baktrklannda neden 1960'lara kadar bu konu ile ilgili ciddi gahgmalann baqlamadrfrnr merak edecekler" diyen Feynman'tn baglattrfr akrm, gtiniimtze kadar inantlmaz bir hrz ve bilgi birikimi ile gelmiqtir. ( A n o n i m , 2 0 1 1 )
1974 yrhnda Tokyo Universitesinde Norio Taniguchi tarafindan ortaya attlan nanoteknoloji mevcut teknolojilerin daha ileri diizeyde duyarhhk ve kilgiiltiilmesine dayalr olarak htzla ortaya grkan bir teknoloji olarak defierlendirilmiqtir. 80'lerde geligtirilen taramah tiinelleme mikroskobu ve atomik kuvvet mikroskobu ile nano boiutta dlgiim ve modelleme yaprlmasr mtimkiin hale gelmigtir. 1990'h yrllarda, atomik kuwet mikroskobunun geliqtirilmesi, 1991'de Sumio Lijima tarafindan karbon nanotiiplerin bulunmasr ve kuantum mekanifinin klasik ve modern stnlrlan arasrndaki farkr anlamadaki geliqmeler nanoteknolojinin geliqimi igin ciddi kazanrmlar meydana getirmiqtir (Anonim, 201 1 ).
Bdylece 20. ynzy:.lrn son geyrefinde, dofada bulurunayan yeni nanoyaptlann atomsal diizeyde tasarlanarak sentezlenmesi devri ba;ladr. insanlrk, 60 yrl iginde metre ya da milimetre biiytikliifiindeki malzemeleri kesici takrmlarla iqleyen ya da yiiksek srcakhklarda kalrplara d<lkerek ya da ddverek qekillendiren imalat teknolojisinden, atomsal diizeyde malzemeyi tasarlayrp yeni molekiiller olugtuffnaya yonelik bir imalat yrintemine gegti ve nanoteknoloji ile tanrqtr. Nanoteknolo.ii sayesinde gok daha kiigrik boyutlarda ve fonksiyonel aletler iiretilmesi saflandr.
Kiigiik boyutlu olmasrnrn faydalannr bir ornekle gorelim. Transistorlerde elektrotlar arasr mesaf.eye kanal geniqligi denir. Kanal geniqlifii bir transistijriin agma kapama hrzrnr bclirlemesi agrsrndan onemlidir. Kanal geniqlifi ne kadar dar ise transistor o kadar hrzh gahqmaktadrr. Buna ek olarak transistor boyutlannrn kiigiilmesiyle birlikte,
bir yonga (gip) igine yerlegtirilebilen transistor sayrsr da artmaktadrr. Hem daralan kanal geniqlifiyle hem de artan transistor sayrsryla elektronik aygrtlann perfbrmansr kat kat artmaktadrr (Jaeger, 2001). Bu transistorlerin GaN temelli yaprlmasr ile karakteristikleri artrnlmrgtrr (Khan ve ark., 1997)
1999 yrlrnda ABD'de Bill Clinton hiiktimeti nanoteknoloji alanrnda yririitiilen aragtrrma, geliqtirme ve ticarileqtirme faaliyetlerinin hrzmr artrrma amaclnl taqryan ilk resmi hiiktimet programlnr, Ulusal Nanoteknoloji Adrmrnr (National Nanotechnology Initiative) baglattr. 2001 yrhnda Avrupa Birli[i, Qergeve Programma Nanoteknoloji gahgmalannr dncelikli alan olarak dAhil etti. Japonya, Tayvan. Singapur, Qin, israil ve isvigre benzer programlar baglatarak 27. ylfizyilrn ilk kiiresel teknoloji yangrnda dnlerde yer almak igin gahqmalarrna hrz verdi (Anonim, 2011).
Giintimiizde bilim insanlarr her bilim dahna, her teknoloji alanma nano olgekleri sokmak, olasr srra drgr idzellikleri ortaya grkanp yeni bir teknoloji tiriiniinde kullanabi lmek i gin hay al leri zorlay an ydnteml er keqfetmek ted irl er.
Ornefin, karbon nanotliplerin otomobil lastiklerinde kullanrlmasryla, qelikten elde edilen dayanrkhh[rn ve gtivenilirli[in gok daha fazlasrnrn elde edilmesi beklenmektedir. Ya da viral RNA ve DNA'dan yaprlan nanorobotlann yakrt olarak kimyasal bilegenleri kullanarak, hiicre igindeki sanhk viriistine saldrrmalan dtiqiiniilmektedir. Difer yandan genetik yaprstyla oynanan viriisler, kuantum yaprlan miikemmel olarak dizebilen ktjlelere doniiqtiirtilebilir. Biligim alanrnda ise, nanoteknoloji kullanarak kuantum bilgisayarlann iglemcilerini geliqtirmek igin ufirag verilmektedir. Boylece mevcut cn hrzh bilgisayarlardan binlerce kat daha hrzh bilgisayarlann yaprlmasr planlanmaktadrr.
Her gegen gtin hrzla ilerleyen teknolojinin sokaktaki insana yansryan yrizti oncelikle cihaz boyutlannda ya$anan hrzh ktigtilmedir. Hepimizin bildigi gibi ilk bilgisayar bir oda kadar biiyiiktri ve yaptrklan iqlemi ve hrzlannr bugiinkri modellerle kryaslamak bile gu an iqin gok anlamsvbir davrantq olarak deferlendirilebiliriz. Giiniimtizde gok griglii bir bilgisayann bir saat biiyLikliifiinde olabilece[ini ve giinlerce $arj edilmeden galrqabilece[ini duydufumuzda "neden olmasrn" diyebiliyoruz. Bundan 20 yi cince ise
9
10 MHz hrzrndaki iqlemciler kullanryorduk. Oysa bugi.in 4 GHz'lik bir iqlemci igin ise "idare eder" dedi[imiz bile oluyor. 10 yrl sonra ise "4 GHz 'lik iqlemciler kullanrdtk" diyerek belki kendi kendimize
giilece[iz-Dofanrn temel taqrm oluqturan atomlann gdzle gtirtilemeyecek kadar kiigiik oldu[unu hepimiz biliyoruz. Bu atomlann diziliqleri sonucunda farkh tiir malzemeler meydana gelmektedir. Orne[in, komiir atomlanmn sualamqr de[igtirilebilseydi elmas bile elde edilebilirdi. Giini.imiizde molekiiler diizeyde iiretim yontemleri agrsmdan gok ta ileri bir durumda olmadr[rmrzr rahathkla sciyleyebiliriz. Giinliik yaqamln goEu alamnda yapabildi[imiz iqlemler, 6[iitme, ezme ve rsrtma gibi ycintemlerle maddeleri qekillendirmektedir.
Georgia Tech Universitesi profesdrlerinden Ralph C. Merkle 'in giiniimiizdeki igleme teknolojisi ile gok gizel bir benzetmesi var: "$u anda gergekleqtirebildifimiz iglemler, ellerinde boks eldivenleri olan bir kiqinin lego oyuncaklar ile bir qeyler yapmasma benzetilebilir. Bu kiigiik lego parqalarrnr kullanarak bir qeyler yapabilirsiniz, ama yaptrklannrz oldukga kaba bir halde olur. HAlbuki bu pargalarr hassas bir qekilde bir araya getirebilirsek gok daha hrzh bir bigimde daha hassas {iriinler ortaya qrkarabiliriz. iqte bu noktada nanoteknoloji devreye giriyor. Nanoteknoloji sayesinde bu eldivenleri gtkarma imk6nrna sahip olaca[rz. Do[anrn temel taqlannr oluqturan atomlan ucuz bir bigimde ve kolayca dtizenleyebilece[iz. Bu qekilde tiretilen iiriinler daha dayanrkh, daha hahf ve daha hassas rizelliklerle donatrlmrg olacak" (Anonim, 2011).
Kimya, atomlann ve molekiillerin iizerine kurulmuqtur ve dolrusu nano yaprlan da igeren materyallerin sentezinde oldukqa uzun bir tarihe sahiptir. Nano bilimin bugiinkri popiilaritesi, kullantlan birgok eski kimyasal metodun yeniden canlanmasrna sebep olmakla kalmamrg aynr zamanda nano yaprh materyallerin sentezi igin yeni modifiye kimyasal metotlann devamlt olarak geliqmesine yol agmrqtrr. Nano yaprh materyallerin kimyasal sentezlerinin ve siireglerinin kapsamr gok geniq olup optik, elektronik, manyetik, biyolojik, katalitik ve biyomedikal materyaller gibi birgok uygulama alaruna sahiptir (Koch, 2007).
Kimyasal tepkimelerin kontrolti, kinetili, akrlh molekiillerle kimyasal tepkimelerin ydnlendirilmesi, biyokatalitik (enzimatik) olaylann y<inlendirilmesi, kristal diizeni, kistal yapr hatalan ve bunlardan yararlanma, yizey kimyasr ve ytizeyin araqtrnlmasr, bu tekniklere uygun analiz ve kontrol tekniklerinin geligtirilmesi galrmrz kimyacrlanm, Ozellikle analitik kimyacrlan nanoteknoloj iye de yrinelmeye zorlamrqtrr.
Giiniimtizde safhk ve ekolojik problemlerin ekonomik ve etik de[erlere uygun araqtrnlmasr daha <in plana grkmrqtrr. Bunun sonucu giiniimiizde analitikgi yaqamlan gelre ve ig ortamrmn, solunan havamn, igilen suyun, yararlamlan nehirlerin, g<illerin ve denizlerin, toprafm, yedifimiz grdalann hatta insan ve hayvan bedeninin maddesel yaprsma ydnelik sorulan yaptr$r analiz sonuglannr bir ekonomist gibi toplumsal politikalara yrin verecek gekilde yorumlayarak ifade edebilmelidir.
2.4.BaztNanoyaprlar s
Nanoyaprlar ilk kez, 1985'de Richard E. Smalley ve grubunun yapmr$ oldu[u gahqmalarda "fulleren" admr verdikleri yaprmn kegfiyle ortaya grkmrgtrr. ..Fulleren,, (difer bir ismiyle karbon nanotoplar), 60 ya da daha fazlakarbon atomunun yiizeysel bir 0rgii olugturacak qekilde birbirine hegzagonal ballanmasryla oluqturdulu grafit plakasrmn krvnlarak futbol topuna benzer yapr meydana getirmesiyle elde edilmektedir.
Grafit
Fullere*
$ekil2.2. Grafit tabakasr ve bu tabakadan olugmuq fulleren
2.4.1. Nanoteller (Nanowires)
Nanoteller en genel haliyle gapr nanometre mertebesinde olan tel olarak tamnlanabilir.l0-lO0nm gapa, bir kag mikron uzunluga sahip silindiriksel tek kristal
1 1
halinde qekillere sahip olduklan g<izlenen yaprlardrr. Bu skalada kuantum mekaniksel etkiler dnemli oldufu igin teller, kuantum teller olarak da bilinirler. Nano boyutlarda kuantum fizik yasalan devreye girer ve malzemelerin optik, elektronik, manyetik ozellikled tamamryla de$iqmekte ve yeni yeni uygulamalara olanak sa$amaktadrr.
Nanotellerin kimyasal bileqikleri, yaplsr, boyutlan, gekli ve katkrlanmasr elektronik ve optoelektronik cizelliklerin belirlenmesinde rol oynamaktadrr. Nanoteller 6zel qekillere sahiptir. Genelde silindiriksel igi dolu boru gekline sahip olmakla beraber bazen beg k0Eeli simetri veya spiral qekle de sahip olabilmektedirler.
2.4.2. Nanokemer, Nanoqerit (Nanobelt, Nanoribtron)
Ashnda nanotellerin dzelliklerine sahip olmakla beraber, yaplyl oluEturan yiizeyleri nanotellere gore daha iyi tanrmlanabilen bir boyutlu yaprlardrr. Nanokemerler birgok oluqum metodu ile baganyla sentezlenmektedir. Elde edilen nanokemerler, kistallografik ydnelimleri nedeniyle genelde ytjzey merkezli kiibik veya hegzagonal faza sahiptirler.
$ekil-l'de g6rtildii[ii iizere uzun nanokemerler dikddrtgensel bir yaprya sahiptirler. Tipik olarak geniglik-kaltnltk oranr yaklagrk 5-10'dur. Yaprlan gahqmalar sonucunda, yiiksek althk srcakhk bdlgelerinde nanokemer yaprya sahip malzemelerin elde edildi[i $ekil 2.3. Nanogeritler (Anonim, 201 1)
gdzlenmigtir. Nanokemer iiretimi igin althk srcakhfir 800oC ile 1000'C arah[rnda belirlenmiqtir.
2.5. Nanoyaprlar ve Nanoyaprlartn Sentezlenmesi
Nanoteknoloii, karbon nanottipler, nanoteller, kuantum noktalan, nanokompozitleri kapsayan geniq bir alana sahiptir. Genel olarak nanoyaprlann tiretilmesi igin iki temel teknik vardrr. Yukandan aqafrya ve aqa[tdan yukanya teknikleridir. Yukarrdan agalrya tekni[inde, litograti, agrndrrrna ve depolama iqlemlerinin kombine bir qekilde kullanrlmasryla makro yaprdaki malzeme iizerine kiigiik gekiller olugturulur. Bu teknik, mikroelektronik ve fotonik gibi gegitli konularda baEanh olmugtur. Yukarrdan agagtya stratejisi, yaprlann geliqtirilmesi agrn hrzlt bir Eekilde devam ederken bir takrm engellerle karqrlagmrqhr. Aqafrdan yukanya tekni[i, kiigiik nesnelerin geligtirilmesi igin altematif bir yoldur. Fonksiyonel yaprlar kimyasal ve fiziksel olarak iyi hazrrlanmrg nanodlgekli yaprlardan elde edilir. Aqafrdan yukarrya stratejisi, araqtrrmactlann dofadan ofrendikleri bir ydntemdir.
Nanoteller ve nano$eritler, nanoteknoloji hakkrnda araqttrmactlann cin planda tuttuklart konulardrr. Tipik olarak nanoteller ve nano$eritler tek kristal ve yiiksek anizotropiye sahiptirler. Nanotellerin ve nano$eritlerin kesit gdrtiniimleri diizgiin yaprdadlr. Kimyasal igerik, dlqii, uzunluk ve btiytime do[rultulannr kapsayan anahtar parametreler nanotellerin ve nano$eritlerin kontrollti bir ;ekilde biiyiimelerine olanak vermektedir. Son zamanlarda pek gok grup eksensel ve radyal heteroeklemler, siiper cirgtiier, katkllr yaprlar ve hiyerarqik aflar gibi nanoteller ve nanogeritlerden oluqmug yaptlan baqanh bir qekilde tirettiklerirri gdstormiglerdir. Bu nedenle, nanotel ve nano$eritlerden oluqan alan etkili transistorler (irE'f) eklem transistorler, doniigtiirtictiler, p-n diyotlar, tqtk yayan diyotlar (LED), nanoolgekli lazerler, kannaErk manttk kaptlan, gaz sensorleri, fotodedektorler, biyosensorler. nanotitreEiciler ve nanojeneratdrler gibi fonksiyonel crhazlar iiretil m i stir.
1 3
Nanoyaprlann sentezlenmesi igin en genel iki yaklaryrm, yukan - aqalr (top -down) ve a$a!r - yukan (bottom - up) yaklaqrmlandrr. Yukan - aqafr yaklaqtmr, kuru daflamaya yardrmcr olan plazma ve dip-pen nanolitografi gibi metotlan igerir. Aqa$ - yukan yaklaqrmr ise dofrudan kimyasal sentezlemeyi igeren metotlar igerir. Bu yaklagrm ile kullamlan nano iiretim teknikleri; altimina oksit kahplar, buhar stvr katr (VLS) btiyiitme ve HOPG iizerine adtm - kenar (step - edge) dekorasyon olarak bilinir.
2.5.1. Anodik Aliiminyum Oksit (AAO) Kahp
Anodik aliiminyum oksit (AAO) kahplar ($ekil 2.4) , nanotellerin iiretilmesi igin igi doldurulabilen, nanoboyutlu yaprlardrr. Bu iiretim tekni[inde, Aliiminyum filmin arzu edilen bir bcilgesine elektrolit iginde anodize bir gerilim uygulamr ($ekil 2.a)..
+V
-V
AI
$ekil2.4.
Anodizasyon
Di[er elektrot ydnteminde Al kaplamaAnodizasyon, gerilimin uygulanmasryla olugan kimyasal reaksiyon sonucunda Aliiminyumun Alzo: haline gegmesine sebep olur. Bu kimyasal reaksiyon, Alzo: filminde gdzenekler oluqturur. $ekil 2.5'te gcisterilen AAO nanokahp haline gelir. fudmdan, arzu edilen malzeme (metal, yaniletken, vb.) bu oluqan grizenekler igine yerleqebilir. Sonra da, AlzOr nanotellerin kahptan aynlabilmesi igin aqmdrnlr. Daha gok nanotel sentezlenebilmesi igin daha gok gdzenekli yapr elde edilmelidir. Kahp haz6 hale getirilebilirse, bu kahptaki gdzeneklerde elektrokimyasal kaplama ile arzu edilen malzemelerin nanotelleri oluqturulabilir.
2.5.2. Molekiiler lgrn Epitaksi (MBE)
MBE, yiiksek kalitede depozisyondan dolayr genig bir gekilde incelenen bir yukan -aqa$ (top - down) nanotel sentezleme metodudur. Bu metotta kristal bir althk iizerine, molektillerin veya atomlann termal enerji rqrmalan kullamlarak madde depolamr. Bu olay, a5m yiiksek vakum gartlan (toplam basrng <10 Torr) altrnda meydana gelir. Bu metodun bir yaran, tek tabaka iginde kontrol altrna ahnabilen depozitin ka1n1[rdrr. Bu metot ile iiretilen nanotellerin gapl l0 nm mertebesindedir.
2.5.3.VLS Mekanizmasr
oncelikle bu mekanizma iginde rastlayacalrmrz faz diyagramlan ve <itektik srcakl[r gibi kavramlar hakkrnda temel bilgi verelim. Faz diyagramlan, sabit basrngta iki veya daha fazla elementten olugan bir qdzeltide elementlerin atomal ya da alrrlkga bilegimlerini ve kararh faz bdlgelerini srcakhpa ba[h olarak veren diyagramlardrr. Sofiuma srasmda srvt fazn iki ayn ka,n faza ayrrldrsr ig faz reaksiyonunda yok olan fazrn durum noktasma <itektik nokta denilmektedir.
otektik bileqimli bir gdzelti iginde, bilegenlerden herhangi biri srcaklk azaldrkEa ortaindan katr olarak aynlmaksrzrn, kangrmrn bir aradabulunabilece$i en diiqrik srcaklk olan belirli bir srcakhkta katr haline geger. Di[er bir deyiqle iki veya daha fazla elementten oluqan bir gtizeltide gdzelti saf bir element gibi tek bir noktada katrlaqrr. Bu
1 <
noktaya dtektik noktasr denilmektedir. Buna en iyi cirnek 0/o67 kalay, yo33 kurgundan olugan lehimdir (Atkins, 1 999).
VLS mekanizmast katalitik (catalytic, VLS) ya da katalitik olmayan (non-catalytic, VLS) olarak iki qekilde yaprlabilmektedir. Katalitik VI-S mekanizmasr, nanoyapl malzemesinin (Si, III-V Grubu bileqikleri, II-VI Grubu bileqikleri gibi) reaksiyon kogullan altrnda metal katalizcir yardrmryla taqryrcr iizerine nanoyapl formunda yerleEmesi iqlemidir. Nanoyapr formunda olugmasr istenen malzemeye uygun katalizrir oransal olarak faz diyagramlanndan faydalanrlarak segilebilir. Oyle ki bu oranda nanoyapl bileqimindeki elementler alagrm tizerinde tutunurken dtektik alaqrm iginde srvr halinde gdztinebilir olmah fakat daha kararh yaprda olan katr bilegik olugturmamahdrr. Yani tercih edilen katalizor fiziksel olarak aktif (nanoyapr bileqimindeki elementlerin alagtm yizeyi [zerinden kolayhkla tutunacafr) ama kimyasal olarak kararh olma|drr (ortamdaki oksijenle oksitlenip daha kararh yaprda olan metal-oksit bilegik oluqturmamahdu). Au, Cu, Co, Ni, Fe yaygrn biqimde katalizor olarak kullanrlan elementlerdir( Reed ve Lee, 2003).
Katalitik VLS mekanizmast gekirdeklenme, sripersatiirasyon ve biiyiimenin birbirini takip ettigi agamalarda gergekleqir. Bu mekanizmayla nanoyapr elde edebilmek igin, nanoboyutlu otektik stvt damlacrklann tagryrcr iizerinde birbirinden ayn adacrklar halinde Eekillenmesi gerekmektedir.
li'rt.,:ltnrnrtr:
fi1fi
,. I'tr
+n'lt,
nr,n
rt.t'Jl'rrju,:*h
riaFr
.t'
a b
$ekil 2.6. (a) Nanoyapr malzemesine uygun bir katalizcir0n yiizeyinin kaplanmasr, (b) kataliz6r kaph tagryrcr sonrasl yizey gerilimine bafh olarak adacrkh yapr ark.,2003)
ince filmi ile taqryrcr yrizcyinin rsrl iqlem
Adacrkh yapmm olugtusu bu agamaya gekirdeklenme denilmektedir ve olugan adactklann btiyiikliigii, tizerine inga edilen nanoyapuxn gapml belirlemekt edir- Lazerle sdkme (laser ablation), elektron bombardrmanr ile buharlaqtrma (Electron beam evaporation), tavlama (annealing) gibi gegitli tekniklerle adacrkl yapl saflanabilmektedir.
olugan adacrklann ynzeyi yiiksek yapl$ma katsayrsma sahip olup nanoyapl malzemesinin buhan bu ktsrm iizerinden tutunur ve dtektik alagrm oluqturur. Oyle ki bu alaqrm iizerinden tutunma devam ederek alagrm iginde malzeme buhanmn artrk gtiztinmedi[i srrura gelinir. Bu srmra stipersatiirasyon denilmektedir. Malzeme buhan taqryrcr ile srvr arayizeyine do[ru gOkelmeye ve kristallegmeye baglar ($ekil2.7).
IVraLeerrre huharnrm drftJsy+rlu
$ekil 2.7. Tagryrcr iizerine adacrklar halinde yerleqmig slvr alagrm damlacrklar iizerinden nanoyapl malzemesi buhannrn diftizyonu (Lee ve ark.,2003) Son a$amada bir yandan nanoyapl malzemesi buhan, srvr damlacrk tarafindan yufulurken di[er yandan srvr damlacrk iginde gdziinemeyen malzeme buhan katr yiizeye dogru gtikelir ve burada azotlareaksiyona girerek kristallegir. Btiytime denilen bu agama $ekil 2.8'de gdsterildi$i gibi, ortamda alaqrm damlacrklar srvr olarak bulundulu miiddetge malzeme buharr tiikenene kadar ya da srcakhfr dtigiirene kadar gergeklegir. Stu damlactk hidrojenl e, azotla ya dananoyapl malzemesiyle reaksiyon vermedilinden nanoyapl bileqimi iginde bulunmamakla birlilcte siireg sonuna kadar ortamdan
tzm nanoyapr ucunda kalrr. Elde edilen nanoyaprlann ucunda katrlagmrg bulunan bu kriresel damlacrklar btiytimenin vLS mekanizmasrvla
Taprlrcr
t 7
$ekil2.8- Nanotel btytime a$amasr qematik gristerimi (Lee ve ark.,2003)
Katalitik olamayan VLS mekanizmasrnda nanoyapr malzemesi eriyi$i katalizor gdrevindedir. Kendi malzemesi kataliz<ir olarak kullanrldrfmdan mekanizma (selfcatalytic) adrnr da alrr. Fmn srcakhfir kullamlan malzemenin erime srcakllrmn tistiinde bir srcakh[a ulagtr$rnda erimig srvr damlacrklar olugur. Bu damlacrk ytizeyi tizerinden o atomu yutularak nanoyapl gekirdesi olan nanoyapr oluqur.
Bizim bu gahgmamrzda uygulayacaSrmrzKimyasal Buhar Biriktirme(CvD) metodunda da VLS teknilinin a5amalan uygulanmaktadrr.
2.6. Nanoyapr Yaprsal Karakterizasyonu
Ytiksek voltaj altrnda ivmelendirilen elektron demeti ile numune arasrndaki etkileqimler sonucu' geqitli malzeme ve yaprlann morfolojisi, numunenin kimyasal bilegimi, kristal yapnr gibi geqitli <izellikleri belirlenebilir. Bu nanoyaprlar igin de gegerlidir.
Bu tez gahgmasrndaki numunelerin morfolojisi Taramah Elektron Mikroskobu (SEM) incelemesiyle belirlenirken, niteleyici ve niceleyici analizleri Enerji Da[r1m1 Spektrometre (EDS) ve X rqm Krnrumr (XRD) y<intemleriyle yaprlmrqtrr. Bu nedenle tincelikle SEM, EDS ve XRD analiz ycintemleri ile ilgili ayrrntrh bilgi verilmigtir.
2.6.1. Taramah Elektron Mikroskobu (SEM)
Taramah Elektron Mikroskobunda (SEM) ile nanoyaprlann morfolojisi hakkrnda bilgi edinilir' SEM'de gortintii, 10-4 ile l0-r0'rorr arah[rnda uygulanan yriksek vakum altrnda, yriksek voltaj ile hrzlandmlmrq elektron demetlerinin (5keV,den 20kev,e kadar) numune rizerine odaklanmasr; odaklanan bu elektron demetinin numune yiizeyinde tarattlmast strastnda elektron ve numune atomlan arasrnda olugan geqitli giriqimler sonucunda
meydana gelen etkilerin uygun algrlayrcrlarda toplanmasr ve sinyal giiglendiricilerden
gegirildikten sonra bir katot rqrn tiiptiniin ekraruna akta.lmasr ile elde edilmektedir' Yalmz elektron demetleri numune iizerinde nanometre mertebesinde gaplara sahip alanlar tizerine odaklanabilmektedir.
erinkti uygulama srrasrnda gok krsa dalga boylu elektronlar kullanrlmaktadrr
(enerjileri l04ev ve dalga boyla. 0,12nm civannda)' Modenl sistemlerde ise bu algrlayrcrlar bilgisayar monit6rtine de baflanabilmektedir.
SEM ile odaklanmrq ytiksek enerjili elektron demetinin malzeme ytizeyi tizerinde tarahlmast esnasmda elektron demetleri malzeme ile etkilegerek geri sagtlmlE elektronlar, ikincil elektronlar, X-rgrnlan ve fotonlar gibi geqitli sinyallerin olugmastna
neden olmaktadrrlar. Bunlardan her biri farkh dzelliklere sahiptir ve malzeme karakterizasyonunda kullanrlmaktadrr. sEM analizinde gririintri elde edilmesinde ikincil elektronlar ile yiizeyden yansrtrlan geri sagrlmrq elektronlar kullanrlmaktadlr- ikincil elcktronlar 6rnek geklini gdsterirken, geri sagrlmrg elektronlann 6rnek bileqimi hakkrnda bilsi verir.
SEM hig bir srnrrlama olmatlan farkh yapr ve qekildeki iirneklere uygulanabilmektedir. Yalntz SllM analizi yapimadan <ince incelenecek olan numunenin vakum iqintle bozulnlamasr ve iletkenlik saflamasr bakrmrndan
iizerinin ince bir Au ile kaplanmasr gerekmektedir'
Uretilmesi safilanan GaN nanotellerin karakteristikleri oldukqa kararlr oldugu igin bu a;amaya gerek kalmamaktadrr. Bir taramah elektron mikroskobu
optik kolon, numune hticresi ve gd^intiileme sisteminclen
oruqmaktadrr. optik koron; elektron demetinin kaynalr olan elektron tabancasr,
eleklronlan numuneye dolru hrzlandrrmak igin yiiksek gerilimin uygulandr[t anot plakasr, ince elektron demeti elde etmek igin odaklayrcr mercekler, demeti numune iizerinde odaklamak igin objektif mercefi,
bu merce[e ba[h geqitli Eapta pargalar ve elektron tlemetinin numune yiizeyini taramasr
r 9
igin tarama bobinlerinden olugmaktadrr. Gdriintii sisteminde, elektron demeti ile numune etkileqimi sonucunda oluqan geqitli elektron ve rgrmalan toplayan detektrjrler, bunlann sinyal gofaltrcrlan ve numune yiizeyinde elektron demetini gdnintii ekranryla senkron i ze tar ay an m anyetik bobi nler bul unm aktad r r.
2.6.2.X rqrnr Krrrnrmr (XRD) Yiintemi
Kristallerin atomlanntn geometrik dtizeni ve aralanndaki mesafe hakkrndaki golu bilgi bu yontemle elde edilmektedir. Bundan dolayr X rqrnlan krnmmr (XRD) kristalin bilegiklerin kalitatif olarak tanrnmasrnda pratik ve uygun bir ydnten-rdir. X rqrnr krnnrmr, aqrn miktarlardaki X rqtnt verilerini iqleyebilen gok ytiksek hrza sahip bilgisayarlarrn kullanrmryla btiytik dlgiide geliqmigtir. XRD teknifi, bir kristal dtizleminin birim hiicre boyutlarryla birlikte kristalin atom dlizlemleri arasrndaki uzakh[r belirleyebilen bir tekniktir. X rgtntnm iginden gegtigi madde elektronlan arasmdaki etkilegme neticesinde sagtlma olugur. Eler X tgrnlart bir kristaldeki dilzenli ortam tarafindan sagrlrrsa, sagtlmayt yapan merkezler arastndaki uzakhk X rgmrnrn dalga boyu ile aynr mertebeden oldufu igin sagrlan rgrnlar olumlu ya da olumsuz giriqim yaparlar. Bu durumda krnnrm meydana gelir.
XRD gahgmalannda, dalga boyu sabit X rgrnlarr kullanrlrr. X rqrnlan kayna[r olarak X rqtnr ttipleri kullanrlmaktadrr. Dalga boyu sabit X rgrnlarr elde etmek igin, rsrtrlan bir tungsten filamandan rsr tahriki ile yayrnlanan elektronlar elektromanyetik bir alan iginde hrzlandrnllr. Htzlandrnlarak yi.iksek enerji kazandrnlan bu elektron demeti bir anoda (bakrr gibi) garptr[rnda, elektronlar anodun elektron kabuklanna girerler. Yiiksek enerjili elektron demeti gekirde[e yakrn kabuktaki bir elektrona garparak onu yerinden gtkartlrsa, elektron kaybrndan dolayr atom kararsrz hale geQer ve bog kalan elektronun yeri daha yiiksek enerjili kabuktaki bir elektron tarafrndan doldurulur. IJu elektron gegiqinden kaynaklanan enerji farkt, karakteristik X rqrnr fbtonu olarak yayrnlanrr. Yaymlanan enerji,
- h c I
bagrntrsryla belirlenir. Burada; h: ), ise X r$rntnrn dalga boyudur.
( 2 . 1 )
Planck
sabiri
(6.62x10-3a
J.s),
c: rgrk
hrzr
(3x10s
m/s),
Bir yanktan gegirildikten sonra paralel hale getirilen X rgrnlan, daha soffa doner bir masa iizerine yerleqtirilmiq kristal dtizlemine gelir ($ekil 2.9.).Xrgrnr krnnrmr, basit bir ifadeyle bir kristal diizlemine gdnderilen X rqrnlannrn kristalin atom diizlemlerine garparak yansmlasl olayrdrr. Ancak buradaki yanslma rgr[rn bir ayna diizleminden yanslmasl olaytndan gok farkhdrr. Krnnrm olayrnda, gelen X rqrnlan kristal yi.izeyinin altrndaki atom diizlemlerine ulaqrr, yani krnrum ytizeysel bir olay degildir. l)1zensiz yaprda (amorf) bir kristal diizlemine gelen X rgrnr demeti kristal dtizlemlerine herhangi bir agryla garparsa, ktnntm gergekleqmez. Qtinkii kristal dtizlemlerinden yansryan X tqlnlanntn aldrklan yollann uzunluklan farklr oldufiundan, sciz konusu rqrnlar arasrnda fazfarkr olugur ve bu rgrnlar birbirlerini iptal ederler. Bunun sonucu olarak herhzursi bir krrrnrm (di fraksiyon) piki glzlenmez.
X rqrnt demetinin atom diizlemlerine Bragg agrsr olarak bilinen belirli bir agr ile garpmasl durumunda ise yanstyan tgrnlar tarafindan alman yol, dalga boyunun ()") tam katlanna eqit olacafrndan, rgrnlar aym faza sahip olur. Krnnrma u[rayan, yani atom diizlemlerinden yansryan X rqrnlannln ayru fazd.a olmasr durumunda difraksiyon deseni oluqur. Difraksiyon deseni elde edebilmek igin; X rqrnlannrn atom
hliit*l rliirler:ri
DBdektiil'
-{-ro,tnl tk'lrt*fi
2 l
l r J t ?iiirFs L-**-* 1 t r f I t \ aB
{b}
$ekil 2.9. (a) Bir kristal diizleminde X rgrm krnnrmrrun meydana geligi ve (b) krnrum olayrnda {-rqrnlannrn aldr[r yollann uzunluklan arasrndaki farklann aynnfih bir qekilde gdsterimi
diizlemlerine garpma agrsr (O),.'atom diizlemleri arasrndaki uzaklft (d) ve gelen ryrnlanrun dalga boyu (1.) arasrnda belirli bir ba[rntrmn bulunmasr gerekir. Bir X rqrnr demetinin birbirine paralel atom dtizlemlerine 0 agrsr altrnda garpmursl durumunda krnnrm meydana gelir. Yani kristal diizlemi, diizenli tek kristal yaprsrnda ise, X rqrnlan histal diizleminden aym fazda sagrlrr. Bunun sonucu olarak krnmm g<izlenir. Krnmmrn meydana geliqi $ekil 2.9.a'da gosterilmektedir. Burada farkh kristal dtizlemlerinden yanslyan rqrnlann detektore geldilinde ayru faz iginde olmasr gerekir. Bunun gergeklegebilmesi igin de $ekil 2.9.'daki MBN yol farkrmn ), dalga boyuna veya l.'mn tam katlarrna egit olmasr gerekir. Yansryan rqmlar, ancak bu durumda aynt fazda olurlar. Krnrum olayrnda xrgrnlanmn aldr[r yollann uzunluklan arasrndaki farklar $ekil 2.9.b'de aynntrh bir bigimde goriilmektedir.
Buna
gdre, X rqrnlanrun
aldrklarr
yollarrn uzunluklan arasrndaki
fark;
M B N = M B + B N
glarak
yazlJabilir.
AMB ve ANB dik iiggenlerinden;
MB
BN
s l n d = = -d d(2.2.)
(2.3.)
VEM B : B N = d sin9
(2.4.)
qeklinde yaz{r.
Buradan, X rqrnlanmn aldrklan yollann uzunluklan arasrndaki fark,
MB + BN = 2d sin9
(2.s.)
olarak bulunur. Krnmmrn gergeklegmesi igin bu yol farkmm ), veya l"'nrn tam katlanna eqit olmasr gerekir. Bu nedenle;
(2.6.) 2dsin9 = il.
ba[rntrsr elde edilir. Burada; Bragg agrsr (gelen rgrnlarla atom diizlemlerinin yaptr$ agr) ve l. (kullarulan X lqrmnm dalga boyu) bilinirse d (atom dtizlemleri arasrndaki uzakltk) hesaplanabilir. Bragg kanunu olarak bilinen bu ba$rntr X rgrnt krnmmr igin gerekli koqulu ifade eder.
X rgru krnnrmr; '
o Malzemenin igerdi[i fazlanbelirlemede, e Nicel ve nitel faz analizinde,
r Srcakhk, basmg gibi fiziksel parametrelere balh faz de[iqimlerinde, o Tanecik boyutunu belirlemede,
I 0rgii sabitlerini bulmada kullarulrr.
2.6.3. Enerji Dafrhmh X-Iqrnlarr Spektroskopisi (EDS)
Numune tizerinde oluqan X-rqrnlanrun enerji dalrhmr spektrumuna gtire numune hakkrnda bilgi veren bir ycintemdir. Uyanlmrg numune ytizeyindeki etkileqim hacminden grkan X-rqrnlan algrlayrcr iizerine dtiqer. Algrlayrcr ve buna ba$r 6n giiglendiricide X-rqrmnrn enerjisine gore bir gerilim ahmr (puls) olugur. Bu gerilim afimr ara giiglendiricide yiikseltildikten soffa <ilgme ve sayma iqlemini yapan gok kanalh analizore gelir. Burada X-rqrrunrn enerjisine orantrh olan attm yiiksekliSi tilgiiltir, bellekte o enerjinin saylsl bir artrnlrr. Bellekte toplanan veriler spektrum adr verilen graf,rklerle gdsterilirler. Spektrumlar belli zaman si.iresi iginde gelen defiqik enerjilerdeki X-rqrnlan fotonlannm sayrsrm gosterirler. Numunenin etkileqim hacminde hangi element varsa o elementin karakteristik enerjisine sahip fotonlann saytst daha fazla olacafrndan, spektrumda bu enerjilerde birbirinden ayn pikler olugur. Oluqan pik
23
qiddetlerinden de elementlerin alrrhkga ve atomal bulunma ytzdeleri hesaplanarak niceleyici olarak arwliz yaprlmaktadrr (Egerton, 2405).
L
Yaniletken nanotelleri farkhlagan elektronik ve optik <izellikleriyle mikroelektronik ve elektrooptik uygulamalannda kullamlmasr dtiqiintilen yaprlardrr. Bu gahgmada gaplan 50 nm ve altrnda olan GaN tellerinin btiytittilmesi hedeflenmektedir. Tellerin biiytitiilmesi amacryla silisyum alttagrn temizlenerek altrn kaplanmasl uygun gortildii. Deneyde kullamlan clhazlar Gaziosmanpaga Universitesi 20l0l4l no'lu ve 2011142 no'lu Bilimsel Aragtrrma Projeleri kapsamrnda ahnmrqtrr. Aynca Gaziosmanpaga Universitesi Fen Edebiyat Fakiiltesi Fizik Bdliimti Yaniletken Laboratuarrnda bulunan cihaz ve kimyasallar kullamlmrgtrr.
Bu gahqmada;
. Si alttagrn kimyasallardan ve oksitlerden temizlenmesi, temizlenen alttaglann altrn kaplanmasr,
elde edilen kaplanmrg alttaqlarda GaN nanotellerinin kimyasal buhar biriktirme y<intemiyle biiyiittilmesi,
. meydana getirilen yapilann karakterize edilmesi iqlemleri gergeklegtirilmiqtir.
o
o
GaN nanotelin finn iginde olugma reaksiyonu;
?
G a + N H , + G a N * " H , qeklinde gergeklegmektedir.
(2.2.)
3.1. Deneylerde Kullanrlan Malzeme, Alet Ve Cihazlar
3.1.1. Kullanrlan Malzemeler
Silisyumun kimyasallardan ve oksitten anndrnlmasr, altrn kaplanmasr ve kimyasal buhar biriktirme deneylerinde kullamlan kimyasal maddeler Qizelge 3.1'de verilmiqtir.
25
Qizelge3. I. Deneylerde kullamlan kimyasal maddeler Kimyasal Madde Sa{hk Uretici Firma
HCI Alfa Easer
IIF
Alfa EaserIIzOz Alfa Easer
NHrOH
Alfa EaserIzo-ProponaI Alfa Easer
Au
Alfa EaserAr
Alfa EaserNz AIfa Easer
Hz
Alfa Easer3.1.2. Kullanrlan Aletler ve Cihazlar
3.1.2.1. Yatay Tiip Frnn
Tiip finn, maksimum srcakhfa iki merkez bolgesinde ulagrlrrken, ug krsrmlara do!ru srcaklrk delerinde azalma gosterecek qekilde tasarlanmrqtrr. Btiylelikle, firrn iginde bir srcakhk gradyenti oluqturulmu$tur. Her iki bdlge de gahqtrrrlabildifi gibi yalmz bir brilge de gahqtrnlabiliyor.
Frnn maksimum 1200oC grkabilmektedir. Bu srcakh[a dakikada 20"C veya daha fazla bir hrzla gtkarabilir. Frrrn tiipii kuartz malzemeden yaprlmrgtrr. Tiiptin gapr 80mm ve uzunlufu 1000mm'dir ($ekil 3.1). Ttip gapmm bu kadar genig segilmesinin nedeni rahat gahqma imk6m vermesidir. Frnmn Eahqma voltajr 220 volthx.
Ayarlanmrg olan srcakhk de[erine en az +loC hata payr srcakhk artrqt ve di[er ayarlamalan <in paneldeki tuqlar rahathkla yaprlabilmektedir. ile VE ulaqmaktadrr. Ftnrun gostergeler yardrmryla
t
:V+ ", :n'+8
*, f\*
T*&4ffi91
. \hds
$ekil 3.1. QTF'-I200X2Dual Zones Tube Furnace (3") yatay tiip finn
3.1.2.2. Dijitat Vakum Olger
Ftnrun igi vakumlama esnasrnda hangi basmcr gdsterdifini bilmemiz kirlili$ az bir
{lrtin elde etmemiz iqin onemlidir. 10-a l'or'a kadar <ilgtim yapabilen Stinger marka
dijital vakum olger adaptcir yardrmryla 220Y AC gerilimi 8V DC gerilimine
doniiqtiirtilerek gahqmaktadrr ( $ekil 3.2).
ffi'
27
3.1.2.3. Gaz Akrq Hzr Olger
Gaz akrq hrzr <ilgmek deneyde kullamlacak gazmilJannr ayarlamak igin gok <inemlidir.
$ekil3.3. Gaz Akrg kontrol clhazr
3.1.2.4. Vakum Pompasr
Frnn igi basrnq deleri ne kadar dtiqtik olursa vakum pompasl dnemlidir. Vakum pompasl kapasitesine sahiptir.($ekil 3.3)
o kadar temiz iiriin elde edilece[i igin 10-a Tor basrnca kadar dtisiirebilme
i
$ekil 3.4. Vakum pompasr
3.1.2.5. Gaz Karrqtrncr Sistemi
Deneyde kullamlacak gazlar Ar ve NH3 gazlarrdrr. NH: gazrnrn Nz ve H2 gazlanndan elde edilmesi igin gazlarrn uygun deferlerde kangtrrrlarak finna verilmesi gerekmekledir. MTI gaz kanqtrrma sisteminin tig giriqi iki grkrqr vardrr($ekil 3.5). A ve B giriglerinden Nz ve FIz gazlan C giriqinden Ar gazt girmektedir. A+B grkrgrndan NH3 C qrkrqrndan Ar gazlan grkmaktadrr. Mekanik bir sistemle gahqmaktadrr. On taraftaki gristerge panelinde iig tane gaz akrg hrzr cilger bulunmaktadrr. Bunlardan 1 numaralt olanr gaz kangtrncrya A giriqinden giren gann akrq hrzmr rilgmektedir. Aynr qekilde 2 numarah olanr B giriqinden giren gazrn, 3 numaralr olanr da C giriginden giren gazrn akrg hrzr Olgmektedir. A ve B giriginden giren gazlar gaz kangtrncr sistem iginde bulunan bir tankta kanqtrrrlarak AlB grkrgrndan grkmaktadrr. A, B ve C giriglerini kontrol eden vanalar bulurunaktadrr. Aynca A+B grhgrnr da kontrol eden bir vana
$ekil3.5. Gaz kangtrncr sistemi
bulunmaktadrr. Bu vanalar yardrmryla kanEmasr saflanabilmektedir. Ayrrca miktarlarr ayarlanabilmektedir.
29
igeri ahnan gazrn basrncmr akrg <ilgerler vasrtasryla da
artrrarak daha iyi gazlarn kangma
3.1.2.6. Evaporatiir
Kataliz<ir olarak Si alttagln Au ile kaplanmasr <inemlidir. SPI Sputter Coater evaporat6r $ekil3.5'te gortildiigti gibi bir diizene[e sahiptir. Arka tarafindaki gaz giriq krsmrna Ar gazr ba[lanmaktadrr. Vakum bdlmesi kuartzdan bir malzemedir. Bu bdlmenin iisttine yerleqtirilen baqhk iizerinde 1000V (DC) seviyesine kadar grkan yiiksek gerilim kablolan takrlmrgtrr. Aynca drqandan vakum bdlmesine hava alma aparatr mevcuttur. Evaporatciriin tin panelinde agma-kapama dtifmesi bulunmaktadrr. Evaporatcire direk
bulunan vakum pompasl da bu dti[meyle kontrol edilmektedir. Aynca vine 6n Ar gazmr vakum brilmesine verrne aparatr vardr. Test dtifmesi, kaplamayr diifmesi, akrm g<istergesi ve zaman ayarlay:rr dii[me evaporatdnin modril 6n tarafinda yer almaktadrr.
i . !:i
f
A* gazr ile yaprlan kaplama daha temiz olmaktadrr. Ar gazt venneden yaprlan kaplamada kuartzda ve kaplanan malzemede kararma olmaliladrr.
Kaplama kahnh[rnrn bilinmesi <inemlidir. Kahnhk hesaplanmasr
d = KIVr
(3.1.)
formiilti ile verilir. Burada "d" film kahnh[rru, "I" aklmr, "V" kilovolt cinsinden gerilimi ve '1" de saniye cinsinden streyi ifade etmektedir. "K" ise kaplama hava ile yapdryorsa 0,07, argon gazrile yaprhyorsa 0,17 gibi bir sabittir.
POWER SWITCH
BUTTON TEST BUTTON
- POWERSWTC}UPILOTLIGHT
VACUUM CONTROL BASE
$ekil3.6. Evaporat<ir
3.2. Deney Aqamalan
3.2.1. Alttaqrn Temizlenm esi
Silisyum alttaqrn temizlenmesi esnasrnda RCA metodu uygulandl. Qok tercih edilen bir yrintemdir. Bu metot tig aqamadan oluqmaktadrr;
o Organik temizleme: glzinmez organik atrklann giderilmesi igin hazrlanacak soltisyon bir hacim NH+OH, bir hacim HzOz, altr hacim HzO ile oluqturulur. Bu soliisyonda 10 dakika kaynatrlrr.
3 T
Oksitten anndrrma: ilk aqama sonucu oluqabilen SiOz tabakamn kaldrnlmasr igin bir hacim HF ve on hacim H2O kangtrrrlarak olugturulan soliisyona daldrnlr. Burada oksitlerinden anndnlrr ve daha sonra 30 saniye deionize suda durulamr-iyonik temizleme: durulamr-iyonik temizleme igin bir hacim HCl, bir hacim HzOz ve altr hacim H2O kanqtrnlarak oluqturulan soliisyon ile on dakika kaynatrlrr. Daha soffa yeterince bir stire N2 gazl bulunan birortamda kurutulur.
3.2.2. Alttaqrn Kaplanmas t
Temizlenen alttaq SPI Sputter Coater evaporator clhazryla kaplama yaprlmrqtrr-Kaplama yaplml igin dncelikle evaporat<ire Argon gazr baplanmrqtrr. Argon gazl olmadr[r durumda temiz bir kaplama yaprlamamaktadr. Alttaq evaporatdriin igine yerlegtirilir. Once ig vakumu alrrur. Basrng l0-lTor'a ulaqrnca Ar gazt agrlarak akrm lSmA deferine ayarlarup gahqtrnlrr. Daha sonra 20s ve 30s siirelerle defi;ik kahnhkta kaplama yaprlmaktadr. Bu esnada Egitlik 3.1 cirne[inde oldu[u gibi argon gazt kullanrldrsr igin K sabiti 0,17,I akrmr l8mA, V deferi lkV olarak ahnarak t zamaw 20s ayarlandr[rnda 6nm, 30s ayarlandrprnda 10nm kahnhkta alttn kaplanmrq olmaktadrr.
3.2.3. Biiyiitme Deneyi
Biiyiitme kimyasal buhar biriktirme (CVD) y<intemiyle gergeklestirilmiqtir. Deneyin genel olarak gematik gdsterimi ile $ekil 3.7 deki gibidir. I. aqama alttaqrn kaplanma agamasrdr. II. aqama yiiksek srcakhfa grkma bdlgesi olup btiyiime igin <in hazrrltk brilgesi olarak adlandrnlrr. Bu aqamada katalizor olarak kullanrlan alttaqrn iizerindeki altrn tabaka topaklanmaya (gekirdeklenme) baglar. Bdylelikle nanotellerin biiytimesi igin uygun bcilgeler genel olarak belirlenir. III. a$ama biiy0menin gergekleqme Eamasrdrr. Bu aqamada topaklanmrg alttrun alt bcilgesine bilegik oluqturan galyum ve azot GaN molekiilleri olarak goker. Bu qekilde gokme iqlemi, srcakh[rn diiqtirtilmesiyle, deneyin sonlandrma anrna kadar devam ederek nanotel oluqturur.
. H . t l : l l . l l ' l l ----.-->t Ir t l r t l . l l . L l
:f;^
-l
I I Nanote I r l l : l I r:--:---:--::---] t tt
t
l
l
,
i
F"*-l n F"*-l m I I t<aplr si I: Fiik*kl !t"u*;--1
I l S r c a k h k
I i l C . * N U . I
: l B t t l e e s i
l : l
I
! _ i
\ I
: F;;;l
\t fs-;l
i-->l " oo
o^
o E---*
fr*-l Au_Ga_N
I
! l " : o . l =
! *
:
+
:
\
r t r \: rilil:
\*-l
i I tonatran
l:
I
o"*
I
. l - l r I . I t rA
$ekil3.7. VLS mekanizmasryla GaN nanotelin oluqumu
Literatiirdeki bazr gahqmalarda olugan nanotelin iist b<ilgesindeki altrn ug SEM g<iriintiileri ile verilmigtir. $ekil 3.8 bu duruma drnektir. (Zhangve Zhang,2003)
!
3 3
Deney diizene[i $ekil 3.9'de oldufu gibi kurulmu$tur. Deneye baqlamadan rince ku;11tz t0p vakumlanarak biiytik pargacrklardan anndnlmrgtrr. Vakum seviyesi dijital vakum dlger aleti ile diizenlenerek, bir gok deney sonrasrnda, 10-3 Torr'lar seviyesinde lutulmugtur. Daha sonra kuartz tiipe argon gazr verilerek tekrar vakumlanmrgtrr. Bu durum vakum haznesinde temiz bir ortamrn elde edilmesi igin birkag kez tekrarlanmrgtrr.
Frnmn programlanmasr ile $ekil 3.10'da giisterilen deney agamalan zamarun fonksiyonu olarak uygulanmrgtrr. Kuartz tiip igerisine yerlegtirilen potadaki Ga ve alttaq arasmdaki mesafe deliqik deferler alacak gekilde deney tekrarlanmrqtrr. Aradaki mesafe 3-7 cm arasrnda de[erler denenerek optimize gahgmasr yaprlmrgtrr.
o o o o o o o o
Alttaq Ga@
Pota ArI
l-
KuartzTtipo o o o o o o o
Isrtrcr Flamanlar*"rl
Vakum Pompasr FrnnA
B
C
Gaz Kangtmcr Sistemi A+B
C I
__J
N, Tupii Hz TupiiAr
Topu$ekil3.9. Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) Sistemi
Alt taqlar yaklagrk olarak 0.5x0.5cm2 alamndadrr. 0.8g katr halinde Ga (0/o99.9999, Alfa Easer
Deneyde her defasrnda potaya 0.5-marka) metali konularak optimize
yaprlmrqtrr. Deneyin tekrarlanmasrnda yukarrda bahsedildi[i gibi kuartz tiipiin vakumlanmasr iglemi tekrarlanmrqtr. Deney esnasrnda Ar (Yo99'999) gannrn ve NH: (%9S.S) gazrnrn 2 I 3 oranr sabitlenerek 60 / 90 mt/dak ve 80 I 120 ml/dak akrq luzr optimize gartlar olarak bulunmuqtur. Biiyi.itme srcakhfr (750 oC, 800 oC, 900 ) ve biiytitme siiresi (10 dak, 15 dak, 20 dak) de[igik de[erlerde denenmiqtir.
900
7s0
!(*
3q 40 AI (ml/dak)1(+
- - 1 - I 3d 4oi soi td 5 lsi 20;NH:
(ml/dak)
$eki13.10. Deneyde kullamlan parametrelerin (NH3 ve Ar gazlanrtrn aktq hrzr ve srcakhk) z;amana g<ire grafi [i
7q
I
2Ai
I
4. BULGULAR VE TARTI$MA
Deneysel gahqmalanmlzln ilk aqamasrnda Si alttagrn temizlenmesi ikinci aqamastnda kaplanmasr yaprlmrqtrr. Ugtincii agamada CVD yontemi kullarularak nanoboyutta GaN kistalleri sentezlenmiqtir. Bu ydntem ile bagarrh sonuglar elde edilmiqtir. Qahqmalar srrasmda, biiytime srcakhpr, taqryrcr gaz akrq htzt, deney siiresi, katalizor (Au) kahnltft (6 nm, 10 nm,) kaynak metal ile alttag arasr mesafe gibi etmenlerin yaprlar iizerindeki etkileri incelenmi gtir.
$ekil 4.1. Au kaplanmrq Si alttaqrn finnda a) 750oc'de b) 800
oc'de c) 850 oc'de rsrtrlarak elde edilen sdr0ntiiler
Birinci ve ikinci agamalar sonucu kaplanan alttaglarrn iizerindeki alttrun topaklanmasrrun hangi srcakhkta daha iyi oldu[unu gdzlemleyebilmek igin sadece alttagr finna yerlegtirilip vakum altrnda srcakh$r artrnlmtgtrr. Elde edilen alttaqlarrn mikoskop altrnda foto$raflarrm gekilmiqtir. Burada elde edilen gortintiiler $ekil 4.1 de verilmiqtir. 800-850 oc'de topaklanmarun daha iyi oldu[u goriilmriqtiir.
Daha sonra yaprlan biiyiitmelerde en optimal biiyiitmenin 900oc'de 120m1/dak NHr, g0ml/dak Ar akrg hrzrnda Ga ile alttaq arasr 5cm mesafede 1Onm Au kaph Si iizerine 20 dakikada biiytiltmesi oldufu g<iri.ilmiiqti.ir. $ekil 4.2'de SEM gtiriinttlsii olan biiyiittilmiiq nanotellerin belli bdlgelerde yumak geklinde agrk san renkte olduklarr goriilmiigtiir' Buradan nanotellerin 80.7nm gapa ve 10 mikrometre civan boya sahip olduklan tespit
edilmiqtir.
900oc'de 120m1/dak NHr, 8gml/dak Ar akrq hrzrnda Ga ile alttag arasr 5cm mesafede 10nm Au kap| Si iizerine 20 dakikada biiyiitiilmtiq nanotellerin SEM goriinttsii
yaprlan deneylerde Si alttaqrn kaynak metalle (Ga) arasrndaki mesafe azaltrldrfrnda daha kaln nanoteller elde edildifi gdriilmtqtiir. Bunun sebebinin kaynak metalden uzaklagrldrkga buhar haldeki Ga yofunlufu azalmasr oldu[unu duqiiniilebilir. Ayrrca deney esnasrnda kuartztiip igine verilen NH: miktannrn arfinlmasr ile nanotel kahnh$r artarken azalttlmast durumunda da nanotel oluqmadr[r gdzlenmiqtir'
a n J I
$ekil
4.3. gOooc'de
l20ml/dakNH:, gOml/dak
mesafede
10nm Au kaph Si iizerine
SEM gririintristi
Ar akrq hrznda Ga ile alttag arasr 3cm 20 dakikada btyiitiilmtig nanotellerin
Ayn qartlar altrnda sadece alttaq ve kaynak metal (Ga) arasr mesafe azaltrldrErnda Sekil 4.3 te oldu[u gibi daha kalm nanoteller elde edilmistir.
Altrn topaklanma gapr, biiyiiyen nanotel gaprna etkisi gok cinemlidir (Zenos ve Othonos, 2010). E[er topaklanma/gekirdek gapr briyrik olursa nanotelin gaprnda artma gozlenir. Bu yiizden en ktigtik qekirdek gapr elde etmek igin optimizasyon gahgmasr yaprlmrqtrr.
Elde edilen numuneyi enerji da[rhm spektrometresi (EDS) kullanarak analizettifimizde numunenin kimyasal olarak hangi atomlan igerdi[i hakkrnda bilgi sahibi olunur. $ekil 4.4'teki spektrumdan gdzlemlendi[i kadanyla alttag silisyum oldulu igin biiyrik bir silisyum piki elde edilmiqtir.
$ekil 4.4. 900oC'de l2}mlldakNH:,80m1/dak Ar akrq hrzrnda Ga ile alttaq arasr 5cm mesafede 10nm Au kaph Si iizerine 20 dakikada biiyiittilmiig nanotellerin EDS speklrumlan
Aynca kaynak metalimiz galyum ortamda yoEun olarak bulundu[u igin biiyiik bir Ga piki elde edilmiqtir. Bu spektrumda elde edilen oksijen piki, silisyum tizerinde bulunan SiOz tabakasrndan kaynaklandr[r ve bunun istenilen tilgtide kaldrnlamadrlrm anlaqrlmaktadrr. Bunun yamnda kuartz ttipe verilen NH: yiiksek srcakhkta hemenNz ve H2 gazlarna aynqtrsr igin galyum ile reaksiyona girerek GaN oluqturmasrndan dolayr elde edilen azotplki de gozlenmektedir. $ekilde gdzlenen karbon piki ise EDS cihazrmn inceleme esnasrnda parlamayr engellemek igin numunenin karbon ile kaplanmasrndan kaynaklanmaktadrr. Literatrirde karqrlaqtrrma ile EDS spektrumunun beklenen de[erlerle uyumlu oldu[u gortlmiiqttir.(Liu ve ark.,2003)
X-Igrnlan difraksiyonu kristal yaprya sahip maddeleri analiz etmek igin kullamlan bir y<intemdir ve difer analiz yontemlerine g<ire bazr tistiinltiklere sahiptir. Bunlarrn en Qnemlisi bir cismi ayn ayrl olugturan kimyasal elementler cinsinden defil numune iginde bulundufu gekilde agrklamasrdrr. Aym numunenin XRD analizi yaprldr[rnda
1 2 3 4 5 6 7 I S 1 0
3 9
$ekil 4.5. 900oc'de 120m1/dak NH:,80m1/dak mesafede 10nm Au kaPh Si tizerine XRD gciriinttsii
$ekil 4.5'teki gibi bir spektrum ortaya grkmrgtrr. ile hesaplanmtqttr. Debye-Scherer eqitli[i
0,894
Ar akrq hrztnda Ga ile alttaq arasr 5cm 20 dakikada biiyiitiilmiiq nanotellerin
Pargacrk boyutu Debye-Scherer ifadesi
( 4 . 1 )
d =
B c o s 9
ile verilir. Burada d pargacrk boyutu, l" X- rqrm dalga boyu olup' B en qiddetli XRD pikinin yan pik ytikseklifindeki pik geniqlifidir. XRD analizlerinde GaN nanotellerin tiretildi[ini gcisteren pikler belirmiqtir. Saf fazh bir materyal igin mtimkiin olan en iyi partlar alttnda deneysel olarak olgiilen qiddet (I) ve difraksiyon agtstndan belirlenen mesalb (tl) verilerinden oluqur. Bu veri trpkr bir insandaki parmak izi gibidir. Qiinkii mcsal-e (d) kristalin geometrisi tarafindan sabitlenir. $iddet de elementlorin kristal yaprdaki diizenlenmeleri ne balhdrr.
gekil 4.5'te literatiirden ahnan ve aynl ycintemler kullanrlarak biiyilti.ilen nanotellerin XRD spectrumlan ile karqrlagtrnldr[rnda, GaN'tn (100) ydniinde yonlenmiq hegzagonal yaprda oldu[unu, aynca elde edilen piklerin 2g agr de[erleri yine literatiir ile karErlaqtrnldrfrnda baganyla poli-kristal CaN tiretildi[ini gtistermektedir (Wang ve ark., 2002).
: i l 4
?o t: 2ftelaf!
$ekil 4.5. 900oc'de l2}mlldakNH:,80m1/dak Ar akrq hrzrnda Ga ile altta; arasr 5cm mesafede 10nm Au kaph Si iizerine 20 dakikada biiyiittilmiig nanotellerin XRD gciriintiisii
$ekil4.5'teki gibi bir spektrum ortayagrkmrgtrr. Pargacrk boyutu Debye-Scherer ifadesi ile hesaplanmrgttr. Debye-Scherer egitlifi
. 0.891
f l =
B cos4
ile verilir. Burada d pargacrk boyutu, ), X- rqrm dalga boyu olup, 0 en qiddetli XRD pikinin yan pik yiikseklifindeki pik geniqli[idir. XRD analizlerinde GaN nanotellerin iiretildi[ini g<isteren pikler belirmiqtir. Saf fazh bir materyal igin miimki.in olan en iyi gartlar altrnda deneysel olarak rilgtilen qiddet (I) ve difraksiyon agtstndan belirlenen mesafe (d) verilerinden olugur. Bu veri trpkr bir insandaki parmak izi gibidir. Qiinkii mesafe (d) kristalin geometrisi tarafindan sabitlenir. $iddet de elementlerin kristal yaprdaki dtizenlenmelerine ba[hdrr.
$ekil 4.5'te literatiirden ahnan ve aynl yontemler kullamlarak biiytitiilen nanotellerin XRD spectrumlan ile karqrlaqtrnldrgrnd4 GaN'rn (100) ytiniinde y<inlenmig hegzagonal yaprda oldu[unu, ayrrca elde edilen piklerin 2g agl de[erleri yine literatiir ile kargrlagtrnldrlrnda baganyla poli-kristal GaN iiretildi$ini gristermektedir (Wang ve ark., 2002).
(4.r)
L
0 @ 1 m
40
Amorf benzeri yiiksek diizensizlik pik XRD davramq 6zelli[i, (kiigiik aErlarda yi.iksek diizensizlik vererek) iiretilen GaN nanotelin optimizasyonunun daha fazla deferlendirilmesi gerektilini gtistermektedir.
