1

NANO TEKNOLOJİ

VE

UYGULAMALARI

2

1. GİRİŞ

İnsanoğlunun geçmişinden günümüze doğayı işleyebildiği oranda medenileştiğini ve refah

düzeyinin arttığını görmekteyiz. Özellikle yakın tarihimizde bilim ve teknolojilerde hızla kat

edilen mesafeler eskiye nazaran akıl almaz bir seviyeye ulaşmıştır. Önce 1800’lerde yaşanan

sanayi devrimi, ardından 1900’lerin başında otomotivde yaşanan büyük gelişmelerle otomotiv

devrimi, 1950’lerde ise fizikteki kuantum mekaniği kuramlarının ortaya çıkması ile beraber

bilişim ve bilgisayarda görülen inanılmaz hızlanmalar, bilişim devrimi diyebileceğimiz derece

önemli yeniliklerdir. Bu gibi gelişmeler oldukça insanoğlunun malzemeyle olan ilişkisi

gittikçe artmış ve malzeme teknolojisinin uluslararası gelişmişliğin temel bir göstergesi haline

geldiği gözler önündeki apaçık bir olgu olmuştur. Günümüzde yine devrim niteliğinde

olabilecek maddeyi atomik boyutlarda inceleyip işlemek fikri ve uygulamaları, bilim ve

teknolojiye yeni bir boyut kazandırmıştır. İşte yeni devrim ve gelecek yüzyılın teknolojisi

diye adlandırılan bu gelişmeler dönemi: nanobilim ve nanoteknoloji dönemidir.

Bilim ve teknolojilerde öncelikle var olanı anlamak ve incelemek, daha sonra ihtiyaca göre

yeni düzenlemeler ve keşifler yapmak temel bir içgüdüdür. Bu anlamda doğal olarak var olan

birçok sistem, eser ve olgu incelenmiş ve mükemmel verilere ulaşılmıştır, hatta ki sadece

doğadaki ve canlılardaki incelemeler, birçok teknolojik gelişmenin yol göstericisi olmuştur.

Zamanla daha hassas yapılan ölçümler ve uygulamalar sonucunda malzemelerin çok farklı ve

değişik sırları ortaya çıkmıştır. Özellikle biyolojik anlamda insan vücudunun mükemmel bir

çalışma ve işleme prensibine sahip olması, örneğin; vücut tarafından etkin silahlar olarak

hazırlanmış antikorlar; bu antikorların vücudu yabancı ve zararlı bir düşmana ‘antijene’ karşı

kanı korumaları, kendi kendini yenileyen sistemler gibi doğal olan mükemmel proseslerin

anlaşılması malzemelerin nano boyutta incelenmesiyle ortaya çıkmıştır ve bu olağanüstü

dizayn’ın moleküler boyutlardaki tasarımlarla meydana geldiği anlaşılmıştır. Aynı şekilde

doğada arıların kilometrelerce uzaklardan tekrar aynı yoldan dönmeleri, ipek böceğinin ipeği

hassas bir şekilde dokuması gibi birçok kusursuz işlem yine bu boyutlardaki gizemle

açıklanabilmektedir. Bu gibi örneklerden yola çıkarak ürettiğimiz malzemeleri mikro altı

boyutlarda incelemek merakı nanobilim ve nanoteknoloji kapısını sonuna kadar aralamıştır.

İnsanlık, 60 yıl içinde metre-milimetre büyüklüğünde malzemeyi kesici takımlarla işleyen ya

da yüksek sıcaklıklarda kalıplara dökerek ya da döverek şekillendiren imalat teknolojisinden,

atomsal düzeyde malzemeyi tasarlayıp yeni moleküller oluşturmaya yönelik bir imalat

yöntemine geçti ve nanoteknolojiyle tanıştı.

3

2. NANOTEKNOLOJİ

Nano bir ölçek, nanoteknoloji de o ölçekte geliştirilen teknolojiler anlamına geliyor, bu

yüzden nanobilim ve nanoteknoloji ile uğraşmak çok disiplinli bir durumdur; hedefi belirli bir

konu değil; işbirliği gerektiren, birçok araştırmayı içine alan geniş bir kapsama alanını

oluşturur. Nano milyarda 1 demek ve milyarda 1 ölçekle çalışmak demektir. Atomlarla ve

onların dizilişleriyle; malzemede, üretim tekniklerinde, yenilik yapmak ve ihtiyaca uygun

üstün özellikli yeni ürünler geliştirmek anlamına geliyor.

Nano sadece bir ölçü derecesi olduğu için nanoteknolojinin malzeme üretiminden başlayarak,

elektronik, manyetik, optik, mekanik, ve biyomedikal amaçlı işlemler gibi birçok disiplini de

kapsayan geniş bir uygulama alanı bulunmaktadır. Günümüzde kullanılan mühendislik

malzemelerinin birçok özelliği mikrometreden büyük boyuttaki iç yapılarından (tane, kristal)

kaynaklanmaktadır. Nano malzemeler ise, üstün özelliklerini, mikrometreden 10 ile birkaç

yüz kat daha küçük boyuttaki yapılara borçludurlar. Yakın zamanda bu alanda yapılan

çalışmalar, nano boyutlu malzeme, aygıt ve sistemlerin üretimi, karakterizasyonu ve

uygulamaları üzerinde yoğunlaşmıştır.[1]

Artık nanoteknoloji sayesinde süper kompüterlere mikroskop altında bakılabilecek, bir milyon

sinema filmi alabilen DVD’ler yapılabilecek, insan vücudunun içinde hastalıklı dokuyu bulup

iyileştiren, ameliyat yapan nano robotlar kullanılabilecek, insan beyninin kapasitesi ek nano

hafızalarla güçlendirilebilecek, birim ağırlık başına şuandakinden 50 kat daha hafif ve çok

daha dayanıklı malzemeler üretilebilecek. Yine günlük yaşamda kullanılan tekstil ürünleri

gibi ürünlerin değişebileceği gibi, uzay araştırmalarında ve havacılıkta da yeni roket ve uçak

tasarımlarının ortaya çıkması mümkün olacaktır. Bütün bu gelişmeler dünyayı yeniden

şekillendirebilecek bilimsel ve teknolojik devrim niteliğindedir. Yani yeni dönem, nanobilim

ve nanoteknoloji dönemi olarak başlamıştır.[1]

Nanoteknoloji nano ölçeklerde malzeme tasarlayıp üretmeyi, bu malzemelerden yeni

yöntemlerle aygıt, alet üretmeyi amaçlar. Bu bağlamda nanoteknolojide kullanılan yöntemler,

bilinen yöntemlerden çok farklı olabiliyor.

4

2.1 Nanoteknolojik Gelişmeler

Nanoteknoloji, malzemelerin, sistemlerin ve cihazların nano ölçekte şeklini ve boyutlarını

kontrol ederek tasarımının, simülasyonunun ve imalatının yapılması demektir. Atomik

ölçeklerde hassas mühendislik anlamına da gelen nanoteknoloji bu ölçeklerde işlenmiş

nesnelerin, insanların kullanabileceği bir hale gelebilmesi için sayıca çok olması

gerekmektedir. Bir ölçek olan nanometre, yaklaşık olarak yan yana gelen 3-4 atomdan

meydana gelir ve yine yaklaşık 100-1000 tane atom bir araya gelerek nano ölçeklerde bir

nesneyi oluşturur.[2]

20. yüzyılın başlarında maddenin temel yapı taşları, elektrik, elektronik ve optiksel özellikleri

hakkında farklı felsefik yorumlar ortaya atıldı. Bu konuda başta N. Bohr olmak üzere A.

Einstein, W. Heisenberg ve E. Schrödinger gibi bilim adamları bazı kuramlar ortaya attılar.

Kuantum fiziği olarak adlandırılan bu ön görülere göre maddeyi oluşturan parçacıklar,

örneğin elektronlar hem parçacık hem de dalga gibi davranırlar. Bu şekilde atom altı

ölçeklerde belirsizlik kuramının geçerli olduğu ortaya çıktı. Bu temel öğelerden doğan

kuantum mekaniği sayesinde atom ve moleküller hakkındaki bilgi ve yorumlar daha gerçekçi

bir şekilde algılanıp yorumlandı. Dolayısıyla bilim ve ilgili teknolojiler hızla yükselen bir

ivme ile gelişme gösterdi. Kuantum mekaniği sayesinde katıların klasik parçacık kuramı

kullanarak hesaplanan bazı temel elektronik ve manyetik özelliklerinin neden gözlemlerden

büyük sapmalar gösterdiği açık bir şekilde görülmüş oldu.[13]

Klasik mekaniğin geçerli olduğu imalat proseslerinde malzemelerin atomsal yapısı, mekanik,

elektronik ve manyetik özellikleri ancak kuantum fiziğinin temel öngörüleri anlaşıldıktan

sonra daha net bir şekilde çözümlenmeye başlandı. Bu bilgiler ışığında daha hassas üretimler

yapılmaya başlandı. Yarı iletken malzemeler, özellikle silisyum teknolojisi önem kazanıp,

mikro elektronik sanayi hızla gelişme sağladı. Bilgisayarların ve bilişim teknolojilerinin

hayatın vazgeçilmez birer parçaları haline gelmeleri, mikroelektronik başta olmak üzere,

optoelektronik, fotonik gibi teknolojilerin gelişmesinde de önemli bir rol üstlendi. Ancak

bütün bu gelişmelerin yanında, bilgisayarın her alanda insan hayatına sunduğu imkân ve

teknolojik kolaylıklarla beraber, bu teknolojinin uygulanması farklı ve yeni problemleri de

ortaya çıkardı. Bu problemler; aygıtlarda meydana gelen gereksiz ve zararlı ısılar, yetersiz

bilgi depolama ve işleme kapasiteleri, aygıt ve cihaz elemanların boyutlarındaki büyük

hacimler sayılabilir. Bu durumda hem bu eksikliklerin iyileştirilmesi hem de daha hızlı ve

daha küçük bilgisayarları elde etme çabaları hızla devam etmekte.[3]

5

Günümüz uygulamalarında bilgisayarlarda kullanılan aygıtların boyutları 50 nanometrenin

altına kadar inerken nanoteknoloji; daha küçük boyutlara inildikçe elektronik aygıtların

işleyişindeki yarı-klasik fizik kuramlarının geçerliliğini yitirmesiyle, atom altı boyutların

önemini gün yüzüne çıkarmaktadır.

Yeni teknolojilerin birçok alanda başarıyla uygulanması, bilimle uğraşan insanları gün

geçtikçe daha küçük boyutlara inmeye, daha az yer kaplayan, daha az enerji harcayarak daha

hızlı çalışabilen aygıtlar ve sistemler geliştirmeye mecburi kılan bir durum haline gelmiştir.

Dolayısıyla atomları teker teker dizerek şekillendirme fikri nanoteknolojiyi tetiklemiştir.[4]

Şekil 2.1 Bir yüzey üzerine atomların teker teker dizilerek Atom Adam’ın yapılması[4]

Yapılan araştırmalar bir malzemenin boyutu küçüldükçe malzemeye ait yeni özelliklerin

ortaya çıktığını göstermektedir. Boyutlar nanometre ölçeklerine yaklaşırken malzemenin

fiziksel özellikleri kuantum mekaniğinin kontrolüne girmekte, elektron durumlarının fazı ve

enerji spektrumunun kesikli yapısı daha belirgin bir hal almaktadır. Daha da önemlisi,

malzemeyi oluşturan atom sayıları 100’ler düzeyine inince, atomsal yapının geometrisi, hatta

atom sayısının kendisi bile fiziksel özelliklerin belirlenmesinde etken rol oynuyor. Nano

ölçeklerdeki bir yapıya yeni eklenen her atomun fiziksel özelliklerde neden olduğu

değişiklikler, bu atomun cinsine, nano yapının türüne ve geometrisine bağlı olarak farklılık

gösteriyor. Örneğin, nano yapının iletkenliği, o yapıya tek bir atom eklense bile

değişebilmekte. Benzer şekilde, nano ölçeklerde atomlar arası bağ yapısı da değişikliğe

uğrayabilmekte; mekanik olarak malzeme güçlenirken ya da zayıflarken, elektronik olarak

iletkenlik özelliği tümüyle değişebilmektedir.[5]

Yine yarıiletken olarak bilinen ve çağımızın en önemli malzemesi olan silisyumdan yapılan

bir telin çapı nanometreye yaklaşırken tel iletken bir karakter sergilemeye başlamaktadır.

Diğer ilginç bir malzeme de karbon elementi.[5]

6

Karbonun organik maddelerdeki yaygınlığı ve vazgeçilmezliği düşünüldüğünde ve bütün

canlıların karbon esaslı bir hayata sahip olduğunu düşündüğümüzde, naoteknoloji açısından

karbon atomunun ne kadar önemli olduğu açıkça görülür. Karbonun nanoteknolojideki yeri ve

önemi ile ilgili ayrı bir başlık altında detaylı bilgi verilecektir. Karbon uzun zamandır grafit ve

elmasın alltropları arasındaki büyük farklılıklardan dolayı merak uyandırıcı bir elementti.

Yapıtaşını karbon atomunun oluşturduğu elmas kristali, bilinen en sert ve yalıtkan

malzemedir. Kurşun kalemlerden tanıdığımız grafit ise karbon atomunun yumuşak ve iletken

bir yapısı.[6]

Bu iki ürün arasındaki tek farkın atom dizilişlerinin olduğu düşünülürse, nanoteknolojinin

farklı dünyası anlaşılacaktır. İşte teknolojinin yeni taleplerine yanıt verebilen bu olağanüstü

özellikler, nanometre boyutlarında yapay malzeme sentezlenmesinin önemini gösteriyor.

Nanobilimin en büyük amacı, nanometre ölçekli yapıların analizlerini yaparak bu boyuttaki

nesnelerin, cihazların ve sistemlerin fiziksel özelliklerinin saptanması ve bu fiziksel

özelliklere göre nanometre ölçekli yapıların imalatı, bu yolla malzemelerin yenilenmesi ve

geliştirilmesi, nano ölçekli ve duyarlı cihazların geliştirilmesi, uygun yöntemler bulunarak

nanoskopik ve makroskopik dünya arasındaki bağın kurulmasıdır. [4]

Nano boyuttaki yapıların özelliklerini, makroskobik ölçekteki yapıların özelliklerini

inceleyen, ölçen yöntemlerle tam olarak belirlemek mümkün değildir. Nano ölçekteki

yapıların farklılıkları sadece ebatlarının küçüklüğü ile ilgili değil, ayrıca küçük ebatlarda

farklı fiziksel özelliklerin ortaya çıkması ile de ilişkilidir.[2]

Atomik ölçülere inildikçe kuantum özellikler daha belirgin bir hal almaktadır. Bunun en

önemli sonuçlarından birisi atomların geometrik yapılarının ve dizilişlerinin maddenin bazı

fiziksel özelliklerini etkilemesidir. Daha önce değindiğimiz gibi elmas ile kömürü birbirinden

ayıran özellik, elmasta karbon atomlarının düzlemsel bir tabaka yerine üç boyutlu bir kristal

oluşturacak şekilde dizilmeleri ve pozisyon almalarındandır. Dolayısıyla atom yapısı ve atom

sayıları aynı olan bu iki maddenin fiziksel özelliklerinin tamamen farklı olmasının sebebi

atom dizilişlerinin farklı olmasından kaynaklanmaktadır. Aynı şekilde başka elementlerden

oluşmuş yapıların da boyutları küçülünce benzer şekilde makro yapıya göre çok farklı

özellikler göstermektedir.

7

Başka bir örnekte bizmut kristali ile bizmut nano teli incelendiğinde; bizmut kristali

makroskopik ebatta yarı metal bir malzeme karakteri gösterirken nanotel halinde bizmut yarı

iletken bir malzeme özelliği göstermeye başlamaktadır.[2]

Aynı atomlardan oluştuğu halde geometriler değişince biribirinden apayrı davranışa sahip iki

farklı malzeme karşımıza çıkmaktadır, üstelik her iki yapıda da atomların birbirlerine

bağlanma şekilleri de aynıdır. Bu örnekler bize maddenin elektronik özellikleri, optik

özellikleri gibi özelliklerinin boyutla değiştiğini göstermektedir. Bundan; malzemelerin

nanoölçekteki yapılarını kontrol etmeyi başarmakla birçok özelliği ve dolayısıyla işlevleri de

kontrol edilebilmiş olacağımız sonucunu çıkarabiliriz.[2]

2.2 Nanoteknolojinin Tarihçesi

Nano boyutta bir dünya olduğunu ilk defa ünlü Amerikalı fizikçi Richard Feynman (1918-

1988) ortaya atmıştır. Feynman 1959 yılında bir konferansta ‘‘There is plenty of room at the

bottom’’ (Aşağıda daha çok yer var) başlıklı konuşmasında ilk defa nano boyutlardaki gizeme

değinmiştir. Feynman eğer atom ve molekül büyüklüklerde imalat yapılabilirse birçok yeni

keşiflerin ortaya çıkacağını bildirmiştir. [1]

Nanoteknolojinin başlangıcı olarak kabul edilen bu konuşmada nano boyutlarda uğraşların

olabilmesi için, öncelikle nano ölçekte ölçme ve üretim yöntemlerinin geliştirilmesi gerektiği

vurgulanmıştır. Feynman’ın konuşmasından bazı dikkat çeken hususlar;

� 24 ciltlik Britannica ansiklopedisi bir toplu iğne başına yazılabilir

� Küçük ölçeklerde motorlar

� Biyolojik yapılardakine benzer üstün özellikli yapı ve sistemler

� Minyatür bilgisayarlar

� Atomlara hükmetme, onları yeniden düzenleme

Gibi ilk defa duyulup daha sonra keşfedilecek birçok yeni görüşlerden bahsetmiştir.

8

Şekil 2.2 Deve, toplu iğnenin deliğinden niye geçemesin? Micreon GmbH şirketinin yaptığı 2

mm boyunda, 300 mikron genişliğindeki bir deve figürü dikiş iğnesinin deliğinde[18]

Feynman’ın ön gördüğü düşünceler ışığında 1980’li yılların başında nano yapıların bazı

fiziksel büyüklüklerini ölçmek ve nano ölçekte üretim yapmak amacıyla bazı optik cihazlar ve

buna uygun yöntemler üzerinde çalışılmaya başlandı. Bu çalışmalar hem nanometre

ölçeklerinde saklı yeni davranışları ortaya çıkarmak, hem de atomu görüp onu istediğimiz

yere taşıyabilmemize imkan sağlamak içindi. Nitekim birçok yeni bilgiler ve keşifler bu

çalışmalarla beraber açığa çıktı. Yine bu çabaların sonucu olarak en önemli gelişme, karbon

nanotoplar ve ardından karbon nanotüplerin keşfedilmesi oldu ve bu başarılar nanoteknoloji

dönemini aktif olarak başlatmış oldu.[29]

Maddelerde büyüklükler nanometre düzeyine inince elektron enerjinin kuantumlaşmasının

malzemede elektrik ve ısı iletkenliği gibi fiziksel özelliklere yansıyacağını ve yeni

kuantumlaşmaların ortaya çıkaracağını yapılan araştırmalar göstermiştir.[1]

Bütün bu gelişmelerle beraber eskiden olduğu gibi yapılacak araştırmalar artık bizzat

laboratuar ortamında yapılmak zorunda değildi. Atomsal ve moleküler boyutlarda deneyler

yapmaktaki güçlükleri aşmak için geliştirilen bilgisayar simülasyon programları, yapılmak

istenen deneyin veya uygulamanın gerçek ortamdaymış gibi önce simülasyonu yapılmaya

başlandı. Bu sayede gerçekçi deneyler hızlı bir şekilde yapılmakta ve uygulanan prosesler

sağlıklı bir şekilde gözlemlenmektedirler.

9

Nanobilimin ve nanoteknolojinin gelişmesinde en önemli etmen; nano ölçekte ölçme ve

inceleme yapabilen mikroskoplar ve bu boyutlarda işlemler yapabilmek için oluşturulan

yöntemlerdir. Bunlar:

� Saçılma Yöntemleri

� Taramalı Elektron Mikroskobu

� Transmission Elektron Mikroskobu (TEM)

� Taramalı Sonda Mikroskobu

� Taramalı Tünellemeli Mikroskop

� Atomik Kuvvet Mikroskobu

� Yakın Alan Taramalı Optik Mikroskop, gibi yöntemlerdir.

Bu uygulamaların hepsi ayrı bir başlık altında detaylı bir şekilde incelenecektir.[2]

2.3 Nanobilim ve Nanoteknolojinin Kronolojik Gelişimi

1959: Richard Feynman’ın meşhur konferansı.

1974: Aviram ve Seiden ilk moleküler elektronik aygıt için patent aldı.

1981: G.K. Binnig ve H. Rohrer atomları tek tek görüntüleyebilmek için Taramalı

Tünellemeli Mikroskobu (STM) icat ettiler.

1985: R. Curl Jr. , H. Kroto, R. Smalley C60 ’ı keşfettiler.

1987: İletkenliğin kuantum özelliği ilk defa gözlendi, T.A. Fulton ve G.J. Dolan ilk defa tek

elektron transistorünü yaptılar. Moleküler transistör yapımının başarılması, Bell

Laboratuvarları’nda 1940’lı yıllarda Shockley, Bardeen ve Brattain tarafından yapılan ve bir

yumruk büyüklüğünde olan katı hal transistorün boyutunun, yaklaşık yüz milyonda bir

küçülmesi anlamına gelmekte. Ancak, moleküler tansistörlerin birbirlerine iletken tellerle

bağlanmaları ve bu transistörlerden bütünleşik devre yapılması, çözümü zor problemleri de

beraberinde getirdi.

1988: W. De Grado ekibiyle beraber suni protein yapmayı başardılar.

1989: Scweizer ve Eigler IBM logosunu nikel bir yüzey üzerinde duran zenon(35 Xe atomu)

atomlarının yerlerini yenşden düzenleyerek yazdılar.

10

Şekil 2.3 Nano boyutta IBM yazısı[24]

1991: Japon Lijima çok duvarlı karbon nanotüpleri keşfetti.

1993: Lijima ve Bethune tek duvarlı karbon nanotüpleri keşfettiler.

1997: N. Seeman ilk kez DNA molekülünü kullanarak nanomekanik aygıt yaptı ve aynı yıl

içinde Rice Üniversitesinde (ABD) Nanoteknoloji laboratuarı kuruldu.

1999: M. Reed ve J.M. Tour ilk defa tek organik molekül ile elektronik anahtar yaptılar.

2001: ZnO nanotel laseri yapıldı.

2002: Süperörgü nanoteller yapıldı.

2005: Dört tekerlekli nano araba modeli hareket ettirildi.[2]

Şekil 2.4 Motorize bir nano araba[17]

2.4 Ölçülendirme Prensipleri ve Nanoboyutlarda Ölçü

Ölçü, dejenerasyonsuz, belirleyici bir kurala göre herhangi bir şeye sayısal bir değer

atanmasıdır. Başlı başına bir disiplin olan ölçü, teknik bilginin en temel ve zorunlu uzantısıdır

ve ölçü olmadan herhangi bir teknoloji de düşünülemez. Herhangi bir konuya objektif bir

yaklaşım sadece ölçü ile sağlanabilir.[3]

11

Ölçünün metodolojisi, cetvelleri, sistemleri (ingiliz, metrik), ve her konuya özel birimleri ve

sembollleri vardır. Buna temel teşkil eden anahtar anlaşma 1875 yılında Paris'te imzalanan

‘‘metre’’ anlaşmasıdır. Bugün tüm dünyada geçerli olan Uluslararası Ölçüm Sistemi (SI)

1960’taki ‘‘Ağırlıklar ve Ölçümler’’ genel konferansında tanımlandı ve buna resmi bir statü

verildi. Bu sistem bilimde ve teknolojide kullanmak üzere önerilmiştir.

Ana birimler: Uzunluk birimi “Metre”, Kütle birimi “Kilogram”, Zaman birimi “Saniye”,

Elektrik akımı birimi “Amper”, Sıcaklık birimi “Kelvin”, Madde miktarı birimi “Mol”, ve

Işık şiddeti birimi “Candela”’dır.[21]

Nano terimi ölçü birimleri için kullanılan bir ön-ektir. Ancak nanoteknolojik işlemler

denildiğinde genellikle uzunluk birim ön-ek’i olarak kullanılmaktadır. Nanoyapılar uzunluk

olarak düşünüldüğünde yaklaşık olarak 10-100 atomluk sistemlere karşılık gelmektedirler.

Nano uygulamalar, hesaplamalar ve işlemler 10-200 nm boyutlarında gerçekleştirilen

uygulamalardır. Dolayısıyla yapılan nanoteknolojik bir araştırma ve incelemeler bu ölçülerde

yapılıyor demektir.

Yapılan gözlemler nano boyutlardaki sistemlerin fiziksel davranışlarının makro boyuttaki

sistemlere kıyasla çok daha farklı olduklarını ortaya koymuştur. Zaten nanoteknolojiye bu

kadar ilgi duyulmasının, büyük umut ve beklentiler içerisinde olunmanın esas kaynağı da bu

boyutlarda malzemelerin özelliklerinin akıl almaz derece değişmesi; genel itibarla da bu

değişimlerin çok verimli olmasındandır. [4]

KATSAYI ÖN-EKLERİ

Standartlaştırılmış uluslararası (SI) birimlerinin geniş çapta her türlü duruma

uygulanabilmesini sağlamak üzere 1991 yılında yapılan ağırlıklar ve ölçüler 19. genel

konferansı metrik katsayı öneklerini 1024 ’den, 10-24 ’e (yotta’dan yokto’ya) kadar genişletti.

12

Çizelge 2.1 Ölçü birimlerinin katları için kullanılan SI tarafından onaylanmış ön-ekler

Faktör İsmi Sembolü Anlamı Faktör İsmi Sembolü Anlamı 10 deka da on 10-1 desi d onda

bir

102 hekto h yüz 10-2 santi c yüzde

bir

103 kilo k bin 10-3 mili m binde

bir

106 mega M milyon 10-6 mikro µ milyonda

bir

109 giga G milyar 10-9 nano n milyarda

bir

1012 tera T trilyon 10-12 piko p trilyonda

bir

1015 peta P katrilyon 10-15 femto f katrilyonda

bir

1018 eksa E kentilyon 10-18 atto a kentilyonda

bir

1021 zetta Z sekstilyon 10-21 zepto z sekstilyonda

bir

1024 yotta Y septilyon 10-24 yokto y septilyonda

bir

Nanometreyi şöyle örneklendirebiliriz: 1 Nanometre metrenin milyarda biri, insan saçının

kalınlığı ise yaklaşık olarak yüz bin nanometredir. Bu karşılaştırma nanometrenin boyutlarını

daha net bir şekilde göstermektedir. Nanometrik boyutta malzemeler hem atomik hem de

makroskobik özellikler göstererek, hiç bilmediğimiz yeni bir dünyayı bize sunmaktadır.

Bununla beraber nano boyutlara gelinince hem makro özellikler hem de mikro(kuantum)

özelliklerin etkilerinin aynı anda etkin olmaları, bazı zorluk ve problemlerin doğmasına sebep

olmaktadır.[6]

13

Bir milyon nanometre Binlerce nanometre Nanometre Nanometreden küçük

Şekil 2.5 Nanometrenin ölçüsünün fiziksel karşılaştırılması

Bir karıncanın başının genişliği bir milyon nanometre, vücuttaki bir kan hücresinin büyüklüğü

bin nanometre, DNA molekülleri yaklaşık 2.5 nanometre, atomların çapları ise nanometrenin

onda biridir. Özellikle DNA molekülü nano boyutlarda olan doğal bir nano üründür ve bu

ölçeklerdeki tasarımın mükemmelliğini göstermektedir.

2.5 Malzemelerde Boyut

Malzemelerin iç yapıları, boyutlarına göre farklı şekillerde sınıflandırılmaktadırlar ve

malzemenin nasıl bir yapıda olduğu boyutuna göre belirlenir. Boyutlara göre malzemelerin

birçok özelliği değişim göstermektedir. Malzemelerde boyut; malzemenin serbest

elektronlarının hareket edebilme serbestlikleri ile belirlenen bir olgudur. Malzemenin

yapısındaki elektron akımı serbestlik derecesine göre şekillenir.[2]

Eğer serbest elektronlar eksenel olarak üç yönde de hareket edebiliyorlarsa malzeme 3D (üç

boyutlu) yapı olarak adlandırılır, katı madde olarak bilinen yapılar 3D’lu yapılardır. Serbest

elektronlar sadece iki yönde hareket edebiliyorlarsa o zaman malzeme 2D (iki boyutlu) yapıya

sahip malzemedir. Bütün katmanlı yapılar iki boyutlu malzemeler sınıfındandırlar. Katmanlı

yapılarda bir kat, bir cins atomdan oluşurken, başka bir kat da farklı bir atom cinsinden

oluşur.

Elektron serbestlikleri tek yönde olan malzemeler ise 1D (bir boyutlu) yapılar olarak

adlandırılır. Nanotel, nanotüp gibi yapılar bu gruptaki yapılardır. Ayrıca bu yapılarla beraber;

serbest elektronları bulunduğu halde, üç yönde de sınırlanmış olan bir yapıya sahip olduğu

için hareket kabiliyeti olmayan yapılar da vardır ki bu yapılara da 0D (sıfır boyutlu) yapılar

denilmektedir. Nanotop, kuantum nokta ve topaklar bu sınıftandır. Bu tür yapılar kuantum

14

bilgisayarlar da dahil, birçok elektronik işlevli uygulamalarda mutlaka kullanılan

bileşenidir.[2]

Malzemelerin elektronik özellikleri ve elektronik işlevleri, boyutu ile doğrudan doğruya

ilgilidir. Herhangi bir boyutta olan bir malzemenin tek yapı örneği olmayabilir. Örneğin

bizmut elementine bakacak olursak; 1D’lu bizmutun üç farklı yapısı vardır; çubuk yapısı, tüp

yapısı ve atom dizisi yapısı. Çubuk yapının iç kısmı kristal yapı özelliğindedir, tüp yapının içi

boştur, atom dizisi şeklindeki yapılar ise bir kristal yüzeyine dizilmiş atomlardan oluşmuştur

ve bu örneklerin hepsi nanotel çeşitleridir. [2]

3 NANOBOYUTLARDAKİ İŞLEMLERİ ETKİLEYEN ETMENLER

Bu bölümde karakteristik olarak boyut azaldığında malzemenin özelliklerinin ve

davranışlarının nasıl değiştiği üzerinde durulacaktır. Nanotaknoloji atomsal ve moleküler

düzeyde bir uğraş alanı olduğu için, çalışmalar bu boyutlarda yapılmakta olup nihai

nanoimalat da yine bu ölçeklerde olacaktır. Nano seviyelere inildiğinde azalan ölçü

değerlerinin; malzeme, cihaz, sistem, malzeme iç ve dış kuvvetleri, ürün tasarımı gibi

faktörler üzerindeki etmenleri de son derece önem kazanmaktadır.[7]

3.1 Küçük Boyutlarda Malzemeler Makro boyutlarda bir nesnenin sınırları elle tutulur gözle görülür bir durumdadır ve sınırları

çizilmek suretiyle belirlenebilir. Nesneyi daha küçük parçalara ayırmanın maddenin fiziksel

özellikleri üzerinde farklı etkileri vardır.

Örneğin r yarıçapına sahip küresel bir elemanın iç dinamikleriyle ısıtıldığını düşünelim ve ısı

miktarının da elemanın hacmiyle doğru orantılı olduğunu varsayalım;

Küresel elemanın hacmi:

Elemanın çevreye verdiği ısı miktarı ise kürenin yüzey alanı ile doğru orantılı olacaktır.

Küresel elemanın yüzey alanı: [1]

15

Eğer küresel elemanı n tane küçük parçacığa ayırırsak toplam yüzey alanı artacaktır.

Dolayısıyla küçük parçacıkların dışarıya ilettiği ısı miktarı da orantılı olarak artacaktır. Bu da

bize boyutlar küçüldükçe işlem hızlarının arttığını göstermektedir. Nanoboyutlarda

çalışıldığında karşımıza daha karmaşık bir uğraş alanı çıkacağı ortadadır.[1]

Kimyasal Reaktivite: Malzemenin iç ve dış atomlarının durumları farklı olmaktadır. Makro

ölçeklerde bir nesnenin yüzey atomları ile iç atomları niteliksel olarak farklılık gösterirken,

boyutsal olarak aşağılara inildiğinde nesne artık sadece yüzey atomlarından ibaret olmaktadır.

Kimyasal reaktiviteleri göz önünde bulundurursak yüzey atomlarının iç atomlardan daha çok

bağlanma ihtimalleri vardır. Dolayısıyla nanoölçeklerde madde tamamen yüzey haline

geldiğinde büyük değişimlerin oluştuğunu gözlemleyebiliriz.[7]

Nesneleri nanoölçekte bir, iki veya üç boyutta kümelemek, yeni bir çeşit süper kafes veya

süper atom sınıfının meydana gelmesini sağlar. Taşıyıcıların iki, bir veya sıfır boyutta

sınırlandırlması ile sırasıyla nanoplakalar, nanofiberler ve nanoparçacıklar oluşur, bu

nanoyapılar, bir nanocihazın yapımında kullanılırlar.[11]

Elektrik İletkenliği: nanoboyutlara inildiği zaman karşımıza çıkan nanotaneciklerin

elektriksel davranışlarının nasıl olduğu son derece önemlidir. Küçük dünyaya indiğimiz

zaman şaşırtıcı özellikler gün yüzüne çıkabilmektedir. Elektriksel özellikler de genellikle iyi

olmakla beraber, bazı malzemelerde bu boyutlara inildiğinde, elektrik özelliğinin düştüğü

nadiren de olsa gözlemlenebilmektedir. Ancak büyük bir oranla nanoölçeklerde malzeme

elektriki durumu iyileşme göstermektedir diyebiliriz.

Nanoboyutlarda elektriksel etkileri anlayabilmek için öncelikle temel elektrik bilgilerine bir

göz atalım;

Elektrik:

Elektrik enerjinin bir şeklidir. Maddenin en küçük yapı taşını oluşturan atom, kendi içerisinde

bulunan parçacıkların etkisiyle elektriğin oluşumunda ve iletilmesinde büyük rol oynar.

Atomu oluşturan parçacıklar:

16

Şekil 3.1 Atomun Yapısını Oluşturan Tanecikler

Atom çekirdeğinin etrafında negatif yüklü elektronları vardır. Bir dış kuvvet tarafından bir

atomun elektron ve protonu arasındaki denge bozulduğu zaman o atom bir elektrik yükü

kaybeder ya da kazanır.

Bir atomdan elektrik yükleri kaybolduğu zaman, bu negatif yükler serbest kalır ve bu

elektronların serbest hareketiyle madde içinde bir elektrik akımı meydana gelir. Yapısında

serbest elektron bulunduran bu maddelere iletken madde denir. [13]

Şekil 3.2 Atomun Parçacıkları

Elementlerin cinslerine göre atomlarındaki elektron sayıları da değişir. İletken maddelerin

atomlarının son yörüngelerinde 4’den az elektron bulunur. Atomlar bu elektronları 8’e

tamamlayamadıkları için serbest bırakırlar. Bundan dolayı bir İletken maddede milyonlarca

serbest elektron bulunur. Bu maddeye elektrik uygulandığında elektronlar negatif (-) ’den

pozitif (+) yönüne doğru hareket etmeye başlar. Bu harekete ‘‘Elektrik Akımı’’ denir.

İletkenin herhangi bir noktasından 1 saniyede 6,25x1018 elektron geçmesi 1 Amperlik akıma

eşittir.[13]

17

Serbest Elektronlar

çekirdeğe yakın yörüngelerdeki elektronlar kuvvetli bir çekimle çekirdeğe bağlıdırlar.

Atomların dış yörüngelerindeki elektronlara valans elektron ya da serbest elektron denir.

Bunlar çekirdeğe zayıf bir bağ ile bağlı olduklarından ufak bir enerji ile atomu terk edebilirler.

Serbest elektronlar bu hareket özelliklerinden dolayı elektrik iletiminde önemli rol

oynarlar.[22]

Şekil 3.3 Silisyum Atomunun Son Yörüngesi İletken: Atomların dış (valans) yörüngelerindeki elektron sayısı dörtten az (1-2-3) olan

elementlere iletken denir. Bu elementler elektrik akımını iyi iletirler. Tü metaller iletkendir.

İnsan vücudu iyi bir iletkendir. İyonlara sahip sıvılar iyi bir iletkendir ve bunlara elektrolit adı

verilmektedir. Saf su yalıtkan, günlük hayatta kullandığımız içme suyu iletkendir. Toprak

içerisinde su olduğu için iletkendir. Gazlar genelde yalıtkandırlar; fakat iyonlarına ayrılmış

gazlar iletkenlik kazanırlar

Yarı İletken: Atomların dış yörüngelerindeki elektron sayısı 4 olan elementlere yarı iletken

denir. Silisyum, germanyum gibi maddeler örnek olarak verilebilir.

Yalıtkan: Atomların dış yörüngelerindeki elektron sayısı 8 olan tüm elementlere yalıtkan

denir. Yalıtkan gereçler elektriği iletmezler. Son yörüngelerindeki elektron sayısı 5,6,7 olan

elementler ise bir noktaya kadar yalıtkandırlar. Yalıtkan cisimlerde serbest elektronlar yok

denecek kadar azdır. Cam, kauçuk, pamuk, yağ ve hava yalıtkan maddelere örnek olarak

verilebilir.[13]

18

Ferromanyetizma: Bazı elementlerde birbirine komşu iyonlarda bulunan elektronlar

arasındaki değişim etkileşimleri elektronların spinleri arasında büyük bir çiftleşmeye yol açar,

spinler belli bir sıcaklığın üzerinde birbirleriyle rastgele hizaya geçerler. Ferromanyetik

maddelerin nanoparçacıklarını sentezlemeye yönelik yöntemler uygulandığında, parçacıkların

tipik olarak birkaç on nanometrenin altında olduklarında, bir elektrik alanının varlığında hala

manyetik hassaslık gösterdiklerinin ancak ferromanyetizmanın karakteristik bir özelliği olan

artık manyetizmdan da yoksun oldukları keşfedilmiştir. Bu duruma süper para-manyetizma

denir. Bu şekilde veri depolamaya yönelik nanoyapılı manyetik malzemelerin manyetik

elementlerinin büyüklüğüne yönelik bir alt limit olduğu ortaya çıkmıştır. Mıknatıslanma

histerisisi(geri dönüş) bu limitle alakalı olarak değişmektedir.[22]

Optiklik: Nanofiberin veya plakanın ışığın dalga boyundan daha kısa bir yarıçapı olabilir.

Ancak tipik olarak ışığın dalga boyunun yaklaşık üçte biri kadar olan kalınlığın veya çapın

altında ışığın yayılması mümkün değildir. Işığın ince yapılardaki bilim ve teknolojisine

entegre optikler, fiber optikler ve bazen da nanofotonikler ismi verilmektedir. Burada limit

uzunluğu birkaç yüz nanometredir, dolayısıyla bazen nanoboyutların üzerinde

kalabilmektedir.[10]

Safsızlık: Eğer p bir atomun yerini bir safsızlığın alması ihtimali ise ve q=1-p ise n tane atom

içindeki k tane safsızlığın olma ihtimali:

b(k; n, p) = (n/k).pk.qn-k

Eğer n.p= m çarpımı ortalama bir büyüklüğe sahip ise (~1’e yaklaşıyorsa), dağılım poisson

yaklaşımının sadeleştirilerek binom dağılım haline getirilmesi şeklinde yapılabilir:

b(k; n, p) ~ (mk/k!). e-m =p(k ; m)

Böylece cihaz küçüldükçe, kusursuz olma ihtimali daha büyük olmuş olur.[1]

Mekanik özellikler: Nanomekanik cihazlar yüksek mukavemet dayanımlarına sahiptirler.

Özellikle yüksek vakumda kalite faktörü, geleneksel cihazlardakinden daha büyük değerlerde

olabilir.[9]

19

3.2 Kuvvetler

Makro seviyelerde nesneler arasında çeşitli çekim kuvvetleri etki etmektedir. Yer çekimi

kuvvet, elektrostatik kuvvet, mıknatıslanma özelliği gibi kuvvetler bu etkilere örnektirler. Bu

kuvvetlerin büyüklükleri genel görelilik kuramına göre temel olarak; nesnelerin

büyüklüklerine ve aralarındaki mesafeye bağlıdır. Örneğin bir cismin yerçekimi kuvveti,

cismin kütlesine ve cismin yerin merkezine olan uzaklığına bağlıdır. Kütleler arasındaki

çekim kuvvetiyle ilgili olarak Newton, günümüzde de geçerli olan Genel Çekim Yasası’nı

bulmuştur. Bu yasaya göre, herhangi iki cisim birbirini, kütleleri çarpımıyla doğru orantılı,

kütle merkezlerini birleştiren uzaklığın karesiyle ters orantılı bir kuvvetle çeker.[9]

Nanoölçekte ise yerçekimsel kuvvetler ihmal edilecek kadar zayıftır ve güçlü çekirdek

kuvvetinin çekim menzili ise çok küçük olduğu için, çekirdek kuvveti de ihmal edilebilir.

Ancak nanoboyutlarda temelinde elektrostatik olan çeşitli kuvvetler özel bir öneme sahip

olmaktadır. Nötral atomlar ve moleküller arasında mevcut olan, uzun erimli ve çekici van der

Waals kuvvetleri bu kuvvetlerden biridir. Van der Waals kuvvetleri nonaimalatın

yapılabilmesi için son derece önemlidirler.[10]

Casimir kuvveti: Yaklaşık 50 yıl önce fizikçi Hendrik Casimir tarafından ortaya atılan

casimir kuvveti de nanoölçülerde etken bir kuvvet olacağı düşünülmektedir. Hendrik casimir

mikro-makinelerden birleşik doğa teorilerine kadar her şeyi etkileyebilen, bir vakumda

(Vakum, bir kabın tüm parçacıklarının, içindeki gazın boşaltılıp sıcaklığının mutlak sıfıra

indirildiği durumdur) iki yüzey arasındaki çekme kuvveti olabileceğini önerdi. Casimir’e göre

vakum ortamında iki aynayı bir biriyle yüz yüze ve küçük aralıklı duruma getirirseniz, her iki

ayna, basit vakum sonucu birbirini karşılıklı olarak çekerler, iki ayna arasındaki bu çekim

kuvveti Casimir kuvveti olarak, bu fenomen ise Casimir etkisi olarak bilinir.[13]

Şekil 3.4 İki ayna arasında bir boşluk, dalgalar aynalar arasında yansır, casimir kuvveti[22]

20

Casimir kuvveti birkaç metre uzaklıktaki aynalar için son derece küçük olarak gözlenirken,

uzaklık mikronluk düzeyde iken ölçülebilir basmaktadır. Örneğin, alanı 1 cm2 ve aradaki

uzaklık 1 µm olan iki ayna yaklaşık 10-7N’luk bir Casimir kuvvetine sahiptir, ki bu kuvvet

çapı yarım milimetre olan bir su damlasının ağırlığı kadardır. Bu kuvvet her ne kadar küçük

gözükse de, bir mikrometrenin altındaki uzaklıklarda, iki nötr obje arasında çok güçlü olur.

Gerçekten de, 10 nm (nanometre) aralıklı, tipik bir atom boyutunun yaklaşık 100 katı, Casimir

etkisi 1 atmosfer basınsının eşdeğeri basınç üretir. Dolayısıyla nanoyapılı ölçekler ve mikro-

elektromekanik sistemlerde casimir kuvveti önemlidir.[22]

Bazı fizikçiler, nanoölçeklerde plakalar birbirine çok yakın yerleştirildiğinde ve casimir etkisi

kullanıldığında hiçlikten enerji elde edilebileceğini iddia etmektedirler.

Aralarındaki uzaklık d ve yüzey alanı A olan iki plaka arasındaki Casimir kuvveti:

F=(πhc/480)(A/d4 ) bağıntısıyla hesaplanır.

Burada:

h = Planck sabiti ( 6,62.10-34J.s ),

c = ışığın boşluktaki hızı ( 3.108 m/s )

Bu küçük kuvvet, 1996 yılında Steven Lamoreaux tarafından %5 deneysel hata ile

ölçülmüştür.[24]

Alan Radyasyon Basıncı: Her alan-vakum alanı bile-enerji taşır ve tüm elektromanyetik

alanlar uzayda yayılırken, akan bir nehrin etrafındaki ve önündeki şeylere basınç uyguladığı

gibi, yüzeylere basınç uygular. Bu radyasyon basıncı ve elektromanyetik dalganın frekansı

enerjinin artması ile artar. Casimir etkisindeki ayna örneğini tekrar ele alırsak, oyuk içindeki

radyasyon basıncı, bir oyuk rezonans frekansında, dış kısımdakinden daha güçlüdür ve

bundan dolayı aynalar bir birinden uzağa itilirler.[13]

21

Rezonans dışında, tersine, oyuk içerisindeki radyasyon basıncı dışarıdakinden daha küçüktür

ve bundan dolayı aynalar birbirine doğru çekilirler. Dolayısıyla nanoboyutlarda alan

basınçları da önemli etkiye sahip olur gibi görünmektedir.[13]

3.3 Cihaz Performansı

Cihaz performansının analizi parametrelerin değişen cihaz boyutlarına göre nasıl

ölçeklendiğini belirlemekle başlar:

Alan(güç ve termal kayıplar) uzunluğun karesiyle; hacim ve kütle uzunluğun küpü ile;

elektromanyetik kuvvet uzunluğun dördüncü dereceden üssü ile; doğal frekans ise 1/uzunluk

ile orantılıdır. Bu şekilde asıl sistemlerden çıkartılan daha çok türevsel terim sayılabilir. Bu

veriler göz önünde bulundurularak cihazdaki boyut değişikliklerinin performansı nasıl

değiştiği ve etkilediği hesaplanmış olur.[3]

Nesneler çok küçük boyutlara gelince, muhatap olunan elemanların sayısı da azalmaya başlar.

Kuantum bölgelere inildiğinde malzemeye ait bilgi taşınımında küçük sinyaller parazite karşı

oldukça hassa olmaya başlar ve son derece savunmasızdırlar. Dolayısıyla bilgi işlemlerde bir

mesajın tekrarlanması yoluyla bu problem çözülmeye çalışılmaktadır. Nanoölçeklerde

çalışılırken bu parazite durumlarının önemli problemler oluşturacağı ortadadır.[3]

3.3.1 Tasarım

Nanoteknolojinin en belirgin sonucu çok küçük parçaların icat edilmek istenmesidir. Bir

başka ifadeyle nanoteknolojinin günlük yaşam için kullanılışlı hale gelebilmesi için nano

nesnelerden çok sayıda olması gerektiğidir. Eğer m göreli cihaz büyüklüğü ve M cihazların

sayısı ise kullanışlılık için m.M~1’e ihtiyaç duyulur, bu şartın sağlanması için de 109 tane

cihaz gerekecektir. Günümüzde elektronik devre elemanlarının tasarımı yaklaşık 100nm

boyutlarına kadar inilip yapılmakta olsa da kullanılabilir bir nanosistemin tasarlanması

gerçekten sağlıklı bir şekilde nasıl yapılacaktır?[11]

22

Bu soruya cevap için birçok farklı tasarım ve imalat prosesi düşünülmektedir. Buradaki

problemin büyüklüğünü düşünmek için insan beynindeki nöronları ve çalışmalarını ele

alabiliriz; insan beyninde yaklaşık olarak 1011 tane nöron bulunmaktadır ve her nöron diğer

nöronlarla yüzlerce veya binlerce bağlantı yapabilmektedir. Dizayn edilecek nanosistemler bu

mükemmelliklere ulaşabilecek mi? , düşündürücü bir durumdur. Makro boyutlardaki bir

tasarımda bile birçok faktör göz önünde bulundurulurken, nanoölçeklerde çok daha karmaşık

algoritmaların kurulması söz konusudur.[11]

4 NANOÖLÇEKTE ÖLÇME ve İNCELEME YÖNTEMLERİ

Geliştirilen teknolojilerle; duyu organlarının algılama alanlarının genişletilmesi, sadece

kızılötesi veya mor ötesi radyasyon kullanılarak görülebilecek renkleri, duyulamayacak kadar

düşük veya yüksek bir alana ait sesleri ve parmaklarımızdaki sinirlerin hissedemeyeceği kadar

küçük kuvvetleri de algılamamızı sağlar. Ancak duyu organlarımız içerisinde görme

duyusunu hayatımızı kattığı değer açısından farklı bir yere koysak herhalde hata yapmış

sayılmayız. Gözün bizzat görmesi birçok sorunu birincil derecede ortadan kaldırmaktadır.

Bilim ve teknolojilerde de gizemleri ortadan kaldırmak, ilerlemeler kat etmek, daha

derindekini, perdenin arkasındakini görebilmek için görüntüleme araçları üzerinde yoğun bir

şekilde, büyük mesailer harcanmıştır. Dolayısıyla bilim adamlarına göre malzemenin içine

girmek, aşağıda olup bitenlere şahit olmak sadece teknik bir sorundan ibarettir ve atomları

görüntülemek, gelişmeler için oldukça önemli bir durumdur.

4.1 Mikroskopların Tarihçesi

Yaşadığımız dünyada fiziksel olarak bir nesneyi görebilmek için gözlerimizin sağlıklı olması

ile beraber, ışık gereklidir. Ancak daha aşağıları görebilme imkanı ise, ışık mikroskobu ile

gerçekleştirilmiş oldu. Gözümüzün görme prensibi merceklerden oluşan bir sistemin

çalışması şeklindedir. Bu durum küçük dünyaların görüntülerinin de tasarlanacak olan

mercekler yardımıyla sağlanabileceği idi, ve gelişmeler sağlanıp küçük dünyaların keşfi

başlamıştı. Merceklerin gelişimi ve optikteki ilerlemeler küçüklerin dünyasına doğru atılan

somut adımları sıklaştırdı. ilk defa Hollandalı Antonie Philips van Leeuwenhoek’un (1632 -

1723) yaptığı basit mikroskoplar yardımıyla aşağıda gördüklerini çizmesi, onu adeta başka bir

dünyanın ilk ressamı yapmıştı.[18]

23

Leeuwenhoek tasarladığı tek mercekli mikroskopla 270 kat büyütmeyi başarmıştı ve bu

mikroskopla yaklaşık olarak 0,2 mikrometre boyutlarındaki yapıları görmek mümkün

olmuştu.

Ancak tıpkı gözümüzün görebildiğinin bir alt sınırının olduğu gibi, ışık mikroskoplarıyla da

gördüklerimizden de küçük yapıların olabileceği düşüncesi bilim insanlarını yeni arayışlara

sevk etti. Bu alt dünyaları görüntüleyebilmede ışığın yeterli olamayacağını ve yeni

yöntemlerin kullanılması gerektiğini araştırmacılar ortaya koymuştu.[17]

Bu doğrultuda vakum, yüksek voltaj ve elektron ışınlarının optik davranışları konusunda

çalışmalar yapan Ernst Ruska (1906 – 1988) ilk defa ışık olmadan daha da küçüklerin

dünyasını görebileceğimiz bir yöntem geliştirdi. Ruska ışık yerine daha küçük dalga boylarına

sahip elektronları kullanarak görüntü elde etmeyi başarmıştı. O zamana kadar elektronlar

üzerinde yapılan araştırmalar elektronların(katot ışınlarının) manyetik alan tarafından

saptırılabileceği veya bu ışınların yine manyetik alan tarafından odaklanabileceği tespit

edilmişti.[17]

Ruska mercklerin ışığı odaklayarak görüntü verdiği gibi, manyetik alanların da elektronları

odaklayarak görüntü vereceğini düşündü. Bu düşünceden yola çıkan Ruska ve arkadaşı Max

Knoll (1897 - 1969) 1933’te elektron mikroskobunun ilk örneğini yapmayı başardılar.

Elektron mikroskobu ile ışık mikroskobunun verdiği iki boyutlu görüntünün yanında, üç

boyutlu görüntüyü de sağlamıştı. Elektron mikroskoplarıyla elde edilen görüntülerin

çözünürlüklerinin yüksek olması için elektron demetinin incelenecek malzeme üzerine yüksek

hızlarla gönderilmesi gerekiyordu. Hızlandırılan elektronlar incelenen malzemenin ya içinden

geçiriliyor ya da yüzeyinden yansıtılarak görüntü elde ediliyordu.[17]

Elektron demetinin incelenen malzemenin yüzeyinden yansıtılarak görüntünün elde edildiği

mikroskoplar taramalı elektron mikroskobu (SEM-Scanning Electron Microscope), demetin

malzemenin içinden geçirildiği mikroskoplar ise geçirmeli elektron mikroskobu (TEM-

Transmission Electron Microscope), olarak adlandırıldı.[16]

24

Şekil 4.1 TEM ve SEM çalışması prensibi[18]

Max Knoll 1935’te ilk defa taramalı elektron mikroskobu(SEM) ile üç boyutlu görüntüyü elde

etmeyi başardı. Üretilen ilk elektron mikroskobu, elektronların yüksek hızlara erişmesini

sağlamak için devasa boyutlarda idi.[8]

Şekil 4.2 İlk taramalı elektron mikroskobu(SEM)[18]

25

4.2 Nano Dünyanın Görüntülenmesi

Malzemeler üzerinde inceleme yapmak, deneyler tertip etmek, hesaplamalar oluşturmak;

temelde görüntüleme yaparak görmek ile ilgili bir durumdur. Bu yüzden en çok, nano

malzemelerin naometre hassaslığında nasıl görüntülenebilceği üzerinde duracağız.

Lenslerdeki gelişim ve mikroskop tasarımındaki diğer yenilikler sayesinde yaklaşık olarak

2000 kat büyütme sağlanmış durumdadır. Bununla beraber, çok hassas değerler (100 nm

civarındaki büyüklüklere sahip nesneler) sadece mikroskoplar aracılığıyla dikkatli bir şekilde

çalışıldığında görüntülenebilmektedir.[16]

Işıkla görüntü elde eden klasik bir mikroskobun uzaysal çözünürlük gücü ∆x, ışığın dalga

özelliğinden dolayı ana bir sınırla karşılaşır.

∆x= λ /2(Y.A.)

Burada λ aydınlatan ışığın dalga boyudur ve Y.A. ise mikroskop yoğunlaştırıcısının

açıklığının sayısal ifadesidir. Bu problemi çözmek için;

� Işığın dalga boyu azaltılabilir

� Uzak alandan ziyade yakın alanda çalışılabilir

� Direk görüntelemeden vazgeçebilir

Ancak, kuantum mekaniğinin verilerine göre ışığın dalga ve parçacık özelliklerini beraber

yorumlayan de Broglie bağıntısıdır:

λ =h/p

Burada λ momentumu p= m.v olan bir parçacığın dalga boyu, m ve v sırasıyla kütlesi ve hızı

h sayısal değeri 6,63x10-34 olan Planck sabitidir. Kütle ve hızı biliyorsak dalga boyunu

hesaplayabiliriz.[16]

26

Işık ile görüntü veren mikroskopların çözünürlükleri her ne kadar dalga boyunu azaltarak

veya yakın alanda çalışarak arttırılmaya çalışılsa da, daha aşağı ölçeklerde nano boyutlarda

görüntü elde etmek geliştirilen elektron mikroskopları ile mümkün olabilmektedir.

Elektron, belli bir kütlesi (me = 9,11x10-31kg) ve elektrostatik bir yükü (e) olan bir parçacık

olarak bilinmektedir. Elektrikten, zıt yüklerin birbirine çekim kuvveti uyguladığını biliyoruz,

bu yüzden elektron istenen hıza, bir elektrik alanının üzerine uygulanmasıyla ulaştırabilir.

Yani manyetik alan yardımı ile elektron demeti odaklanabilir ve bu sayede üç boyutlu görüntü

elde edilebilir.[16]

Boyut Büyütme: Malzemeden istenen performansı insan kullanımına uygun hale getirecek

şekilde boyutları büyütmek büyük bir paralelleştirme meselesidir. Örneğin bilgi işleyicilerde

problem kullanıcı ara yüzündedir; bir görüntü ekranı, kullanışlı miktarda bilgiyi gösterecek

kadar büyük olmalıdır, komutları girmek için klavye olmalıdır ve veri insan parmakları için

yeterince büyük olmalıdır. Nano uygulamalarda da görülebilir net bir sonuç için boyut

büyütme işlemi gerçekleştirilmektedir.[1]

Şimdi nano ölçeklerde görüntü elde edilebilecek elektron mikroskopları ve bu

mikroskoplardan edinilen görüntüler üzerinde duracağız:

4.2.1 Elektron Mikroskopları

Işık ile görüntü veren mikroskoplarda, bir cisimdeki ayrıntıları görmede kullanılan ışığın

dalga boyunun sınırlayıcı etmen olduğunu, modern optiğin kurucularından Ernst Karl

Abbe(1840 – 1905) tarafından ileri sürüldü. Oysa daha aşağıda başka dünyaların olduğu

düşüncesi çok sağlamdı ve ileride kanıtlanacaktı. İşte bu kanıt; ışık yerine elektron

demetlerinin numune parçaya gönderilmesi sonucu görüntü elde etmeyle ortaya çıktı. Temel

işleyiş mantığı ışık mikroskobuna benzeyen bu yeni mikroskoplarda, görünür ışıktan çok,

daha küçük dalga boylu elektron ışınlarıyla görüntü elde edilecekti. Elektron gönderme

işlemleri, saçılma yöntemleri olarak bilinmektedir.[18]

27

Bu yöntemde elektronlar veya fotonlar malzeme ile çarptırılarak malzeme hakkında görüntü

elde edilir. Görüntüleme işlemi elektronların veya fotonların(x-ışnları) saçılmalarıyla

sağlanmaktadır. İncelemelerde farklı saçılma yöntemleri kullanılmaktadır. Saçılma yöntemi

ile kristal yapılı malzemelerin tabakaları arasındaki mesafe hassas bir şekilde ölçülür.

Hassasiyet derecesi nanometrenin onda biri seviyelerindedir. [17]

Saçılma yöntemlerinde elektron-malzeme çarpışması söz konusu olduğundan dolayı bu

çarpışmalar hakkında önce bazı fiziksel olaylardan bahsetmek faydalı olacaktır. Bir elektron

demeti bir malzemeye ile çarpıştığı zaman; bazı radyasyon(ışınlar) ve elektronlar yayar. Bu

elektron ve ışınları şöyle sınıflayabiliriz;

X-ışınları: Malzeme atomlarının iç kabuk elektronlarının geçişleri sonucunda meydana gelen

ışınlardır ve malzeme atomlarının cinsleri ve bileşimleri hakkında bilgi verir.

X-ışınları yüksek enerjili elektronların yavaşlatılması veya atomların iç yörüngelerindeki

elektron geçişleri ile meydana gelen, dalga boyları 0.1-100Å arasında değişen

elektromanyetik dalgalardır. X-ışınları, görünür ışıktan çok daha kısa dalga boylarına

sahiptirler.

X-ışınlarını 1895'te Röntgen isimli Alman makine mühendisi bulmuştur. Röntgen; bir Crooks

tüpünü indüksiyon bobinine bağlayarak, tüpten yüksek gerilimli elektrik akımı geçirdiğinde,

tüpten oldukça uzakta durmakta olan cam bir kavanoz içindeki baryumlu platinsiyanür

kristallerinde bir takım pırıltıların oluştuğunu gözlemiş; bu tür pırıltılara neden olan ışınlara, o

ana kadar bilinmemesinden dolayı "X-ışınları" adını vermiştir.[13]

Katot Işımaları: Malzeme atomlarının dış kabuk(valans) elektronlarının, geçişleri sonucunda

oluşan ışınlardır, malzeme atomlarının elektronik yapısı hakkında bilgi verir.

Katot Işınları çok düşük basınçlı bir cam borunun içindeki katottan dik olarak çıkan

elektronlar. Katot ışınları gözle görülmez, katot karşısına konan bir fluoresans camında ışıklı

noktalar meydana getirirler. Katot ışınlarının, elektrik alanı vasıtası ile saptırılması, yüklü

parçacıklar olduğunu; yalıtılmış bir levhada birikmeleri sonucu levhanın negatif elektrikle

yüklenmesi de, taşıdıkları yükün negatif olduğunu gösterir. [13]

28

Auger Elektronları: Malzeme atomlarının iç kabuklarından gelen elektronlardır, malzeme

atomlarının bileşimi hakkında bilgi verir.

Geri Saçılan Elektronlar(backscattered electrons): Elektron demetine ait elektronlardır,

Malzeme atomları ve yüzey yapısı hakkında bilgi verir.

Geri saçılan elektronlar ile elde edilen görüntüler, incelenen numunedeki atomların atom

numaraları hakkında bilgi verir. Atomik numarası küçük olan elementler daha az sayıda

elastik elektron yansıtır(düşük parlaklık) ve atom numarası büyüdükçe elastik bir şekilde

yansıtılan elektronların sayısı artar (yüksek parlaklık). Atom numarasına bağlı olarak ortaya

çıkan bu durum SEM fotoğrafında bir kontrast meydana getirir. [13]

İkincil Elektronlar(secondary electron image): Malzeme atomlarından gelen elektronlardır,

malzeme yüzeyi hakkında bilgi verir.

ikincil elektronlar düşük enerjili elektronlardır. Detektöre 100-300V arasında bir pozitif voltaj

uygulanması ile kolaylıkla toplanabilirler. Bu yolla ikincil elektronların %50-100 arasındaki

kısmı toplanabilir. Böylece incelenen bölgenin 3 boyutlu görüntüsü elde edilmiş olur.

Çukurda kalan bölgelerden kaynaklanan ikincil elektronlar sayısı, tümseklerden kaynaklanan

elektronların sayısından farklıdır. Bundan dolayı fotoğrafta değişik bölgeler için kontrast

görülür. [25]

Şekil 4.3 Elektron-madde çarpışması sonucu meydana gelen olaylar[16]

29

4.2.1.1 Taramalı Elektron Mikroskobu (Scanning Elektron Microscope - SEM)

Temel olarak Taramalı elektron mikroskobu, Tungsten, Lantan hekza borit katottan veya alan

emisyonlu (FEG) gun’dan ortaya çıkan elektronların, incelenecek malzeme yüzeyine

gönderilmesi sonucu oluşan etkileşmelerden yararlanılması esasına dayanır.

SEM’ler genel olarak bu elektron enerjisi 200-300 eV dan 100 keV a kadar değişebilir. Bu

amaçla, yoğunlaştırıcı elektromanyetik mercekle (condenser lense) toplanan, objektif

mercekle odaklanan elektron demeti, yine elektromanyetik saptırıcı bobinlerle örnek

yüzeyinde tarama işlemini (scanning) gerçekleştir. Bir taramalı elektron mikroskobunda

görüntü oluşumu temel olarak; elektron demetinin incelenen örneğin yüzeyi ile yaptığı

fiziksel etkileşmelerin (elastik, elastik olmayan çarpışmalar ve diğerleri) sonucunda ortaya

çıkan sinyallerin toplanması ve incelenmesi prensibine dayanır. [17]

Bunlardan ilki, gelen elektron demetindeki elektronların, malzemedeki atomlarla yapmış

olduğu elastik olmayan çarpışma sonucu (yani, örnek yüzeyindeki atomlardaki elektronlara

enerjilerini transfer ederek) ortaya çıkan ikincil elektronlardır (secondary electrons). Bu

elektronlar numune yüzeyinin yaklaşık 10 nm’lik bir derinliğinden ortaya çıkarlar ve bunların

tipik enerjileri en fazla 50 eV civarındadır. İkincil elektronlar foto çoğaltıcı tüp yardımıyla

toplanıp, örneğin tarama sinyali konumuyla ilişkilendirilerek yüzey görüntüsü elde edilir. [17]

30

Şekil 4.4 Taramalı elektron mikroskobunun şematik gösterimi[16]

Elektron demeti ile incelenen numune yüzeyindeki malzeme, arasındaki etkileşmede ortaya

çıkan diğer bir elektron grubu ise geri saçılma elektronları (backscattered electrons) adı

verilen elektronlardır, bu elektronlar, yüzeye gelen elektron demeti ile yaklaşık 1800 açı

yapacak biçimde saçılırlar. Geri saçılma elektronları, yüzeyin derin bölgelerinden (yaklaşık

300 nm’ye kadar) gelen daha yüksek enerjili elektronlardır. Bu enerjideki elektronlar bir foto

çoğaltıcı tüp tarafından tespit edilemeyecek kadar yüksek enerjiye sahip olduklarından,

genellikle quadrant foto dedektörlerle (yani katıhal dedektörleri) yardımıyla tespit edilir. [13]

Gelen elektron demetinin incelenen numune yüzeyi ile yapmış olduğu diğer bir etkileşme ise

(yaklaşık 1000 nm derinlik civarında), karakteristik X-ışınlarının çıktığı durumdur (enerjileri

keV mertebesindedir). Buna göre örneğe çarpan elektron, örnekteki atomun iç yörüngesinden

bir elektron kopmasına neden olunca, enerji dengelenmesi gereği bir üst yörüngedeki elektron

bu seviyeye geçer ve geçerken de ortama bir X ışını yayar ve buna da karateristik X ışını adı

verilir. Bu X ışını mesela 10 mm çapındaki bir Si (Li) dedektörle algılanır, ortaya çıkan

sinyal yükselticiye, oradan çok kanallı analizöre ve daha sonra da SEM sisteminin

bilgisayarına gönderilir.

31

Sonuçta ortaya çıkan karakteristik X ışını (ki bu ışının enerjisi her atoma özeldir), SEM’de,

incelenen malzemenin element bakımından muhtevasının nitel ve nicel olarak tespit

edilmesine yardımcı olur.

a-

ikincil elektronlardan elde edilen görüntü, b- Gerisaçılan elektronlardan elde edilen görüntü

Şekil 4.5 Kursun-Kalay alaşımı. Geri saçılan elektronların kullanıldığı fotoğrafta beyaz

bölgeler Kurşun konsantrasyonunun yüksek olduğu bölgelerdir. (SEM görüntüleri)[12]

Elektron demeti ile incelenecek malzemenin oluşturduğu düzenek vakumlu bir ortamda

bulunmalıdır, çünkü elektronların içinden geçtiği boşluğun içinde ve numunenin etrafında gaz

molekülleri kalırsa, elektronların saçılmalarına yol açarlar.

Hızlı hareket eden elektronlar tarafından iyonlaştırılarak numunenin görüntüsünü bozarlar.

Bunun için düzeneğin hassas bir vakum ortamında olması şarttır.[2]

Şekil 4.6 a. Nanofiberlerin SEM görüntüsü, bir çubuğun uzunluğu = 1000 nm.(Sheikh akbar

Ph. D. , Purdue University, 1985) [11]

32

Taramalı elektron mikroskobu ile iletken malzemelerin incelenmesi gerçekleştirilir. İletken

numune ayrıca topraklanarak tarama işlemi gerçekleştirilir. Özellikle ağır atomlardan oluşmuş

malzeme yüzeyleri bu yöntemle çok iyi görüntülenebilir(altın yüzeyi v.b), hafif atomlardan

oluşmuş malzeme görüntüleri pek hassas sonuç vermez.

Şekil 4.7 Nikel nanotel SEM görüntüsü [34]

Elektron-malzeme çarptırılması yönteminde elektron demeti ne kadar hassas olursa elde

edilecek görüntü de o derece hassas olur. Dolayısıyla çok dar bir bölgede oluşturulan elektron

demeti (1nm civarında) ile çok hassas görüntü elde edilebilir. Ayrıca elde edilecek

görüntünün hassas bir şekilde alınabilmesi için; malzeme yüzeyinin çok temiz olması,

elektron demetindeki elektronların enerjisi kontrol altında olmalı ve hatta vakum sistemindeki

kirlilik bile görüntünün bozulmasına neden olabilir. Dolayısıyla bu faktörler hep hassas bir

şekilde ayarlanmalıdır.[16]

33

4.2.2 Transmission Elektron Mikroskobu (TEM)

Geçirmeli elektron mikroskobu (GEM) diye de isimlendirilen TEM 19382’de ilk defa ticari

olarak Siemens tarafından üretildi. Transmission elektron mikroskobu, atom seviyesinde

görüntü elde edebilen hassas bir yöntem ve cihazdır. Bu yöntemin ‘‘taramalı elektron

mikroskobu(SEM)’’ yönteminden farkı, TEM’de elektron demetinin numune malzemenin

içinden geçerek yol almasıdır. Elektron demeti kaynaktan yayıldıktan sonra mercekler

aracılığı ile numuneye odaklanır. Numuneye gelen elektron demeti malzemenin içinden

geçerek malzemenin yapısı ile ilgili görüntü oluştururlar. [18]

Bu mikroskopta elektron demeti incelenmek istenen numunenin içinden geçirildiğinden,

numunenin çok ince olması gerekiyor. İncelenen malzeme çok ince olduğu zaman da

malzemenin temel özelliklerini yansıtmayabiliyordu. Bununla birlikte bir başka sorun da

numuneden geçen elektron demetinin çok kısa bir sürede soğruluyor olmasıydı. Bu sorunların

çözümü için yüksek voltajlı elektron mikroskopları yapıldı. 1959’da G. Duppoy ve

arkadaşları ilk yüksek voltajlı elektron mikroskobunu tasarladılar. Bu mikroskoplarda

istenilen kalitede görüntü elde edilebilmesi için çok yüksek gerilimler(1-3 milyon volt gibi)

kullanılmaktaydı. [18]

Bu yöntemde kullanılan elektron demetindeki elektronların enerjisi 100 ~ 500 kilovolt

civarlarında değişir. Yüksek enerjili elektron demeti, birtakım manyetik mercek

sistemlerinden geçtikten sonra numune üzerine odaklanır, malzemeden geçtikten sonra yine

manyetik mercek sistemlerinden geçer ve ekrana yansıtılır. TEM’in yapısı şematik olarak

şekilde gösterilmiştir. Şekil 4.8.’de gösterilmiştir.[18]

Geçirmeli elektron mikroskobunda elektronların, numunenin içinden geçip gidebilmesi için

malzeme kalınlığı birkaç yüz nm’yi geçmemelidir. Dolayısıyla TEM görüntüsü alınacak

numuneler özenle hazırlanmalıdır.

TEM mikroskobu günümüzde kullanılan en güçlü elektron mikroskobudur. Kolay bir

kullanımının yanında görüntüleme kararlılığı ve 100 ~ 500 kilovolt faz aralığı ile birçok

araştırma laboratuarının birinci tercihidir. Cihaz 0.14 nanometreye kadar gösterim gücüne

sahiptir. Bu yöntemde elektronların dağılımına bakılarak malzemenin manyetik yapısı

hakkında bilgi edinilir. [17]

34

Şekil 4.8 TEM’in çalışma prensibi[35]

Şekil 4.9 TEM nanofiber görüntüsü, ölçü = 200 nm.( Sheikh akbar Ph.D., Purdue University,

1985)[35]

35

Şekil 4.10 Kolojen(protein) fiberleri, TEM[34]

TEM’in elektron enerjisi kaybına göre veri elde eden spektroskopi yöntemi ve mikroskopta

numuneden geçip giden elektronların dağılımına bakarak numunenin manyetik yapısı

hakkında bilgi veren Lorenz yöntemleri vardır.

Şekil 4.11 FEI firmasının ürettiği TEM[23]

36

4.3 Taramalı Sonda Mikroskobu

Taramalı sonda mikroskobu, sonda adı verilen iğne şeklinde bir ucun tarama yapabilen

piezoelektrik bir kola tutturulması ile moleküler ölçeklerde görüntü elde eden yöntemdir.

Sonda uç, numunenin yüzeyine çok yakın bir mesafede yüzeyi tarayarak görüntü verir.

Taramalı sonda mikroskobu, iki farklı yöntem şekilde uygulanmaktadır. Bunlardan biri

taramalı tünellemeli mikroskop, diğeri ise atomik kuvvet mikroskobudur. Taramalı sonda

mikroskopları yardımı ile gerçek manada göremeyeceğimiz atomların nasıl dizildikleri

hakkında resim elde ederiz.[17]

4.3.1 Taramalı Tünelleli Mikroskop (Scannig Tunneling Microscope- STM)

Geliştirilen teknolojilerle beraber yakın zamanda tasarlanan tarama mikroskobudur. G.Binnig

ve H.Rohrer tarafından 1981'de bulundu. STM yanal çözünürlüğü 0.1 nm, derinlik

çözünürlüğü 0.01 nm çözünürlükle işlem yapar. Bu yöntemde piezoelektronik uç kullanıldığı

için önce bir cisim ne zaman piezoelektronik olur onu belirtelim; cismin uçlarına stres

uygulandığı zaman, elektrik yükleri oluşuyorsa; ya da cisim elektrik alanına sokulduğu

zaman, cisim üzerinde bir stres oluşturulabiliyorsa bu cisim piezoelektroniktir denilir.[16]

Piezoelektronik uç uygulanan voltaja göre uzayıp, kısalabilir. Yöntem sadece iletken

yüzeylerde kullanılabildiği için(çünkü ölçüm akım varlığında oluyor), taranan yüzey çok

temiz olmalıdır. İletken uç ile iletken numune yüzeyi arasında yaklaşık 1 Voltluk bir ön

gerilim uygulanır. Sivri uç, olabildiğince sivri olmalıdır. Tarama yapıldığı için, tarama

işlemleri yavaştır. Aynı zamanda elde edilebilecek maksimum görüntü büyüklüğü de küçük

olmaktadır.[23]

37

Şekil 4.12 STM’nin Şematik gösterimi[23]

Taramalı tünellemeli mikroskop ile, geribildirim mekanizması sayesinde sivri ucun sübstratla

arasındaki mesafenin değişmemesi sağlanır. Uç mesafeyi korumak için yukarı çıkarsa, bu

bilgi sayesinde bölgede bir tümseklik olduğunu anlaşılmış olur. Yine aynı şekilde, uç aşağı

inerse çukur, sabit kalırsa düz bir yüzey olduğu bilgisini verir. [17]

STM yönteminde kuantum mekaniğine göre; normalde bir parçacık potansiyeli yüksek bir

engeli aşamazken (mesela top duvarın içinden geçemez), kuantum fiziğine göre bu durum

mümkündür. İşte bu geçebilme özelliği tünelleme olarak adlandırılıyor.[23]

38

Tünelleme ile sivri uç ve yüzey arasında bir akım geçişi meydana gelerek yüzey atomları

hakkında bilgi edinilir. Kullanılan piezoelektrik sivri uç olarak, genellikle volfram ya da

platinyum-iridyum kullanılır. Yakın zamanda karbon nanotüpler de uç olarak kullanılmaya

başlanmıştır.[1]

Şekil 4.13 Volframdan yapılmış bir sivri uç[23]

STM’de sivri piezoelektrik uç, bir tünelleme etkisinin gözlemlenebileceği mesafeye kadar

incelenecek numune yüzeyine yaklaştırılır. Tünelleme sağlanınca, sivri uçla yüzey taranır.

Ucun yüzeye olan uzaklığının, konuma göre fonksiyonu çizilirse topografik bir görüntü elde

edilmiş olur. Uç ile yüzey arası mesafe, aralarına voltaj uygulandığı zaman oluşan elektrik

tünelleme akımı sayesinde ölçülür.[23]

Şekil 4.14 Sabit akım veya sabit yüksekliğe göre STM[23]

39

Sabit akımda uç ile yüzey arası mesafe sabittir. Bu ise geribildirim sistemi sayesinde sağlanır.

Sabit yükseklikte ise geribildirim mekanizması yoktur. Sivri uç ilk başta belirlenen

yükseklikte bütün yüzeyi tarar ve tünelleme akımını ölçer. Akımdaki değişime göre yüzeyin

topografik görüntüsü çıkarılır. Akım azalırsa, demek ki uç ile yüzey arası mesafe artmıştır, o

zaman yüzeyin bu kısmı çukurdur. Benzer şekilde, akımın arttığı yerde yükseklik vardır.

Ancak sabit yükseklikte, sivri uç yüksek bir bölgeye geldiği zaman, yüzeyi zedeleyebilir.

Fakat, sabit yükseklikte elde edilen görüntülerin çözünürlüğü yüksektir ve daha hızlıdır. O

yüzden, yüzey başta sabit akım modunda tarandıktan sonra bir de sabit mesafe modunda

taranırsa daha güzel görüntüler elde edilebilir. Başta sabit akımla taramamızın nedeni, sivri

ucun yüzeye zarar vermesini engellemektir. Sabit akımla taradıktan sonra, uç ile yüzey

arasındaki mesafeyi, yüzeye zarar vermeyecek şekilde ayarlayabiliriz.[16]

STM sayesinde numune malzemelerde, bölgenin elektronik durumu hakkında bilgi edinilir,

Yüzey pürüzlülüğü ölçülebilir ve metal yüzeylerin üç boyutlu görüntülerini elde edilir. Ancak

mikroskop düzeneğinin vakumlu ortamda olması gerekirken, ölçümler de düşük sıcaklıkta

yapılmaktadır.(Helyum gazı sıcaklığında ~ 4.2 Kelvin) [16]

Taramalı tünellemeli mikroskop yönteminin de birkaç çeşidi vardır. Bir tanesi polarize spinli

taramalı tünellemli mikroskop türüdür. Bu yöntemde mıknatıslı uç kullanılarak manyetik

yüzeylerin incelenmesi yapılabilir. Diğer bir çeşidi de balistik elektron yayınlayan mikroskop

türüdür. Bu yöntemde numune katkılı yarıiletken ince film ise, uç ile numune arasında balistik

elektron akımı oluşturur. Balistik elektronlar saçılma olmadan ilerleyen elektronlardır.

Böylece balistik elektron akımı ölçümü ile numune içindeki saçılma olayları hakkında bilgi

edinilmektedir.[1]

4.3.2 Atomik Kuvvet Mikroskobu (Atomic Force Microskope-AFM)

Taramalı sonda mikroskobunun bir diğer uygulama yöntemi de AFM’dir. Bu mikroskoba

taramalı kuvvet mikroskobu da denilmektedir. 1980'lerde geliştirilen atomik kuvvet

mikroskobu, göreli olarak kolay kullanımı, üzerinde çalışılan numunelere zarar vermemesi

gibi avantajlarıyla sıkça tercih edilmektedir. [2]

40

Atomik boyutlara kadar sivriltilmiş bir iğne ucu yardımıyla, yüzeyin yüksek çözünürlükte, üç

boyutlu görüntülenmesi sağlanır. Görüntüleme, iğne ucunun yüzey ile etkileşiminin

incelenmesi sonucunda gerçekleştirilir. Değişik amaçlar için farklı iğne uçları kullanılır.

Taramalı alan mikroskobunda üç farklı teknik kullanabilmektedir. Bunlar; iğnenin yüzeye

temas ettirilerek uygulandığı temas yöntemi(çekici mod), iğnenin yüzeye temas etmediği

temassız yöntem(itici mod) ve iğnenin yüzeye vurularak uygulandığı vurma

yöntemidir(tıklatma modu). Örnek yüzeylerinin görüntülenmesi yanı sıra faz, elektrik

iletkenlik ve manyetik farklılıklar da saptanabilmektedir. Çözünürlük yüksek. Atomik

seviyede görüntüler bu modda elde edilir.[18]

Şekil 4.15 AFM tarama ucu(Özgür ŞAHİN Stanford Üniversitesi/California)[35]

Atomik kuvvet mikroskobu, uç ile yüzey atomları arasında oluşan kuvvetlere göre yüzey

hakkında görüntü verir. Uç bir destek koluna bağlıdır. Atomik kuvvetteki kastımız, kullanılan

ucun en uç atomu ile numune yüzeyindeki atom arasında oluşan kuvvettir. Uç genellikle

silikon, silikon oksit, silikon nitrit malzemelerinden üretilmektedir. Üretiminde fotolitografik

teknikler kullanılır. [17]

41

Şekil 4.16 AFM ucuna lazerle kuvvet uygulama[35]

Atomik kuvvet mikroskobunun bir diğer uygulanma yönteminde ise ucu taşıyan kolun üstü

bir metal kaplama yardımı ile ayna özelliği kazandırılır ve kol’a bir lazer kaynağından lazer

demeti gönderilerek kol’a kuvvet uygulanır(kilogramın trilyonda biri kadar kuvvet).

Uygulanan kuvvete göre kolda eğilme meydana gelir. Eğilme miktarına göre atomik kuvvet

ölçülür. Koldan yansıyan demetler iki fotodiyottan oluşan bir sisteme çarpar. Eğer kolun

konumu değişmiş ise bir diyot daha fazla akım üretir, akımdaki bu değişime göre koldaki

sapma değeri belirlenmiş olur.[18]

Taramalı tünellemeli mikroskopta değindiğimiz sabit yükseklik veya sabit kuvvet durumu

Atomik kuvvet mikroskobunda da uygulanmaktadır. Birinci durumda mesafeler sabit

tutulurken, geri bildirim sistemi ile kuvvet değişimleri tespit edilir. Sabit kuvvet durumunda

ise kuvvet sabit olup mesafe değişikliklerine göre yüzey atomları hakkında bilgi edinilir.[35]

Standford Üniversitesinde çalışmalar yapan Dr. Özgür Şahin atomik kuvvet mikroskop

üzerindeki çalışmalarında şu yeniliği ortaya koymuştur; geliştirmiş olduğu yönteme göre

tarama yapan sivri ucu taşıyan kol küçük titreşimlerle hassas bir şekilde yüksek frekanslarda

titreşime maruz bırakılıyor.

42

Her salınışta kol yüzeye hafifçe çarpar. Yöntemde kol saniyede yüzbinlerce kez salınacak

hassasiyettedir, ve kol yüzeye hiçbir zarar vermemektedir.[35]

Üretilen bu hassas kol sayesinde numunenin yüzeyinin mekanik ve kimyasal özellikleri kol

üzerinde büyük sayılarda titreşimlere sebep olduğu görüldü. Fakat bu titreşimlerin çok cılız

olduğunu fark eden Şahin, kolun üstünde yapılacak küçük bir değişiklikle, bu titreşimlerin

1.000 kat daha etkili hale gelebileceğini bulunca, yeni tasarıma dayanan bu küçük

kolları(cetvelleri) üretti ve yaptığı deneyler, bu yüksek frekanslı titreşimlerin gerçekten de

yüzeydeki moleküllerin kimyasal yapısına ilişkin bilgiler taşıdığını gösterdi.[36]

Bu yöntem, sivri ucun yüzeye vurup geri çekilmeye başlaması sırasında geçen sürenin

ölçülmesi ile veri elde edilmesine dayanıyor. Malzemelerin sertlik ve yumuşaklıkları;

malzemelerin kimyasal yapılarındaki farklılıklardan kaynaklanmaktadır. Dolayısıyla

incelenene yüzeyin sertlik veya yumuşaklığına göre yüzey malzemesinin kimyasal yapısı

hakkında bilgi elde edilir. Örneğin ucun temas ettiği yüzey sert bir yüzeyse uç hemen geri

dönüyor ve geçen süre çok az oluyor, ama ucun temas ettiği yüzey yumuşak bir yüzey ise uç

daha fazla batıp öyle çıkıyor ve bu esnada tabiî ki daha fazla zaman geçirmiş oluyor.

İşlemdeki zaman farkları saniyenin milyarda bir seviyelerindedir. Bu zaman farkları kolun

üstündeki yüksek frekanslı titreşimler aracılığıyla ölçülebiliyor.[36]

Atomik kuvvet mikroskoplarının bazı farklı uygulanma yöntemleri:

Manyetik kuvvet mikroskobu: Yüzeyin manyetikliği hakkında bilgi elde etmek için

mıknatıslı sonda kullanılarak yüzeyin taranması işlemidir.

Elektrostatik kuvvet mikroskobu: Bu yöntemde de anlaşılacağı üzere mıknatıslı uç

kullanılarak, uç ile yüzey arasında gerilim meydana getirilir ve bu sayede numune yüzeyinin

potansiyel görüntüsü hakkında bilgi elde edilmiş olur.

Kimyasal kuvvet mikroskobu: Yüzeyin kimyasal tepkimeleri hakkında bilgi sahibi olmak

için mikroskop sondasına bir takım moleküller tutturularak, sonda ile yüzey arasında

etkileşim sağlanmış olur. Bu etkileşim sayesinde veri elde edilmiş olur.[16]

43

Manyetik rezonans kuvvet mikroskobu: Numunenin yüzeyindeki polarize çekirdek

spinlerini tespit etmek için bu yöntem kullanılır. Çalışma prensibi; Titreşen mıknatıslı kol ile

çekirdek spinlerinin rezonansa gelmesi ilkesine dayanır.

Şekil 4.17 Nanoyüzük[21]

Nanoyüzük: atomik kuvvet mikroskop ucu kullanılarak 2 boyutlu elektron gazının (2DEG)

yerel anot oksitlenmesi sonucu oluşan 4 terminalli bir nanoyüzük. Yükselmiş beyaz çizgiler

2DEG'i ihtiva eden heterojen bir yapı olan GaAlAs yüzeyindeki oksitleri temsil ediyor. Bu

oksit çizgilerinin yükseklikleri ortalama 15 nm ve yüzeyin içine doğru giriyor ve elektron

gazının orada hendekler oluşturuyor. Yüzüğün çapı yaklaşık 1 mikron. (Dr Andreas Fuhrer,

Prof. Ensslin Nanofizik GrubuETH Zürih/İsviçre)[24]

44

Şekil 4.18 AFM ile tasarlanan en küçük Türk bayrağı

Bilkent Üniversitesi Fen Fakültesi, Fizik Bölümü ve DPT destekli Ulusal Nanoteknoloji

Araştırma Merkezinde, Dr.Ahmet Oral liderliğinde Münir Dede Özgür Karcı Özge

Girişen Hülya Ayan Mehrdad Atabak ve Sevil Özer'den oluşan araştırma grubu daha ikinci

denemelerinde çizgileri 100 nanometre genişliğinde ve 2 nanometre yüksekliğinde olan

dünyanın en küçük Nano-Türk Bayrağını çizmeyi başardılar. Araştırma görevlileri silikon bir

çipi tuval olarak kullanarak yüzeyi kendi geliştirdikleri çok hassas mikroskop ile tararken

atomik düzeyde sivriltilmiş bir iğneden voltaj darbeleri gönderip silikon yonganın

oksitlenmesini sağladılar. Nano-Bayrağın yüksekliği yaklaşık olarak 10 atomik tabaka silikon

oksitten oluşmaktadır.[4]

4.4 Yakın Alan Taramalı Optik Mikroskop

Optik mikroskoplarından sonra geliştirilen ilk yöntem, yakın alan taramalı optik

mikroskobudur. Yakın alan taramalı mikroskopta numune yüzeyine gönderilen ışık

dalgalarına göre numune hakkında görüntü elde edilir. Bu yöntemde nano ölçeklerde hassas

bir şekilde bilgilerin elde edilmesi için şerit şekline getirilmiş optik fiberle(~ 100nm

kalınlığında) atomik kuvvet mikroskoplarının çalışma prensibine benzer şekilde yüzeyde

gezdirilerek tarama yapılır.[16]

45

İşlem esnasında yüzeyin fiberden gelen ışınlara tepkisi fiber uç boyutları ölçüsündeki

hassasiyette görüntülenerek yüzey hakkında veri elde edilir. Yöntemde kullanılan optik fiber

ne kadar hassas olursa elde edilecek bilgiler de o derece hassas olmaktadır.[18]

4.5 Nanomanyetik Algılama Nano ebattaki malzemelerin manyetik özelliklerini belirlemek için atomik kuvvet

mikroskoplarındaki manyetik kuvvet mikroskobu ve manyetik rezonans kuvvet

mikroskoplarının yanında iki ayrı yöntem ve mikroskop çeşidi de vardır. Bunlar süper iletken

kuantum girişim aygıtları ve Hall manyetometrelerdir.[12]

Süper İletken Kuantum Aygıtı: Süper iletken bir halkadan geçen manyetik akının

kuantumlaşması durumudur. Bu halkalar sayesinde nano ebattaki numunelerin manyetik

özellikleri incelenir. Süper iletken malzeme kullanıldığı için çalışmalar çok düşük

sıcaklıklarda yapılmaktadır(~30 Kelvin seviyelerinin altıda). Ayrıca bu tür aygıtlar çok hassas

olduğu için dış manyetik etkilerden çok iyi korunması gerekir, aksi takdirde ölçülen değerin

verilen manyetik seviyeye göre olup olmadığı anlaşılamaz.[12]

Hall Manyetometre: Katmanlı yarıiletken bir malzeme kullanarak Hall sondası yapılır, böyle

katmanlı bir yapıda elektronlar iki boyutta hareket edebilirler(2B’lu elektron gazı elde

etmenin en uygun yöntemi).

Hall sondası atomik kuvvet mikroskobu gibi bir düzenekte kol ucuna yerleştirilerek numune

üzerinde gezdirilir veya sabit bir yerde tutularak numune Hall sondasının üzerinde gezdirilir.

Hall sondasındaki Hall gerilimi ölçülerek numunenin manyetik özelliği hakkında bilgi

edinilir. Bu yöntemin duyarlılığı süperiletken kuantum girişim aygıtındaki kadar değildir.[12]

46

5 NANOTEKNOLOJİNİN HAMMADDELERİ

5.1 Nanobilim Açısından Karbon

Tarihin başından beri insanlar ihtiyaçları doğrultusunda gelişmeler yapmıştır. Ancak zamanla

çevresine baktığı zaman, kendi vücuduna baktığında, doğal şekilde var olan sistemlerin,

malzemelerin ne kadar kusursuz olduklarını keşfetmesi uzun zaman almamıştır. Doğallıktaki

bu güzellikleri ihtiyaçları doğrultusunda irdeleme normal bir içgüdü olmuştur. Nitekim

özellikle son birkaç yüzyılda teknolojilerde yaşanan inanılmaz ilerlemeler malzeme ile olan

ilişkileri de iyice ileri safhalara taşıdı. Günümüzün son teknolojisi nanoteknoloji sayesinde,

malzeme ile iyiden iyiye iç içe girdik.

Özellikle doğal yapı ve sistemleri nicelerken karşımıza karbonun çıkması çok olağan bir

durumdur, çünkü bütün canlıların hayat temelleri karbona dayalıdır(Yapısında karbon

içermeyen hiç bir canlı varlık yoktur). Organik maddelerdeki en yaygın ve vazgeçilmez

element haliyle karbondur. Bileşiklerin %94'ü (4 milyondan çoğu) karbon içerir. Dolayısıyla

nanobilim ve teknolojiler için de karbon elementinin ayrı bir önemi ve yeri vardır.[14]

Nanoteknolojideki en büyük avantaj moleküler seviyelerde dizayn yapabilme heyecanıdır. Bu

durum tarihlerdir DNA’larımızda işlerken, çok klasik karbonun allotropları olan elmas ile

kömürün arasındaki tek farkın atom dizilişlerinden kaynaklandığını da biliyorduk. Ancak

buradaki gizem nanoteknolojiyle aralanmaya çalışılmaktadır. İlk olarak 1985 yılında altmış

tane karbon atomunun futbol topu şeklinde bir kafes yapısı halini alarak oluşturduğu C60

molekülünün, deneysel olarak ilk defa elde edilmesinin, nanobilimin kapısını iyice

araladığını söyleyebiliriz.[14]

C60’ın keşfinden hemen sonra, 1991 yılında yine deneysel olarak ilk defa karbon nanotüp

yapılarının elde edilmesi bu alandaki deneysel ve kuramsal çalışmaları hızlandırdı. Nanoyapı

olarak karşımıza ilk çıkan bu karbon nanoyapılar küçük ölçeklerde tasarımların

yapılabileceğini somut olarak ortaya koymuş oldu. Daha sonraki araştırmalarda farklı

malzemelere de yönelmeler olsa da esas aştırma ve geliştirme alanları şimdilik karbon

üzerinden ilerlemektedir. Çünkü bu alanda ilk keşfedilen element karbondur ve doğal

malzemelerin birçoğunun içeriği de karbon esaslıdır.[14]

47

Karbon: Karbon atomlarından oluşan malzemelerin karbon atomlarının bağlanma

geometrilerine göre çok farklı fiziksel ve kimyasal özellikler göstermektedirler. Yaşamın

dayandığı temel işlevleri yerine getirmek için yeterli çeşitlilikte ve karmaşıklıkta

düzenlemeler oluşturarak başka elementlerle birleşme yeteneği, yalnızca karbonda vardır.

Karbon atomunun böyle bir özelliğe sahip olmasının sebebi yapısında altı tane elektronunun

olmasıdır. Serbest karbon atomunun 1s kabuğunda iki elektron, 2s ve 2p kabuklarındaysa bağ

oluşturmaya hazır dört değerlik elektronu bulunur. Metallerden ve ametallerin birçoğundan

farklı olarak, karbonda bağ oluşumu, kovalent (ortaklaşa) niteliktedir. Bunun nedenlerinden

biri, karbonun atom sayısının küçük olması, bu nedenle de, atom çekirdeğine yakın olan

değerlik elektronlarını çok sıkı tutmasıdır. Karbonun bu özelliklerinden dolayı doğada tek

olması, karbonu rakipsiz yapmakta ve belki de dünyada hayatın karbon esaslı olması bu

sebepten ötürü olmaktadır. [12]

Şekil 5.1 Karbon atomlarının bağlanma şekilleri

Karbon esaslı malzemeler aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir:

Karşıımza çıkan en önemli ve ilgi çekici karbonlar, elmas ve grafit allotroplarıdır. Kimyasal

yapıları aynı olmasına rağmen geometrik dizilişlerinin farklı olmasından dolayı apayrı

özellikler göstermektedirler. Buradaki her bir farklı şekil farklı bir malzeme anlamına gelir.

Karbon elementi her üç bağlanma geometrisini gösterebilen tek element olması bakımından

istisnai bir özelliğe sahiptir.[12]

48

Elmas: Saf elmas, bilinen en sert doğal maddedir. Normalde renksiz ve saydam iken, başka

minerallerle arılığı bozulduğu zaman, pastel renklerden mat siyaha kadar uzanan çeşitli

renklerde bulunabilir. Elmas ısıyı ileten en iyi malzemedir ve elektrik yalıtkanıdır.

Şekil 5.2 Elmasın geometrik yapısı

Elmasın üstün özellikleri, birbirine kenetlenmiş dörtyüzlü karbon atomlarının oluşturduğu

kristal yapısından kaynaklanır; bu atomların her biri, en yakın dört komşusuna ortaklaşa

bağlanmıştır. Karbon-karbon bağının olağanüstü dayanıklılığı ve ortaklaşa bağlarla

kenetlenmiş yapısı, elmasın sert ve eylemsiz olmasını sağlamaktadır.[12]

Grafit: Grafit, karbonun diğer bir allotropudur. Kurşun kalemden bildiğimiz grafit; yumuşak,

yağlı, kâğıtta iz bırakan, siyah renkli bir katı maddedir. Grafitte her bir karbon atomu aynı

düzlemde bulunan diğer üç atoma altıgen halkalar oluşturacak şekilde bağlanır. Oluşan ağ iki

boyutludur ve bu şekilde meydana gelen tabakalar birbirine zayıf Van der Waals kuvveti ile

bağlanır. Bu yüzden, tabakala birbirlerinin üzerinde kolayca kayar. Grafit, yağ haline getirilip

makinelerde, çalışan parçaların birbirine sürtünürken aşılmasını azaltmak ya da engellemek

amacıyla yağlayıcı olarak kullanılır. Grafitin günlük hayatta birçok kullanım alanı

bulunmaktadır. Son dönemlerde, uzay kapsüllerinin ısı kalkanlarının yapımında da grafitten

yararlanılmaya başlanmıştır.[12]

Şekil 5.3 Grafitin geometrik yapısı

49

Karbon şiberler: Özellikle yüksek mukavemet dayanımı gereken yerlerde kullanılırlar, grafit

özellikli, silindir şeklinde ve farklı kesit yapıları olan bir malzemedir.[13]

Camsı karbon: Daha çok polimerimsi ve gözenekli yapıda olan bu malzemeler hazırlanış

durumlarına göre farklı özellikler gösteren sert bir malzemedir.[13]

Siyah karbon: Özellikle hidrokarbonlardan hidrojen çıkartılması ile elde edilen karbon

topaklarıdır. Üretilme şartlarına göre farklı isimlendirilirler. Endüstride bazı malzemelerin

mekanik, elektrik ve optik özelliklerini düzenlemek için dolgu maddesi olarak kullanılan

karbon türüdür.[14]

Karbin ve karbolitler: Zincir veya polimer şeklindeki bu yapılar genellikle hızlı soğutma

işlemlerinden sonra meydana gelir, kristal yapıda da oluşan karbinler sert bir yapıya

sahiptirler.[14]

Amorf karbon: Uzun mesafeli düzeni olmayan, bazen kısa mesafeli düzeni olan, genellikle

düzensiz yapıda oluşan karbon malzemedir. Hazırlanış şartlarına göre fiziksel özellikleri

değişebilir. Amorf yapıda atomlar birbirleriyle (%90) sp3 ve (%10) sp2 şeklinde bağlanırlar.

Şekil 5.4 Amorf karbon geometrik yapısı

Sıvı karbon: Elmas, grafit veya başka bir yapıdan ergitilerek (4450 K)elde edilen ve metal

özelliği yüksek olan bir malzemedir.

50

5.1.1 Karbon Nanoyapılar

Karbon; elmas ve grafit gibi,ve yukarıda sıraladığımız örneklerinden başka, sonlu boyutlarda

(nanometre ölçülerinde) sağlam yapılara sahip olması bakımından da ilginç bir elementtir.

Son dönemde yapılan araştırmalarda C60 topunun ve ardından da karbon nanotüpün keşfi

karbon nanoyapılara olan ilgiyi yoğunlaştırdı. Karbonun nanoyapıları genellikle top, tüp,

çubuk ve halka şeklinde sınıflandırabiliriz.[7]

Karbon esaslı malzemelerin sp, sp2, sp3 şeklinde bağ yapmaları aynı zamanda bu

malzemelerin boyutu ile de ilişkilendirilebilir. Karbon periyodik tabloda mevcut elementler

içerisinde sıfır boyuttan 3B’a kadar izomerleri olan tek elementtir. İlginç bir şekilde, 3

boyutlu karbon, yarı iletken elmas yapıdan, 2B’lu yarımetalik grafite, 1B’lu iletken ve

yarıiletken nanotüplere ve sıfır boyutlu nanotoplara kadar farklı kararlı yapıları ve birçok

farklı özelliği olan harikülade ve yegane elementtir.[7]

Karbon nanoyapılar 1B’lu ve 0B’lu karbon yapılarıdır ve bunlara nanotüpler ve nanotoplar

denilmektedir. Bu yapılar nanometre ölçülerindedir. Dolayısıyla karbon toplar, tüpler ve

çubuklar karbon nanoyapıların asıllarını oluşturmaktadırlar. Nanoteknoloji çağının

başlamasında en önemli rolü oynayan karbon, nanoyapılarda; daha şimdilerden

nanomakinelerin, nanorobotların vazgeçilmez elemanı olmaktadır. Hatta bu nanoyapılar,

nanosistemlerin yapılmasında, şimdilik tek aday durumundadır. [9]

5.1.1.1 Karbon Nanotoplar

Fulleren de denilen karbon nanotoplar, birkaç karbon atomunun, aralarında bağ oluşturarak,

top şeklinde kafes yapıları meydana getirmeleridir. 1984 yılında R.E. Smalley ve arkadaşları,

Grafit kristalini lazerle eritip buharlaştırırken, karbon atomlarının, topaklar halinde ve farklı

büyüklüklerde top biçimli kafes yapılar oluşturduğunu farkettiler. Bu toplar, 20-130 kadar

karbon atomu içeriyordu ve bu buharlaştırma esnasında oluşan topların, yaklaşık olarak %75

kadarını 60 atomlu toplar (C60), %23 kadarını da 70 atomlu toplar(C70) oluşturmaktaydı.

Kalanı ise farklı atom sayılarındaki fullerenlerden oluşmaktadır.( C70, C76 ve C84 molekülleri

gibi)[14]

51

Fullerenler bir karbon allotropu ailesidir. Şekilleri bir futbol topnun andırdığı için ve bir

mimar olan Richard Buckminster Fullerin de mimari yapıları hep bu şekilde olduğu için ona

atfen bu isim verildi. Küre yapılılara buckyball denir. Fullerenler tamamen karbon atomundan

oluşur ve küre, ellipsoit veya tüp şeklinde olabilirler. Bazen de bu yapılar silindirik şekilde

olabilmektedirler ve bunlara da karbon nanotüp denilmektedir.[9]

Şekil 5.5 Karbon nanotop, fulleren (C60)

Fullerenler içinde en yüksek mekanik dayanıma sahip olan C60 toplarıdır. Bu topta atomlar

birbirleriyle sp2 şeklinde bağlanmaktadırlar. Bu bağ, Grafit atomlarının yaptığı bağ şekline

benzemektedir. Karbon nanotopların, en çok üretilen ve yaygın olarak kullanılan biçimi, (C60)

atomudur. Bundan elde edilen küre şeklindeki C60; 12 yüzlü simetri, 12 adet beşgen ve 20

adet altıgen yüzden oluşur.[9]

Karbon nanotoplar, genellikle küre şeklinde bir kafes yapısına sahiptir. Bu ise karbon

atomlarının, beşgen ve altıgen yüzeyler oluşturmalarından kaynaklanıyor. Tek duvarlı

olabildikleri gibi, iç içe geçmiş yapıda olanları ya da ikili gruplar (dimer) halinde bulunanları

da mevcuttur.(9)

Karbon nanotoplar, hem saf olarak, hem de katkılandırılmış olarak da elde edilebiliyorlar.

Karbon toplar, yerleştirildikleri kristal yüzeylerinin, elektronik ve optik özelliklerini

değiştiriyorlar. İki yüzey arasında zıplayarak hareket edebilen topların, bu özelliğinden

faydalanarak, nano transistörler ve hatta tek elektron transistörleri yapmak mümkün

olmaktadır.[7]

52

Nanoteknolojik olarak fullerenlerin birçok yerde kullanılacağı tahmin edilmektedir. Örneğin

Mart 2008'de fullerenlerin içinde ağırlıklarının %8'i kadar hidrojen depolayabilecekleri

bulunmuştu, bu buluş hidrojenin yakıt olarak kullanılmasındaki en büyük sorunu teşkil eden

hidrojeni depolama sorununa çözüm olacak gibi durmaktadır. Bunun yanında, fullerenlerin ısı

direnci ve süperiletkenlik özellikleri üzerinde de çok durulmaktadır. [23]

Fullerenlerin bazı özellikleri:

� Fullerenler çok reaktif yapılardır.

� Ayrıca fullerenlerin molekül tanıma uygulamalarında da kullanılması

düşünülmektedir( HIV virüsü tesbiti gibi)

C60'ın fiziksel özellikleri: Ağırlık bakımından yoğunluk: 1.72 g/cm3,

Moleküler yoğunluk: 1.44 x 1021/cm3

İki karbon arası ortalama uzaklık: 1.44 Å

Dış Çap: 10.18 Å

Atom başı bağlanma enerjisi: 7.4 eV

Kaynama noktası: 800 K'da süblimleşiyor v.b. [ybnc]

Fullerenler birçok çözücüde çözünebilmektedirler. En yaygın olanları toluen ve karbon

disülfittir. Fullerenler bu sıvılarda çözüldüğü zaman; saf C60 fulleren mor rengi, C70 kırmızı

kahverengi rengi alır. Fullerenler oda sıcaklığında bir çok çözücüde çözünebilen tek karbon

allotropudurlar[nntrky]

Bazı top fulleren çeşitleri: Buckminsterfullerene ve Bor buckyball'u

Tüp fulleren çeşitleri: Nanotomurcuk ve Nanotüp

53

Karbon Nanotopların Kullanım Alanları:

� Nanotoplar, kaplama elemanları olarak malzemeleri fazla ve zararlı ışıklardan

korurlar.

� Karbon toplar içeren polimerler, foto-iletkenlik özelliği gösterir. Bu nedenlede,

Karbon nanotoplar, fotodiyot, transistor olarak ve ayrıca güneş pillerinde kullanım

alanı bulmaktadırlar.

� Bunların yanı sıra, fullerenler; oksitlenmeye karşı iyi bir koruyucu görevi yaparlar.

� Bir diğer dikkat çeken önemli özelliği kendi ağırlığının 300 milyon katı kadar bir

ağırlığa dayanabilecek sağlamlıkta olmalarıdır.

� Suda çözülebilen karbon topu türevlerinden oluşturulan bir maddenin, HIV virüsünün

faaliyetlerini sınırladığı deneylerde gözlemlenmiştir.

� Yine günümüzün büyük problemi olan enerji yönetimi ve çevre kirliliği konusunda

büyük bir çözüm olan hidrojen yakmada en büyük kısıtlayıcı etmen olan hidrojeni

depolama işlemi, fullerenler sayesinde çözülebilecek gibi görünüyor. Bunu yanında

yüksek enerjili pil yapımında da kullanılmaktadır.[6]

5.1.1.2 Karbon Nanotüpler

İlk defa Japon bilim adamı Lijima 1991’de yaptığı çalışmalarda karbonun tüp şeklinde yapılar

meydana getirdiğini gözlemledi. Karbon grafit’ten "arc-discharge" buharlaştırma yöntemiyle

yapılan deneylerde, grafit plakasının kıvrılarak silindir şekline gelmesiyle içi boş boru halinde

tüplerin oluştuğunu Lijima gözlemledi.

Karbon nanotüpler üç farklı yönde oluşurlar;

1- Zigzag geometri

2- Sandalye kolu geometri

3- Çapraz geometri

54

Şekil 5.6 Karbon nanotüp oluşumları

Karbon nanotüpler, geometrilerine bağlı olarak yarı-iletken ve metalik özellik gösterirler. Hiç

bir katkı maddesi olmaksızın, nanotüpün, geometrik parametrelerinin değiştirilmesiyle,

elektronik özellikleri de değiştirebilir. Tüplerin elektronik uygulamalarda, önemli bir yeri

vardır. Çok esnek ve sağlamdırlar. [27]

Şekil 5.7 Tek duvarlı karbon nanotüp[27]

55

Küçük çaplı (yaklaşık 1-2 nanometre) tüplerden oluşturulmuş bir demeti, koparabilmek için

uygulanan çekme kuvveti, yaklaşık 36 gigapaskaldır. Kovalent bağ ile bağ yaparlar. Buna

göre, nanotüp fiberle, gerilmeye karşı en sağlam malzeme özelliğini taşımaktadır.[27]

Nanotüp yapısında, Grafit plakalarında olduğu gibi sadece altıgen şekiller bulunuyor ve her

atomun sadece üç komşusu var. Düzgün karbon nanotüp yapılarda, atomlar, birbirleri ile sp2

şeklinde bağlanıyor. Her ne kadar nano boytularda tüpler çok sağlam bir yapıya sahip olsalar

da bu tüplerdeki önemli bir sorun, makroskopik ölçülere gelindiğinde tüpün kırılgan bir

yapıya dönüşmesidir. [26]

Nanotüpler tek katlı(duvarlı) oldukları gibi çok katlı da olabilmektedirler.

Şekil 5.8 Çok katlı bir karbon nanotüp modeli[26]

İletken ve elektrik alanına duyarlı oldukları için, elektronik malzeme olarak manyetik ve optik

nanoaygıt yapımında; ayrıca hafıza elemanı, kapasitör, transistor, diyot, mantık devresi ve

elektronik anahtar yapımı gibi geniş bir elektriksel uygulama alanı bulunmaktadır.[26]

Karbon nanofiberler, çok geniş yüzey alanına sahiptir. Nanofiberin kütlesiyle alanı arasındaki

oran, normal malzemelere göre çok büyüktür. Örneğin kütlesi 1 gr. olan bir karbon nanotüp

fiberin alanı, 300 m2 yi bulabiliyor. [14]

Karbon nanotüp fiberlerin bu özelliği sayesinde, nanometre düzeyinde süper kapasitörler;

dolayısıyla da yapay kas üretimi mümkün olabilecek. Hidrojen depolamaya da olanak

sağlayan geniş yüzey alanı, Karbon nanotüp fiberleri, potansiyel enerji depolama malzemesi

haline getiriyor. [26]

56

5.1.1.3 Karbon Nano Çubuklar

Karbon nano çubuklar iç içe geçmiş çok duvarlı nanotüplerin aralarındaki mesafe belli bir

değerin altına indiği zaman tüp atomları birbirleriyle bağ yaparak nanoçubuk yapılarını

meydana getirmektedirler. Dolayısıyla çubuklar, içi tamamen veya kısmen dolu tüp

yapılardan oluşuyor. Çok duvarlı tüplerde tüpü oluşturan karbon atomları arasındaki mesafe

genellikle, bağ uzaklığından fazladır. Eğer bu mesafe, karbon atomlarının bağ yapmalarına

olanak verecek kadar küçülürse(< 0.15 nm), o zaman karbon atomları birbirleriyle (sp3 gibi),

bağ kurarlar. Bu şekilde her atomun, dört bağlı komşusu bulunmuş olur. Karbon

nanoçubuklarda tüpler birbirini etkiledikleri için esneklik tüplere göre daha zayıftır. Özellik

olarak ta birçok yönden tüplerden farklılıklar gösteririler.[30]

6 NANOİMALAT

Nanomalzemelerin var olabileceği ilk önce düşünce safhasındaydı, 1959 yılında Feynman’ın

aşağıda daha çok yer var öngörüsü, bu çağın başlangıcı olurken, ortada henüz somut bir

gelişme yoktu. Ancak bu düşüncelerden yola çıkılarak yapılan inceleme ve araştırmalarda

gerçektende böyle bir dünyanın olduğu, hatta daha önceleri yapılan gen çalışmalarının da bu

ölçeklerle alakalı olduğu saptandı. En önemli gelişme olarak; 1984 yılında R.E. Smalley ve

arkadaşlarının grafit kristalini lazerle eritip buharlaştırırken bu esnada tesadüfen, C60

fullerenini bulmaları ve ardından da karbon nanotüplerin deney yoluyla elde edilmesi bir çığır

oldu.

Bu gelişmelerle beraber, paralel bir şekilde mikroskop teknolojilerindeki ilerlemeler de, artık

küçük âlemleri gözlemleyip inceleme kolaylıklarını sağlamış oldu. Bu doğrultuda önce

düşünce aşamasında tasarlanan ve bilgisayar ortamlarında simülasyonları gerçekleştirilen,

nanoaleme ait dizaynların gerçekten üretilebilmesi için nanoimalat yöntemleri üzerinde

çalışmalara sebep oldu. Yapılan çalışmalar sonucunda nanoüretimi esas olarak, iki ana

yöntem şeklinde ifade edebiliriz; [8]

1- Yukarıdan-Aşağıya doğru (top down)

2-Aşağıdan-Yukarıya doğru (bottom up)

57

Bu ana yöntemlerin isimlerinden de anlaşılacağı gibi, yukarıdan-aşağıya yönteminde katı bir

maddeden, onu yonta yonta yeni bir parça elde etmeye benzetilebilirken, aşağıdan-yukarıya

üretimde ise parçaları birleştirerek büyük bir sistem yapmaya benzer. Bazı durumlarda da her

iki yöntem birbirine karışabilmektedir ki, buna da hibrid üretim diyebiliriz.[8]

Genel olarak yukarıdan-aşağıya imalat külfetli ve zaman alıcıdır, ancak aşağıdan-yukarıya

imalatta ise atom veya molekül seviyesinden başlayarak, nanoyapılara ulaşılır ve bu yöntemle

imalat nispeten daha ekonomiktir.

6.1 Yukarıdan-Aşağıya Üretim(Top-down)

Yukarıdan-aşağıya yaklaşımı, makineler, asitler ve benzeri mekanik ve kimyasal yöntemler

kullanılarak nanoyapıların fabrikasyonu ve imal edilmesi yöntemlerini ifade eder.

Yukarıdan-aşağıya(büyükten küçüğe) üretim yöntemi kapsamında birçok farklı yöntem

uygulanmaktadır. Bu yöntemler; mekanik yöntemler(öğütme, sıkıştırma, ısıl prosesler v.b.),

yüksek enerji yöntemi, ısıl (termik) yöntem, kimyasal yöntem, litografik (baskı) yöntem ve

doğal yöntemler gibi genellikle fiziksel esaslara dayanan yöntemlerdir.[10]

6.1.1 Mekanik yöntemler

Mekanik üretim yönteminde, makro boyutlardaki malzemelere mekanik işlemler uygulanarak

mikro ve moleküler boyutlara indirgeme süreçleridir.

Kesme, haddeleme, dövme, sıkıştırma ve püskürtme (atomizing) gibi bilinen klasik mekanik

yöntemlerle nanoparçalar elde etmek için uygulanan belli başlı üretim yöntemleridir.

Mekanik üretim yöntemlerinde genel olarak fiziksel bir uygulama vardır, kimyasal değişim

söz konusu değildir. [10]

58

Mekanik Öğütme Yöntemi: Sanayide kullanılan farklı öğütme prosesleri

uygulanmaktadır(bilyeli öğütücüler, titreşimli öğütücüler, ince mekanik öğütücüler, pnömatik

öğütücüler gibi), burada yapılan işlem mekanik öğütücü bir makine ile, malzemeyi makro

ölçülerden atomal ölçülere indirgeme işlemidir. İşlemlerin hassas bir şekilde uygulanması,

öğütücü kazanların olabildiğince temiz olması ve öğütme işlemini yapan (bilyeler gibi)

aparatların özenle seçilip hazırlanması önemlidir.[10]

Şekil 6.1 Öğütücü ve kırıcı tipleri

Öğütme işlem sonucunda meydana gelen tozlardan, çeşitli nanoboyuttaki malzemeler oluşur.

Bunların içinden nanoboyuttakileri ayırmak gerekir. Öğütme yöntemleri ile 20 nm’ye kadar

parçacıklar elde edilmektedir.[10]

59

Isıl (termik) Yöntem: Yukarıdan-aşağıya imalat yöntemlerinde, ilaveten belirlenmiş sıcaklık

değerleri uygulanırsa izlenen yönteme ısıl yöntem denir. Buradaki ısıtma, klasik ısıl

işlemlerdir olup, lazerle ısıtma gibi yüksek enerji yöntemlerini bu yöntemden ayırmak

gerekir.[28]

Dönen Soğuk Yüzeyde Katılaştırma Yöntemi: Bu yöntemde ergitilen malzeme bir nozül

vasıtasıyla dönen soğuk bir yüzeye püskürtülür. Bu işlemde yüksek hızlarda püskürtme ile

malzeme küçük boyutlara inerken, dönen yüzeyde de ani soğuma ile katılaşma meydana

gelmiş olur. Yüzey üzerinde yoğunlaşan bu malzeme nanoboyuttadır.[28]

Gaz Atomizörü: Bu yöntemde yüksek hızlardaki asal gaz, metal ergiyik huzmesine

püskürtülür. Meydana gelen çarpışma sonucu nanoboyutta metal parçacıkları oluşur.

Katılaşma sonucu nanoboyutta taneciklerden oluşan toz elde edilir.[28]

Yüksek enerji yöntemi: Yüksek akım arkı, lazer ve güneş enerjisi altında buharlaştırmada,

sırasıyla yüksek elektrik akımı, monokromatik radyasyon ve güneş radyasyonu katı bir

plakaya yönlendirilerek nanoparçaçıklar elde edilir. Deneysel olarak karbon nanotüpler bu

yöntemle elde edilebilmektedir. Bu işlemlerde katalitik demir, molibden veya krom parçaları

içeren plaka üzerindeki grafit’ten karbon nanotüpler meydana gelir. Yöntemde ayna

sistemlerinden yararlanılarak güneş enerjisinden yaklaşık olarak 3000-4000°C civarında

sıcaklık sağlanabilmektedir.[21]

6.2 Aşağıdan Yukarıya Üretim Yöntemleri

Aşağıdan yukarıya üretim yönteminde temel olarak küçükten büyüğe bir sistemi oluşturmak,

bir ürünü meydana getirmek anlamındadır ve pratik olarak birçok üstün özellikleri bünyesinde

barındırır. Çünkü bu yöntemde sistemin elemanlarını tek tek ele alıp, onlar üzerinde çalışılıp

öyle imal edilir ve dolayısıyla hassas bir şekilde işlenen elemanlardan meydana gelen sistem

de aynı derecede hassas ve istenilen özelliklerde olacaktır.[28]

Nanoteknoloji’deki üretimlerde ise aşağıdan yukarıya imalat demek; atomları, molekülleri tek

tek işleyip bir nanoyapı meydana getirmek demektir. Burada da atomlara hükmedip onları tek

tek tasarlayıp yönlendirmek şüphesiz birçok mükemmel özellikleri elde etmek anlamına

gelecektir. Hayatımızdaki doğal nanoboyutlardaki işleyişler de hep bu şekilde aşağıdan-

yukarıya imalat yöntemi ile meydana gelmiştir.[7]

60

Dolayısıyla aşağıdan-yukarıya üretim yöntemleri genellikle organik malzemelerde görülür.

Kimya ve biyoloji dünyasına ait faaliyetlerdir.

Doğal sistemlerdeki özelliklere baktığız zaman kendi kendini yenileme, en iyi üretim

ortamlarında meydana gelme gibi durumlar aşağıdan-yukarıya yöntemlerinde görülmektedir.

İlk bakışta aşağıdan-yukarıya yöntemi daha çok biyonano’yu daha çok ilgilendiriyor gibi

dursa da, nanomalzeme üretiminde de önemli bir yöntemdir.[7]

Aşağıdan-yukarıya üretim yönteminde maddenin içinde bulunduğu faz halin önem

kazanmaktadır. Dolayısıyla Gaz fazı yöntemi, Sıvı fazı yöntemi, Katı fazı yöntemi şeklinde

kategorize olmaktadır.

6.2.1 Gaz fazı yöntemi

Bu yöntem, gaz fazında malzemeleri şekillendirme olarak düşünülebilir. Gaz fazında yapılan

işlemlerde enerji gideri düşük olmaktadır. Karbon nanotüpler elde etmek için en uygun

olanıdır. Gaz fazı yöntemleri aşağıdaki şekilde gruplandırılabilir.[7]

Buharlaştırma: Buharlaştırma yönteminde metal malzemeler sıklıkla

buharlaştırılmaktadırlar. Malzeme bir vakum odasında buharlaştırılır ve gaz fazına geçen

metal atomları, kaynaktan ayrılırken hızlı bir şekilde enerjilerini kaybederler ve

çekirdeklenme ile gaz fazında atom kümeleri oluştururlar. Bu kümeler gaz fazında yeni

atomların eklenmesi ile büyürler. Oluşan kümeler sistemdeki “cold finger” üzerinde

toplanırlar. Konveksiyon akımları (inert gaz ile ısınan; cold finger ile soğuyan) yoğunlaşmış

küçük parçacıkları toplama kabına taşır. Birikenler kazınarak sıkıştırma cihazına

gönderilir.[7]

Şekil 6.2 Buharlaştırma yöntemi ile imalat

61

Üretilen parçacıkların boyutu 1–100 nm arasındadır ve gaz basıncı ayarlanarak bu

büyüklükler kontrol altına alınabilir. Daha sonra toplanan parçacıklar istenirse sinterlenerek

katı nanomalzeme elde edilir.

Kimyasal buhar çökeltmesi: Bu yöntemde malzeme veya kimyasal bileşikler buharlaştırılır ve

sıcak bir yüzeyler üzerinde ayrıştırılarak küçük boyutlarda malzeme üretimi gerçekleştirilir.

Kimyasal reaksiyonlar, sıcak yüzeylerin üzerinde veya yakınında meydana gelir ve oluşan

ürünler, yüzey üzerine ince film olarak depolanır. Kimyasal; sıcak duvarlı reaktörler, soğuk

duvarlı reaktörler, düşük basınçlı, atmosferik basınçlı, yüksek basınçlı reaktörler, taşıyıcı gazlı

veya taşıyıcı gazsız reaktörler gibi gruplara ayrılırlar. [7]

Aynı zamanda, kimyasal buhar çökeltmesi geniş bir enerji kaynağı çeşitleri de kullanmaktadır. Bu

işlemlerde; plazmalar, iyonlar, fotonlar, lazerler, sıcak filamanlar veya depolama oranını

yükseltici yanma reaksiyonları gibi birçok enerji kaynağı ile işlemler

gerçekleştirilebilmektedir.[7]

Bu işlemde yüksek sıcaklık altında gaz fazında olan malzeme, bir plaka veya katalizör

üzerinde nano malzemeye dönüşür. Bu sayede çok saf, yüksek performanslı katı nano

malzemeler elde edilir.

Şekil 6.3 Kimyasal buhar çökeltmesi

Moleküler hüzme (beam) epitaxy: kimyasal buhar çökeltme yöntemindeki gibi, çökeltilecek

malzemelerin buharları, yüksek vakum altında, ısıtılan bir tabaka üzerine yönlendirilir.

Tabaka üzerine çöken atom veya moleküller birbirleri ile bağ yaparak film oluşmasını

sağlarlar. Bu film kalınlığı nano boyutlarda bir filmdir.[28]

Atom tabaka çökeltmesi: yine kimyasal buhar çökeltmede olduğu gibi, bu yöntemde de

hazırlanmış yüzey üzerine buharlaştırılmış malzemenin çökeltilmesi durumu söz konusudur.

62

Bu yöntemde plaka üzerinde her defasında bir molekül kalınlıkta film tabakası oluşturulur.

ZrCl4 ve H2O’nun yüzey üzerinde katman oluşturması şekilde gösterilmiştir.[10]

Sekil 6.4 Atom tabaka çökeltmesi

Yanma: Malzemenin özelliklerine göre yanma işlemi gerçekleştirilirse nanoboyutlarda

malzeme imalatı gerçekleştirilebilir. Örneğin karbon grafit uygun şartlarda yakılırsa, alevinde

tek ve çok duvarlı nano tüpler oluşur. Yanma yöntemi nanokompozit malzemelerdeki çok

duvarlı nanotüpleri oluşturmak için oldukça gelişmiş bir üretim yöntemidir.[7]

6.2.2 Sıvı Fazı Yöntemi

Kimyasal tepkimelerin çoğu sıvı fazda oluşur. Kimyasal olarak malzemelerin bira araya

gelmesini birbiriyle rahatça etkileşime geçebileceği en optimum ortam, sıvı fazda

oluşmaktadır. Çünkü sıvı fazı malzemelerin bir araya gelmesi, tepkimeye girmesi için en

uygun ortamı sağlar.[21]

Biyolojik olaylar da, çoğu zaman sıvı faz ortamında meydana gelir. Protein sentezi, nükleik

asit sentezi, membran sentezi, inorganik biyolojik yapılar (örneğin sedef) gibi oluşumlar,

aşağıdan-yukarıya üretim yöntemlerine doğal örneklerdir.[21]

Çok çeşitli sıvı faz üretim yöntemleri vardır. Nanoparçacıkların da meydana geldiği en iyi

ortamlar sıvı faz ortamları olmaktadır. Sıvı fazda kimyasal tepkimeleri kontrol etmek çok

daha kolaydır. Bazı önemli sıvı faz yöntemlerini şu şekilde sıralayabiliriz;

63

Sol-Jel Sentezi: Sol-jel üretim yöntemi son yıllarda üzerinde çalışılıp önemli ilerlemeler kat

edilen mikro boyutlarda üretim yöntemidir. Esasen bu yöntem, seramik üretiminde kimyasal

bir yöntem olup, kelime anlamıyla solüsyon-jelleşme (solution-gelation) kelimelerinin

kısaltılışı olarak kullanılmaktadır ve bir solüsyonun veya süspansiyonun jelleşebildiği tüm

sistemleri içermektedir. [19]

Bu yöntem özellikle toz, kaplama ve fiber üretiminde önemli bir potansiyele sahiptir.

Genellikle sol-jel metodunda metal alkoksit, su ve alkol içeren çözeltiler kullanılır. Çözeltinin

erken gelişen jelleşme reaksiyonlarını ve tanecik oluşum reaksiyonlarını ayarlamak üzere çok

az bir miktar baz veya asit katalizörü kullanılır. Çözeltilerdeki tanecikler arasındaki

uzaklıkların daraltılması, var olan uzaklıkların korunması için sol-jel iyi bir metoddur.[19]

Sol; sıvı içerisinde kolloidal katı taneciklerinin kararlı bir süspansiyonudur. Kolloid olarak

tanımlanan tanecikler ise 500 nm ve daha altındaki boyutlara sahip taneciklerdir. Jel, kolloidal

parçacıkların çöktürülmesiyle elde edilen ve bol miktarda su içeren çökeleklere denir. Jel, katı

ve sıvı faz arasında bir ara fazdır.[19]

Sol-jel yönteminde işlemler şu basamaklardan oluşur;

1- Alkoksithidrolizi

2- Peptidleşme veya polimerizasyon

3- Jel eldesi

4- Kalsinasyon/ Sinterleme

Şekil 6.5 Jelleşme mekanizması[19]

Sol-jel yöntemi, nanoteknoloji için birçok olanak sağlamaktadır. Sıvı fazdan kolloidal

nanoparçaçıklar elde etmek için geniş uygulama alanı vardır.

64

Son yıllarda ise ileri nano malzemeler ve kaplamalar üretmek için çok geliştirilmiştir.

Bilhassa metal oksit nanoparçaçıklar ve kompozit nanoparçaçıkların üretimi için çok

uygundur. Düşük sıcaklık gereksimi büyük avantaj sağlamaktadır.[19]

Sekil 6.6 Sol–Jel kaplama

Şekilde Sol-Jel tekniği ile metal oksit kaplama işlemi gösterilmiştir. Görüldüğü gibi kaplanan

plaka solüsyondan çıkarılırken kaplama işlemi oluşmaktadır. Solüsyondan çıkarılış hızı

kaplamanın kalınlığına tesir etmektedir.[19]

Moleküler kendini yapma yöntemi: Bu yöntemde, uygun şartlar sağlandığında, moleküller

aniden bir araya gelerek belli özelliklerde kütle oluşturur. Yalnız reaksiyonun kontrol altına

alınması gerekir. Aksi durumda dengesiz büyümeler görülebilir.

Elektrolitik - elektriksiz çökeltme yöntemleri: Bu elektrolitik yöntem, elektrolitik

(galvanik) kaplama yöntemidir. Nano boyutundaki kalınlıklar için yöntem sıkı denetim

altında uygulanır. Elektriksiz Çökeltme yönteminde ise kaplanacak yüzey bir metal tuzu

içindedir ve metal atomları yüzeyin üzerine çökelir.[21]

65

7 NANOTEKNOLOJİNİN UYGULAMA ALANLARI

Nanobilim ve nanoteknoloji son dönemin popüler ilgi alanıdır. Geçen zamanla beraber

insanların daha ileriye gitmek istemesi, daha rahat bir dünya oluşturma isteği her zaman

tazeliğini korumaktadır. Bu konuda da insanın en çok muhatap olduğu olgu, şüphesiz

malzeme ve malzeme bilimidir. Sağlıktan kıyafete, ulaşım araçlarından uzay ve havacılık

sektörüne günlük hayatta kullandığımız bütün eşyalarda, hayatımıza pratiklik kazandıran her

şeyde malzeme biliminin büyük bir önemi vardır.

Günümüzde birçok konuda önemli gelişmeler yaşanmış özellikle bilgisayar teknolojilerinin

hayatımıza kattığı kolaylıkları yakinen yaşamaktayız. Bilgisayarlarla beraber haberleşmedeki

hızlanmalar iletişimlerdeki mükemmellikler; azalan boyutla beraber etkisini göstermiştir.

Yaşananlar gösteriyor ki genel itibarla malzemelerde, sistemlerde boyutun azalması büyük

hızlanmalara sebep olmaktadır. Kuantum teorilerinden sonra nanoboyutlarda tasarımların

yapılabileceği düşüncesi ve çok geçmeden bunun birçok örnekle ispatlanması büyük bir çığır

açmış durumda. Ancak boyutlar çok küçüldüğünde veya çok büyüdüğünde maliyetlerin de

büyüyeceği ortadadır.

Artık çevremizde nanoteknolojinin sesini daha çok duymakta, hatta üretim safhalarından

geçip ticari bir kimlik kazanan nanoürünler de görebilmekteyiz. Henüz başında olduğumuz

nanodönemin hayatımızda oluşturacağı birçok değişiklik şimdiden görülmektedir. Bir boyut

birimi olduğu için nano birçok disiplini içine almaktadır, ancak nanoteknoloji hakkında

yapılan deneyler, projeler, uygulamaları şu şekilde ele alabilirz;

7.1 Malzeme ve İmalat

Nanoteknoloji gelecekte yapılması beklenen malzeme ve aygıt üretim yöntemlerinin

değişmesini; nano ölçekte işlevi olan malzeme ve aygıtların makroskobik boyutlardaki

malzeme içine yerleştirilmesini ve bunların çok miktarda hatasız bir şekilde üretilmesi için

yeni yöntemlerin geliştirilmesini gerekli kılmaktadır. Nanoölçekteki malzemelerin daha hafif

daha sağlam programlanabilir malzemeler olması, daha az malzeme kullanımı, üretim

proseslerinde daha az enerji gereksinimi, artık malzeme üretmemesi gibi avantajlar nano

imalatta önemli hususlardır.[15]

66

Nanoölçekte imalat ‘‘yukarıdan – aşağıya’’ ve ‘‘aşağıdan-yukarıya’’ yöntemleri olmak üzere

başlıca iki kısma ayrılabilir:

Nanoüretim:

1-Yukarıdan-aşağıya yöntemi (Nanoyapıların makroyapılardan üretilmesi)

2- Aşağıdan-yukarıya yöntemi (nano yapıların atomların veya moleküllerin dizilmesiyle

oluşturulması)

Tabiatta mevcut olmayan yeni yapıların tasarlanması mümkün olabilir; biyolojik malzemeler

de dahil olmak üzere düşük maliyetli üretim yöntemleri geliştirilebilir. Muhtemel uygulama

alanları: sonradan işlenmeye ihtiyaç duyulmadan tam istendiği şekliyle nanoyapıda metal,

seramik, polimer malzemeler, nanoölçekte parçacıklardan yapılmış boyalar, nanoölçekte

kaplama yapılmış kesme aletleri, elektronik kimyasal uygulamalar, nanoölçekte yeni ölçüm

standartları, yonga üzerinde nanoölçekte karmaşık ve çok işlevli nanoüretimidir.[15]

Örneğin bir otomotivde nanoteknolojinin ne gibi faydalarını görebiliriz:

1-Nano araba nesneleri taşımanın dışında başka bir şeyi taşımakta faydasız olacaktır.

2-Motorun çeşitli parçalarının üretim süreçlerinin görüntülenmesi için gereken minyatür

algılayıcıların sağlanmasında

3-Araba boyasında, boyaya iyi aşınma direncinin verilmesinde, kendini temizleme işlevinde

ve beklide arabaya yeni estetik efektlerin verilmesinde

4-Ultra güçlü ve ultra hafif ağırlıkta karbon nanotüplerin yeni kompozitler üretmek için

yapısal parçalara yerleştirilmesinde

5-Şaseye yerleştirilmiş algılayıcılarda ve arabanın yapısal sağlığının görüntülenmesi için

kasada ve bunun gibi uygulamalardadır.

7.2 Nanoelektronik ve Bilgisayar Teknolojisi

Nanoölçekte elektronik devre elemanlarının üretilmesiyle bilgisayar mimari tasarımında yeni

gelişmeler beklenmektedir. Söz konusu elemanların üretimi henüz birbirleriyle uyumlu

çalışacak bir şekilde birleştirme işlemleri tam olarak bilinmemektedir.

67

Nanoölçekte bilgi depolama elemanları ayrı bir önem kazanmaktadır. Nanoölçekte elektronik

devre elemanları daha az enerji ile işlevlerini yerine getirebildiğinden nanoteknoloji ürünü

bilgisayarların günümüz teknolojisiyle üretilen bilgisayarlara kıyasla ebat olarak daha küçük

hız ve kapasite olak çok daha büyük kullandığı enerji bakımından çok daha ekonomik olacağı

aşikardır. Bu alandaki gelişmeler bilişim teknolojilerinin gelişmesini de sağlamış olacaktır.

Nanoteller kullanılarak nanoölçekte ‘‘ve’’ ‘‘veya’’ gibi mantık devreleri için tasarım

örnekleri yapılmıştır.[5]

7.3 Havacılık ve Uzay Çalışmaları

Uzay yolculuklarında gerekli olan yakıt hem ağırlık bakımından hem de hacim bakımından

günümüz teknolojileri ile sınırlı miktarda alınabilmektedir. Nano teknoloji ürünü malzemeler

ve aygıtların kullanılması bu sahadaki zorluklara da çözüm getirecektir. Nanoyapılı

malzemeler daha hafif daha sağlam sıcaklığa karşı daha dayanıklı olmaları sebebiyle roket ve

uzay istasyonlarının yapımında önemli olmaktadır. Muhtemel uygulamalar: az enerji

gerektiren, radyasyona karşı dayanıklı, yüksek verimli bilgisayarların yapımında;

makroölçekteki uzay araçlarında kullanılabilecek nanoölçekte aletler: nanoyapılı algılayıcılar

ve nano elektronik ile desteklenen uçuş sistemleri yapımı ısıya dayanıklı nanoyapılı kaplama

malzemeleri olabilir.[5]

7.4 Tıp ve Sağlık

Canlıların yapıtaşı hücreler nanometre ölçekteki moleküllerden oluşur. Nanoteknolojinin

doğadaki işlevsel karşılığı olarak hücreyi göstermek mümkün, dolayısı ile bu konudaki

anlayışımızı ilerlemek için canlıları ayrıntılı incelememiz kaçınılmazdır. Bu yapılara

nanoölçekte bakıldığında fizik, kimya, biyoloji ile beraber (bilgisayar benzetişimlerinin)

‘‘simülasyon, modelleme’’ de uygulandığı disiplinler arası bir araştırma sahası ile karşılaşılır.

Böylece disiplinler arası iş birliği nanobiyoteknoloji gibi sahalarda önemli gelişmeler

yapılmasını sağlayacaktır. Hayatın yapıtaşları proteinler, nükleik asitler, lipitler,

karbonhidratlar, ebatları ile kıvrımları ile dizilişleri ile belirli özellikleri olan nanoölçekteki

malzemelere örnek sayılabilir. Günümüzde gen çalışmalarının zorluğunun nanoölçekteki

aygıtlarla giderilebileceği görüşü yaygındır.Bu sahadaki gelişmelerin hem teşhiste hem de

tedavide yeni yöntemlerin geliştirilmesini sağlayacağı düşünülmektedir.[4]

68

Ayrıca yeni biyolojik malzeme üretiminin gerçekleştirilmesiyle suni organ yedeklemenin

mümkün olacağı inancı kuvvetlenmektedir. Bu alanda bilgisayar modelleme çalışmaları ile

gerçek ortamlardaymış gibi makro moleküllerin davranışları hakkında bilgi edinmek mümkün

olacaktır. Böylece modellemelerin yapılması biyolojik malzeme geliştirilmesinde ve yeni ilaç

tasarımlarında zorunlu hale gelmiştir.muhtemel uygulamalar: gen alışmalarının daha hızlı bir

şekilde yapılması ile teşhis ve tedavide yeni gelişmeler olabilir, vücut içerisine yerleştirebilen

farklı ölçüm cihazları hem daha hassas sonuç verebilir hem de daha ekonomik

olabilir.ilaçların vücutta sadece gerekli olduğu bölgede kullanımını sağlayarak olası yan

etkiler yok edilebilir,vücut tarafından reddedilmeye dayanıklı suni doku organ malzemesi

üretilebilir.görme ve duyma işlevlerinde yeni gelişmeler sağlanabilir, tehlikeli hastalıkları

haber veren algılayıcı sistemler vücuda yerleştirilebilir.yakın vadede beklenen en önemli

katkı. Nanoölçekte malzemelerin nasıl kendi kendini ürettiğinin anlaşılmasıyla ‘‘self-

assemble’’ proteinlerin ve çeşitli organik maddelerin üretim şekli kopyalanabilir,

nanoteknoloji çok daha iyi uygulanabilir ve kontrol edilebilir.[4]

7.5 Çevre ve Enerji

Nanoteknolojinin enerjinin verimli kullanılmasında, depolanmasında ve üretilmesinde önemli

etkileri vardır. Çevre sorunlarının gözlenmesinde ve giderilmesinde kullanılabilir, çeşitli

kaynaklardan gelen atıklar önlenebilir,daha az atık yapan üretim sistemleri geliştirilebilir.

Gelecekte yaşamsal bir ihtiyaç haline gelecek olan temiz<su elde edilmesinde nanofiltreler

kullanılabilir. Kataliz işlemlerinde katalizör malzemelerin nanoölçekte olmasından dolayı

nanoteknolojinin kimya endüstrisinde önemli bir yeri vardır. Petrol endüstrisisnde kullanılan

gözenekli yapıdaki malzemeler ‘‘porus malzemeler’’ nanoteknoloji ürünü olarak karşımıza

çıkmaktadır. Otomobil endüstrisinde kullanılan nanoteknoloji ürünü malzemelerden yapılmış

daha hafif otomobiller daha az yakıt harcayacağı için çevreyi daha az kirletecek, ayrıca daha

da ekonomik olacaktır. Otomobil tekerleklerindeki lastiklerde siyah karbon yerine

nanoteknoloji ürünü inorganik kil ve polimer kullanılması çevre dostu lastiklerin yapımında

nanorobotların ve akıllı sistemlerin nükleer atıkların kontrolünde e filtrelenmesinde

kullanılma olasılığı vardır.[5]

Nanoteknolojinin uygulama alanlarından önemli sayılabilecek başka bir konu da temiz enerji

kaynağı olarak kabul edilen hidrojen enerjisi ile ilgilidir. Bu konu başlı başına incelemeye

değer ve önemli olmasına rağmen nanoteknoloji ile ilişkisinden kısaca bahsedelim.

69

Hidrojen enerjisi konusunda üç önemli husus vardır: hidrojen gazının üretilmesi, hidrojen

gazının depolanması ve gazın depoya doldurulması ve depodan geri çekilmesidir.

Bu üç husus birbirinden bağımsız olarak araştırma yapılabilecek önemdedir. Henüz

araştırmalar devam etmekte olduğundan özellikle hidrojen gazını depolama işi şimdilik

tamamen nanobilim ve nanoteknoloji konusu görülmekte, hidrojen gazını depolama işine

nanoölçekte çözüm aramak gerekmektedir.[20]

7.6 Biyoteknoloji ve Tarım

Biyosentezleme ve biyoişleme yeni kimyasal ve ecza malzemesi sağlayabilir. Biyolojik

yapıtaşlarının suni malzemelerin ve aygıtların içine yerleştirilmesi ile biyolojik işlev ve

istenen başka özelliklere sahip malzemeler üretilebilir. Tarımda da nanoteknolojinin kullanım

alanları vardır. Örneğin bitkileri böceklere karşı korumak için moleküler seviyede

kimyasalların geliştirilmesi hayvanlar ve bitkilerin genlerinin hayvanlar için ilaçların, DNA

testleri için nanoölçekte kontrol yöntemlerinin geliştirilmesi sağlanabilir.[23]

7.7 Savunma

Savunma sanayinde nanoteknolojinin önemli bir yeri vardır. Bazı uygulama alanları:

Nanoelektronik yardımı ile haberleşme askeri açıdan çok önemlidir. Yine nanoelektronik

yardımı ile çok karmaşık eğitim sistemleri yapılabilir. Robot sistemlerinin etkin kullanılması

ile daha az insan gücü kullanımı sağlanabilir. Böylece insan vücudunun tahammül sınırları

dışında da etkin kullanımı gerçekleştirilebilir. Nano malzemelerden yapılmış bazı aygıtlar

daha hafif ve daha sağlam daha uzun ömürlü olabilir,nano algılayıcılar ile zararlı gazlar ve

radyoaktif serpintiler tespit edilebilir.nano ve mikro mekanik aygıtların birleştirilmesi ile

nükleer savunma sistemleri kontrol edilebilir. Nanoteknoloji ürünü tekstil malzemeleri ile

akıllı giyecekler yapılabilir.[5]

70

7.8 Bilim ve Eğitim

Nanobilim ve nanoteknoloji fizik kimya biyoloji gibi temel bilimler ile malzeme, elektronik,

kimya makine bilgisayar mühendisliği gibi uygulamalı bilimlerin ortak ilgi alanına

girdiğinden dolayı nanoteknoloji disiplinler arası işbirliği yapılarak sonuç alınabilinecek bir

sahadır. Eğitim programlarında da bu gelişmeye uygun olarak yeni düzenlemeler yapılması

gerekir. Birçok gelişmiş ülkede bu alandaki gelişmeler dikkate alınarak yeni programlar

açılmaktadır. Türkiye de bu yönde gelişmelerin başarmış olması sevindiricidir.[22]

7.9 Başka Muhtemel Uygulamalar

Nanobilim ve nanoteknoloji yukarıda belirtilen uygulama alanları ile sınırlı değildir. Bunların

yanında daha hafif ve daha emniyetli taşıma sistemleri geliştirilebilir, kirlilik ölçümleri,

kontrolü, azaltıcı yöntemleri geliştirilebilir. Güvenilir adli araştırmalar yapılabilir. Kaliteli

baskı işlemleri yapılabilir. Kuantum özellikleri çeşitli işlerde özellikle yeni ve devrimsel

bilgisayar uygulamalarında kullanılabilir. Örneğin elektronların spinleri bilgi iletimi için

kullanılabilir. ‘‘spintronik’’ çeşitli maksatlar için kullanılabilecek nanometre boyutlarında

mıknatıs yapılabilir.[5]

Nanoboyutta makine veya robot yapmak ileri için düşünülen en önemli ve heyecan verici

konulardan birisidir. Yapılabilecek nanomakinelerin elemanlarını birçok araştırmacı şimdiden

tasarlamaya başlamıştır. Böyle makine elemanlarına birçok örnek gösterilmiştir.

8 UYGULAMA HALİNDE OLAN NANOTEKNOLOJİK ÜRÜNLER

Sileceksiz Cam

Leonardo Fioravanti tarafından tasarlanan bu ürün dört katmandan oluşmakta. Birinci katman

(havayla temas halindeki), güneş ışınlarını filtreliyor ve suyu uzaklaştırıyor. İkinci katman,

cam üzerindeki tozların kenarlara doğru itilmesini sağlıyor. Üçüncü katman, cam üzerindeki

tozu algılayıp ikinci katmanın harekete geçmesini sağlıyor. Ve son olarak dördüncü katman

ise tüm bu mekanizmanın elektrik enerjisini sağlıyor. Nanoteknoloji ürünü olan bu yeni

tasarım seri üretimi 5 yıl içerisinde başlayacak gibi gözüküyor, ancak çalışan bir örneği Hidra

adlı bu prototip de kullanılmış.[24]

71

Şekil 8.1 sileceksiz cam[24]

Kendiliğinden Şarj Olan Nanoaletlere Doğru

Texas A&M Üniversitesi'nde yapılan nanoteknolojik araştırmada, ses dalgalarını %100

elektriğe çeviren piezoelektronik bir malzeme geliştirdi. Malzemedeki kristallerin boyutu 21

nm.

Buluşla ile ilgili makale Ekim ayında Physical Review B dergisinde yayınlandı.

Buluş küçük olsa da, etkisinin yüksek olması bekleniyor. Kullandığımız birçok elektronik

eşyaların, dizüstü, fotoğraf makinesi, cep telefonu, en büyük sorunlarından biri, şarj süresi,

eğer bu ürün hayatımıza girerse günlük kullanım cihazlarımızda büyük sorunları giderecek.

Kullanıcının hiçbir müdahalesi olmadan, kendiliğinden şarj olan aletler yeni bir nesli

başlatacak.[20]

Piezoelektrik yeni bir olgu değil, araçlardaki çakmaklarda da piezelektronik kristaller var. Bu

malzemeler mekanik bir kuvveti elektrik enerjisine çeviriyor."Ses dalgaları bile nano ve

mikro aletleri çalıştırmaya yetebilir, yeter ki bu malzemeler bu amaç için üretilsin ve işlensin.(

Tahir Çağın (1999 Feynman ödülü sahibi))[20]

72

Olimpiyat Logosunun Küçük Hali

Nortwestern Üniversitesi nanobilimcisi Chad A. Mirkin, 2008 Yaz Olimpiyatları logosunu

nanoboyutlarda tasarladı. "Beijing 2008,” ibaresi 90 nm çapa sahip 20.000 nokta ile

oluşturulmuş ve Mirkin'in oluşturduğu 15.000 logo sadece 1 cm2 yer kaplıyor. Logoda, insan

figürü ve Olimpiyat halkaları 600 nm çapa sahip 4.000 nokta ile oluşturulmuş.[24]

Şekil 8.2 Olimpiyatlar pekin logosu[24]

Hidrojen Yakıt Pili Kullanan İlk Uçak

Boeing şirketi hidrojen yakıt pilleri ile çalışan insanlı uçağın testlerini başarı ile bitirdiklerini

açıkladı. İki kişilik Dimona, 16.3 meterlik kanat genişliğine sahip pervaneli bir uçak.

Diamond Aircraft Industries of Austria tarafından üretildi, BR&TE tarafından yakıt pili ve

lityum pilinden oluşan hibrit sistemi yerleştirildi.[23]

Şubat ve Mart 2008'de Ocaña (İspanya) semalarında 3 tane test uçuşu yapıldı. Testler

sırasında uçak deniz seviyesinden 1000 metre yükseğe çıktı. Uçuş sırasında, pil gücü ve

hidrojen yakıt pilinden üretilen elektrik kullanıldı.[23]

73

Şekil 8.3 Hidrojen yakıt pili kullanan uçak[20]

Yeterli yüksekliğe ulaşılınca pillerle bağlantı kesildi, pilot saatte 100 km hızla 20 dakika

boyunca sırf yakıt pilinden gelen elektrikle çalıştı.

Intel'den Yeni İşlemci: Atom

Intel® Atom™ işlemcisi, yeni düşük enerjili ve mobil İnternet araçları için tasarlanmış çip

ailesinin ilk ferdi olacak. İşlemcinin yakın zamanda çıkacağı duyruldu. Şirket ayrıca, birden

fazla çip içeren ve taşınabilir aletler için en iyi İnternet keyfini yaşatan MID platformları için

de yeni bir işlemci teknolojisi olan Intel® Centrino® Atom™ 'u duyurdu.[24]

Şekil 8.4 işlemci (Kaynakta 11 tanesi 1 Amerikan Pennysine sığar diyor, 1 Amerikan

Pennysinin çapı 19 mm, 1 Yeni Kuruşun çapı 17 mm, hesap yapınca yaklaşık 10 çıkıyor)[22]

74

İşlemci (Atom), küçük ama güçlü aygıtlar için tasarlanmış yepyeni bir mikromimariye sahip.

Çipin boyutu 25 mm2, bu da Intel'in şu ana kadar yaptığı en küçük ve en güçlü işlemcisi

demek. 10 tane çip 1 yeni kuruşun üzerine sığabilir.

İstikbal'den Nanoteknolojik Kumaş

İstikbal, elektromanyetik dalgalarını %98.5 oranında engelleyen nanoteknolojik kumaş

geliştirdiğini duyurdu. Kumaşın hem ev ürünlerinde hem de endüstride kullanılması

düşünülüyor. Ürünün inşaatta, askeriyede de kullanılması düşünülüyor.

"Biocare" adlı verilen kumaş, cep telefonu, mikrodalga fırın, mikrofon, kablosuz iletişim

araçlarından gelen elektromanyetik dalgaları engelliyor. TÜBİTAK kumaşın 500 kHz ile 6

gHz arası dalgalarını %98.5 oranında engellediğini tescilledi. Geliştirilen kumaşın, yakın

zamanda aktif olarak kullanılacağı bildirildi.[24]

En Hızlı Grafen Tranzistörü

IBM silikon en yüksek frekansta (26 GHz) çalışan grafen tranzistörünü yaptığını açıkladı.

Grafen üzerinde son yıllarda birçok araştırma yapılmakta. Malzeme, elektronik

uygulamalarda kullanacaklar.

Şekil 8.5 Grafen transistorü[24]

Şimdilik geçit uzunluğu 150 nm'lik tranzistör için bir sonraki hedef geçit uzunluğunu 50

nm'ye düşürmek.

75

Karbon Nanotüpler Bu Sefer Ayakkabı Altlığında

Adidas, Lone Star adını verdiği, dünyanın ilk karbon nanotüple kuvvetlendilmiş tabana sahip

ayakkabısını geliştirdiklerini duyurdu. Daha önce tenis raketi, beyzbol sopası gibi ürünlerde

kullanılan karbon nanotüpler, bu sefer ayakkabı altlığında kullanılmış oldu.

Şekil 8.6 Adidas Lone Star [24]

Karbon nanotüplerin mekanik ve kimyasal bağları altlığın ömrünü ve bütünlüğünü artırıyor.

Yeni altlık Adidas'ın daha önce tasarladığı 3 parçalık tasarımdan daha esnek. Eskisinin üçte

biri kalınlığa ve yarısı kadar ağırlığa sahip yeni altlık Adidas'ın ürettiği en hafif altlık.

Nano Teknoloji İle Kanser Tedavisi

Amerikalı bilimadamları, nanoteknolojiyle, kansere yol açan toksinleri tespit edebilen çok

küçük bir algılayıcı geliştirdi. Vücuttaki belirli kimyasal maddelerin izlenebilmesi imkânı

sağlayan algılayıcı, kanser ilaçlarının canlı hücreler üzerindeki etkisini de takip edebiliyor.

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden Michael Strano, "karbon nanotüpleri" olarak

adlandırılan karbon moleküllerinin ince iplikçiklerinden yapılan ve DNA ile kaplanan

algılayıcının insan vücudundaki canlı hücrelerden çok daha küçük olduğunu söyledi.

Algılayıcı, yakın-kızılötesi ışık tayfında saptanabilen floresan ışığı yayıyor. İnsan dokularının

aynı tayfta ışık yaymaması sayesinde algılayıcı göze çarpıyor. Işığın sinyali, algılayıcı hücre

içinde DNA ile etkileşime girdiğinde değişiyor. Bu değişimler, bilim adamlarının belirli

molekülleri tanımlamasına yardımcı oluyor. Algılayıcının DNA ile kaplanmış olması canlı

hücrelerin içine güvenle enjekte edilmesine imkan sağlıyor.[20]

76

Şekil 8.7 Algılayıcı protatipi[20]

Çok düşük miktardaki kimyasalların vücuda etkilerini saptamak için etkili bir araç olarak

hemen kullanılmaya başlanabileceği belirtilen algılayıcının zamanla, insan vücudunun

görüntülenmesinde alternatif bir yöntem olarak da kullanılabileceği kaydediliyor.

Hisseden Teknoloji

Hisseden teknoloji, Karbon nanotüp ağı üzerine kurulmuş bir nanoelektronik tespit

platformudur. Birbirinden ayrı bir veya iki tespit elemanına sahip ince bir tespit çipi içerir.

Tespit elemanlarının her biri, özel hedefi (analizi yapılacak madde) çözümlemek için

bağımsız olarak fonksiyonel haldedir. Karbon nanotüplerin kendine has özellikleri ve nano-

yapı tescilli üretim tekniklerinin geliştirdiği bu cihaz, az enerji tüketimine sahip, boyutu

küçük ve yüksek hassasiyete sahip bir cihazdır.

Şekil 8.8 Nanotüp ağlardan oluşmuş nanoelektronik tespit aleti[24]

77

Bu teknoloji, nano yapıların ayrı ayrı yönlendirilmesi yerine, Karbon nanotüplerin gelişi güzel

ağ kurmasından faydalanır. Aygıt, analizi yapılacak madde ile etkileşime girer ve gerçekleşen

değişimleri elektronik simgelerle izlenecek hale dönüştürür. Karbon nanotüpler, ' özgünlük,

hassasiyet, dinamikler ve sınıflandırma' gibi pek çok karakteristik özellikleri ortaya

çıkarabilmek için, çok değişik kimyasal tanıma yöntemleri kullanılarak fonksiyonel hale

getirilirler.[24

Nano Lehimleme

Gitgide daha küçük ölçekte elektronik devre üretimi, nanodevrelere olan ilgiyi artırdı. Japon

araştırmacılar nanoseviyede lehimleme olarak adlandırabilecek bir yöntem geliştirdiler.

Gümüş nanotelleri çapraz yerleştirmek, kararlı devre oluşturmaya yetmiyor. Nanotellerin

nanoseviyede birleştirme yöntemi, düzgün devre yapılması için çok önemli.

Şekil 8.9 Nanotellerin lehimlenmesi[20]

Gümüş nanotelleri birleştirmek için kullanılan yöntem şöyle işliyor: nanoteller kloroaurik asit

ile indirgenip, metalik altın nanotanecikler oluşturuluyor. Japon araştırmacılar, Toriyama ve

Ishiwatari bu yöntemi denedikleri zaman, tellerin aşındığını gözlemlemişler. Teller önce tiyol

tabakası ile kaplanıp, daha sonra kloroaurik aside maruz bırakılırsa, nanotellerde aşınma

olmuyor ve aralarında kalıcı bir bağ oluşuyor.

Yağ Lekeleri İçin Yeni Nanotel Kağıt

Nanotel kağıt, yağ ve diğer organik kirleri temizlemekte kullanılacak yeni bir malzeme

olabilir. Bilim adamlarının ürettiği bu kağıt, ağırlığının 20 katı kadar yağ emebiliyor ve tekrar

tekrar kullanılabiliyor.

78

Kağıt sıcaklığa dayanıklı olduğu için, emilen yağ tekrar kullanılabiliyor. Yağ emmiş kağıt

ısıtılıyor, yağ buharlaşıyor, buharlaşmış yağ başka bir kapta damıtılıyor Böylece yağ tekrar

kullanılabiliyor. Kağıt ayrıca suya da dayanıklı. Birkaç ay suda bekletilmiş kağıtlar

fonksiyonlarını kaybetmiyor.

“Bulduğumuz şey nanotellerden oluşmuş ve yağ gibi hidrofobik sıvıları sudan emebilen bir

kağıt." diyor Francesco Stellacci, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği doçenti, çalışmayı yürüten

bilim adamı. Yağı emebilen ilk malzeme bu değil ama bu kağıdın verimliliği diğerlerine göre

yüksek. Kullanılan nanoteller potasyum magnezyum oksitten yapılmış. Nanotel kağıtlar su

temizlenmesinde de kullanılabilir.[24]

Şekil 8.10 Kağıdın yağı nasıl emmesi[24

Fiberlerden Elektrik Üretimi

14 Şubat 2008 tarihli Nature dergisinde çıkan bir habere göre bilim adamları tekstil

fiberlerinden elektrik enerjisi üretmeyi başardılar.

Yöntem şöyle işliyor: yukarıda altınla kaplı ZnO nanoteller, altlarında bulunan normal ZnO

nanoteller var. Bu nanoteller fiber üzerine sarılmış durumda.

79

Şimdi altınla kaplı nanoteller çekilince bunlar altlarındaki normal nanotelleri eğiyorlar.

Nanotellerin piezoelektronik özelliğinden dolayı yamulan kısımlar, (yani normal nanotellerin

üstü) artı, diğer kısımlar (alt taraf) eksi özellikte oluyor ve böylece akım üretilmiş oluyor.[23

Şekil 8.11 Fiberler[23]

Yani üzerimizdeki giysilerin fiberleri biz hareket ederken birbirine sürtünecek ve elektrik

üretip elektrikli aletleri şarj edebilecek. Tabi ki bu yöntemle biraz zor, çünkü ZnO yıkanmaya

dayanıklı değil, böyle bir T-shirt'ün hiç yıkanmaması lazım!

Şekil 8.12 Pembe tellerden biri normal ZnO nanotel, diğeri ise altınla kaplı.[23]

Şekilde açık bir şekilde sistemi görebiliriz. Fırça şeklindeki çubuklar biribirine sürtüyor ve

elektrik üretiliyor. (yeşil altın kaplı, diğerini kaplanmamış farz edin)Grubun bir sonraki amacı

üretilen voltaj seviyesini (800 nanovolt - 20 milivolt) yükseltmek.[23]

80

Karbon Nanotüpleri Ayırma Yöntemi

Blogda 2 çeşit karbon nanotüpten bahsetmiştik zamanında: tek katmanlı ve çok katmanlı.

Güneş pillerinin önemli bir bileşeni olan saydam iletkenlerde kullanıldığı zaman avantaj

sağlayan çift katmanlı karbon nanotüplerin de önemi artıyor. Çift katmanlı nanotüpler,

adından da anlaşıldığı gibi, iki atom kalınlığındaki karbon nanotüpler.

Karbon nanotüp üretim yöntemlerindeki en önemli eksik, reaksiyon sonucu oluşan farklı tip

nanotüpleri birbirinden ayıracak bir sistemin olmaması. Nanotüp üretiliyor ama hepsi

istediğimiz tipten olmuyor.[23]

Northwestern Üniversitesi'nden iki araştırmacı, çift katmanlı karbon nanotüp üretimi için bir

çözüm bulmuşlar. Yöntemin ismi ise yoğunluk gradient ultrasantrifigasyonu! Yöntem tek

katmanlı ve çok katmanlı nanotüplerden, çift katmanlıları yoğunluk farkını kullanarak

ayırıyor.

Şekil 8.13 Çift katmanlı nanotülerin çeşitli mikroskoplarda görüntüleri[23]

Makale Nature Nanotechnology dergisinde yayınlandı. Nanomalzemelerin özellikleri

boyutlarına aşırı derecede bağlıdır. Bu malzemeleri bir uygulamada kullanıp, güzel

performans sağlayabilmek için; kullandığınız malzemelerin boyutları benzer olmalı. Bizim

buluşumuz da tam bu sorunu çözüyor.

81

DÜNYADA NANOTEKNOLOJİ Nanoteknoloji alanında filizlenen dünya çapındaki faaliyet sadece ‘‘aşağıdaki yer’’ den

faydalanmak için mantıksal bir girişim olarak açıklanamaz. Diğer iki önemli insan

motivasyonu ise şüphesiz ki bir rol edinmektir. Biri öncesinde hiç ayak basılmamış bir

zirveye çıkmak isteyen bir dağcınınki gibi sadece ‘‘bu daha önce yapılmamıştı’’ tarzı bir

motivasyondur. Diğeri ise ‘‘doğayı ele geçirmek’’ için olan sürekli arzudur. Bunu aşina

olunan makroskopik ölçekte bu şekilde yapmaya yönelik fırsatlar çok sınırlıdır, çünkü çok

fazlası zaten yapılmıştır. Diğer yandan, uzay endüstrisinin roketin taşıdığı yükleri

olabildiğince küçük boyutlarda ve hafif yapmak için sürekli bir talebi vardır. Nanoteknolojik

malzemeler, cihazlar ve sistemlerin yeterince eminyetli hale geldikten sonra uzay sanayine

oldukça uymaktadır.[15]

ABD’de mevcut teknolojiler doyum noktasına yaklaşırken ve uluslararası rekabet karşısında

kâr marjları düşerken, nanoteknolojide oluşabilecek pazar ve elde edilecek kârı çok iyi

değerlendirebilen ekonomistler, Başkan Clinton’a baskı yapıp nanoteknolojiyi öncelikli alan

olarak ilan ettirdiler. O günden bu günlere gelirken ABD’de kurumlar yeniden yapılanmaya

giderek yeni yatırımlar yapıldı, çok sayıda laboratuvar kuruldu. 2015 yılında ABD’de

nanoteknoloji ürünlerinin satışlarının 1-3 trilyon dolar dolaylarında gerçekleşeceği tahmin

edilmekte. ABD’de üniversite ve araştırma merkezleri kendi aralarında örgütlenerek

kaynakları daha etkin kullanmak üzere “araştırma üçgenleri” oluşturmuş bulunuyorlar. [16]

Günümüzde ABD dışında Japonya, Avrupa Birliği ülkeleri, israil, Çin ve Kore’de de

nanoteknolojiye önem verilmekte. Çin’de nanoteknoloji konusunda bir milyon uzman ve

araştırmacı yetiştirmek üzere yeni bir program başlatılmış durumda. Avrupa Birliği 2010

yılında ABD ve Japonya’yı yakalamak için 6. Çerçeve Programında nanoteknolojiyi öncelikli

alan ilan etti. Son zamanlarda ABD ve Avrupa’da çok sayıda nanoteknoloji araştırma

merkezi, ayrıca üniversitelerde bu alanda yüksek lisans programları açıldı. Nanoteknolojide

Son Gelişmeler Nanoteknolojinin önümüzdeki 10- 15 yıl içinde yeni bir teknoloji devrimi

olarak ortaya çıkacağına inanılıyor. [4]

Teknolojide ilerlemiş ülkeler nanoteknolojiye odaklanarak, bu devrimin içinde yer almalarını

sağlayacak programlar üzerinde ciddi çalışmalar yapmaktalar. Bütün bu çabaların altında

teknoloji yarışında geri kalma endişesi yatıyor.

82

20. yüzyılın başından beri gelişmekte olan ve her alanda, bilgi işllemden işlemden akıllı

malzemelere ve mikroelektroniğe kadar çok gelişmiş teknolojileri kullanan otomotiv

endüstrisinde rekabet nedeniyle son yıllarda kâr marjları çok düşmüş durumda. Gelişmiş

ülkeler otomotiv sanayi ve benzer sanayileri daha az gelişmiş ülkelere bırakıp rekabetsiz bir

ortamda yüksek kârlı teknolojilere yönelmekteler. Nanoteknoloji bu bağlamda (kozmetikte

reflektan boyalardan tıp dalında kanser tedavisine kadar) geniş bir alanı kapsayan uygun bir

konu olarak ortaya çıktı ve bu nedenle de bütün önceliklere sahip oluverdi. [4]

Günümüzde tekstil sanayi de benzer sıkıntıları yaşamakta. işçiliklerin çok yüksek olduğu

gelişmiş ülkelerin tekstil sanayi, gelişmekte olan ülkelerin, özellikle Çin’in ucuz iş gücüne

dayalı rekabeti karşısında yok olmaya yüz tutmakta. şimdi ingiltere ve ABD’de yüksek

teknoloji kullanılarak tekstil sanayilerinin yeniden canlandırılması için ciddi adımlar atılıyor.

Ancak, Çin’de de tekstil sanayinde uygulanacak nanoteknoloji ürünleri hızla geliştiriliyor.

Çin’de geliştirilen kirlenmeyen kumaşlar ve dokuma ürünleri nedeniyle, çamaşır makinesi

üreten kuruluşların stoklarını eritip kapasite indirimine gideceklerinden bahsediliyor. Aslında

nanoteknolojinin tekstil sanayinde çok önemli işlevinin olacağı biliniyor.[4]

Dokumada kullanılacak elektronik fiberler sayesinde, istenildi¤inde renk değiştirebilen,

vücudumuzu zararlı ışınlardan koruyan, güneş enerjisinden elektrik üreterek yazın soğutan,

kışın ısıtabilen giysilerin yakın bir zamanda vitrinlere çıkması beklenmekte. Özel polimerler

sayesinde terin emilip vücudumuzun kuru kalmasını sağlayan, su tutmayan giysiler şimdiden

geliştirildi. Nanobilim ve nanoteknolojide araştırma çalışmaları çok çeşitli alanlarda

sürdürülüyor. Son zamanlarda nanometre boyutlarında ortaya çıkan çeşitli kuantum olaylar,

ısı ve elektrik iletkenliğinin kuantumlaşması, spine bağlı elektron taşınması, faz tutarlılığı,

kararlılık ve denge dışı fiziksel olaylar çok sayıda kuramsal ve deneysel çalışmalara konu

oldu. Nanotellerde kuantum iletkenlikle tel kesiti arasında gözlemlenen ilginç ilişkiler,

nanoölçeklerde tel çapının ve bir bakıma kesitte bulunan atom sayısının bile kesikli olarak

değişeceğini gösteriyor. Böylece nesne büyüklüklerinin de kuantumlaşabileceği sorusu

gündeme geliyor.[15]

83

SONUÇLAR Geçmişten günümüze insanlık, ihtiyaçları doğrultusunda yenilikler yapmış, araç gereçler

tasarlamış, çeşitli yöntemler geliştirmiştir. Ancak ilerleyen zamanla beraber, yaşanan

teknolojik ilerlemeler; gelişme ve yenilikleri ihtiyaçların önüne geçirmiştir. Yani günlük

hayatı kolaylaştırıcı dizaynların sayısı hayatımızı apayrı bir yere taşımış, yeni nesillere kısa

sürede çok daha farklı bir dünya sunmuştur. Özellikle bilgi paylaşımının bilgisayar ve bilişim

teknolojileri sayesinde inanılmaz bir hıza ulaşılması buna büyük katkı sağlamıştır.

Son dönemde kuantum teorilerinin gerçekçiliği ve daha aşağılarda apayrı bir dünyanın bizi

bekliyor olduğu söylenmekteyken, günümüzde canlı örnekleriyle hayatımızdaki yerini almaya

başlamış durumdadır. Nanobilim ve nanoteknoloji devrimi denilen devrim niteliğindeki bu

gelişmeler, bütün hızıyla birincil oyuncu olmaya başladı. Nanoteknolojinin henüz başlarında

olsak ta birçok yenilik ve gelişme yaşanmış durumda ve eskiye nazaran gelişme hızları

inanılmaz seviyelere ulaştı. Yani başındayken bir anda sonunu görebileceğimiz bir teknolojik

serüvenin içerisindeyiz.

Bu gelişmeler doğrultusunda, dünyanın birçok yerinde nanobilim ve nanoteknolojiye büyük

yatırımlar yapılmakta, enstitüler açılmakta ve araştırma merkezleri kurulmaktadır. Bilginin

hızlı paylaşımı ülkemizi de çok ileride olmasa bile bu yarışın içerisinde tutmaktadır. Yapılan

yatırımlar, araştırmalar göz ardı edilemeyecek seviyelerde iyidir. Birçok lisans, yüksek lisans

ve doktora seviyelerinde araştırma, hız kesmeden yapılmakta olup kurumsal ve bireysel

çabalar ileri seviyelerdedir.

Temennim, ülke olarak bu büyük yarışta en ileri seviyelerde olarak, dünya teknoloji

gelişimine katkı sağlamak, en başta insana; sağlık konusunda, günlük ihtiyaçlar tasarlamakta,

rahat ve ferah bir yaşam geçirmekte yardımcı olacak olan bu teknoloji ile sonuna kadar içli

dışlı olmaktır.