Katalog

FİZİK Taramalı tünelleme mikroskobu Bilkent'te yüzey atomları inceleniyor Buluşçularına Nobel Ödülü kazandıran STM mikroskobu üzerinde Bilkent Fizik Bölümü çalışmalarını sürdürüyor. Röportaj: Hülya Peker I lk defa IBMZürih Araştırma Laboratuvarı'nda Gerd Binnlg ve Helnrich Rohrer'in 1982'de gerçekleştirdikleri ve 1986 yılı Nobel Fizik Odülü'ne layık görülen Taramalı Tünelleme MikroskobuSTM, geçen günlerde Bilkent Üniversitesi Fizik Bölümü öğretim üyelerinden Doç. Dr. Recal Ellialtıoğlu yönetiminde, lisansüstü öğrencılerı Ahmet Oral ve ismet Kaya tarafından da yapıldı. STM nedlr? R. Ellialtıoğlu: STM, atomik ayrıntıları verebilen, yüzeydeki atomların dizilişlerıni gösterebilen ve atomların yüzeye olan bağlantılarını görüntüleyebilen bir mikroskoptur. Bu mikroskop, çok küçük bir sivriltilmiş ucu, incelenmek istenen yüzey üzerinde yüzeye paralel olarak çok yakın bir uzaklıkta gezdirmek ve tünel olayından yararlanmak suretiyle görüntü elde edebilen bir cihazdır. Tünel olayı nedir? R. Ellialtıoğlu: Tünel olayı, birbirine çok yakın ıkı elektrot arasına küçük bir potansiyel uygulandığında, birbirine değmedikleri halde kuvantum mekaniksel olarak bir akımın geçmesi olayıdır. Bu akım elektrotlar arası uzakhğın ve uygulanan potansiyelın kuvvetli bir fonksiyonudur. Dolayısıyla elektrotları birbirinden uzaklaştırdığımız zaman tünel akımı çok azalacak, yaklaştırdığımız zaman artacaktır. Eğer tarama sırasında uzaklığı sabit tutarsak akım da sabit kalacaktır. Ancak atomlar tanecik yapılara sahip olduklarından, yüzeydeki atomların dizilişine göre, mikroskobik düzeyde engebelerin olması beklenir. Bu engebelerden doğan uzaklık farklarını, tarama sırasında sivri uçlu elektrota bağlı bir devre yardımıyla, akım farklılıkları olarak algılayabiliyor ve bilgisayar yardımıyla alı nan bu verileri tarama görüntüsü, üst görünüş ve üç boyutlu görüntüler haline getiriyoruz. Görüntü elde etmek için neler yapıyorsunuz? A. Oral: Görüntü toplamak için tarama yapmamız gerekiyor. Tarama yaparken tünelleme yapan ucu yüzey üzerinde gezdiriyoruz. 128 x 128 matrislik alanın belirlediğimiz yerlerinde sivri ucu gezdirerek veri topluyoruz. Çeşitli işlemlerden sonra bu verileri görüntü olarak elde ediyoruz. STM hangi konumda çalışıyor? A. Oral: Sabit uzaklık modunda, sivri uç ile yüzey arasındaki uzaklığı sabit tutuyoruz. Yüzeydeki atomların yüzey pürüzünden dolayı sivri uç ile yüzey arasındaki uzaklık değişeceği için, tünelleme anında ona karşılık gelen akım değişiklikleri olacaktır. Sabit akım modunda ıse kontrol devremiz tarama yaparken akımı sabit tutmaya çalışıyor. Bunun için sivri uç ileri geri hareket ediyor, biz de bunu kaydediyoruz. Bizim mikroskobumuz şu anda sadece sabit uzaklık modunda çalışıyor. Bu mod da çok hızlı tarama yapılabiliyor. Böylece çevreden gelen gürültülerden çok az etkilenerek kurtuluyoruz. İleride, her şey yolunda gider de, mikroskobu daha hızlandırabilirsek yüzeyde meydana gelen olayları anında (şimdilik 0.4 saniyede) görüntüleyebiliriz. STM'nin en önemli özelliği nedir? A. Oral: STM, yüzey incelemek için şu anda en kuvvetli araç. Çünkü yüzeydeki atomları tek tek ayrıştırma gücüne sahip. Kullandığımız malzeme metal ve yarı iletken malzemeler, bir de periyodik yapı gerektirmiyor. Elektron mikroskoplarında çoğunlukla periyodik yapı gösteren malzemeler incelenebiliyor. Burada derinlik el Grafit yüzeyi: Kenardaki renk kodu aşağıdan yukanya doğru yükseklik farkını gösteriyor. Yanl sarı en yüksek yerter, mavı ve siyaha doğru en çukur yerler Grafit atomları, tepeler, 25A" (1A°=1Cr">cm) ara ile dızilmiştir. Bu görüntü 68X8 A"'lık bir bölgenin görüntüsüdür. Grafit yüzeyi daha geniş bir alanın görüntüsü. Bunda grafit yüzeyinin altıgan örgüsü daha güzel görülmektedir. Görüntü boyutları 18x18A°'dur. Fotoğraj üstten görünüşu gösteriyor. de etmemiz mümkün değil. Oysa STM'de yüzeyin topoğrafyasını çıkarabilıyoruz. R. Ellialtıoğlu: Örneğin pirolitik grafitin yüzeyi petek gibi altıgenlerden oluşuyor ve atomlar bu altıgenlerin köşelerinde yer alıyorlar. Ardışık iki atomik tabakadaki altıgenler birinin bir köşe atomu dığerinin ortasına gelecek şekilde birbirine göre kayıktır. Dolayısıyla, yüzeydeki her ardışık atoma karşılık bir sonraki tabakada aynı pozisyonda bir atom yer almakta veya almamaktadır. Bu yüzden, yüzeydeki her altıgende yer alan üç ardışık atom diğer üç atoma karşılık biraz daha yüksektedir. A. Oral: STM'nin diğer bir çarpıcı sonucu da, silisyum yüzeyinin yeniden yapılaşma olayı idi. Kristalleri kesince, yüzeyler minimum enerji düzeyine geçmek için yeniden yapılanmaya gidiyor. STM'nin en büyük başarısı, bu olayı gerçek uzayda gösterebilmesiydi. STM bundan sonra oldukça büyük bir önem kazandı. Atomsal Kuvvet MikroskobuAFM İle Taramalı Tünelleme MikroskobuSTM arasındakl fark nedir? R. Ellialtıoğlu: STM'yle sadece iletken ve yarıiletken yüzeyleri inceleyebiliyoruz. AFM ile bunlara ek olarak yalıtkan malzemeleri de gözleyebiliyoruz. AFM'de tünelleme olayı yerine atomlar arası çekim kuvvetini kullanıyorlar. Kısaca prensipte STM ile aynı, yalnız burada dolaylı yoldan da olsa ölçülen kuvvettir. Bilkent Üniversltesi'nde STM yapılmaya nasıl başlandı? R. Ellialtıoğlu: Tünel olayının çeşitli uygulamaları arasında STM'ye en yakın olanı elastik olmayan elektron tünelleme spektroskopisiydi. Malzeme yüzeyindeki veya ara yüzeydeki yabancı moleküllerin yapısını incelemek, kızılötesı veya Raman spektroskopisine benzer şekilde, onların titreşim modlarını ve enerjilerini elde etmek için kullanılıyordu. STM ilk defa böl gesel spektroskopi yapmak amacıyla düşünüldü. Daha sonra doğrudan mikroskop olarak kullanılması fikri doğdu ve yapımı gerçekleştirildi. Doktora konumun 'elastik olmayan tünelleme spektroskopisi' olması nedeniyle STM'nin bulunmasının ardından doğal olarak konuya ilgim doğdu. Daha sonra NATO bursuyla kısa süreli ziyaretçiaraştırıcı olarak IBM Zürih Laboratuvacı'nda bu konuda deneysel bir çalışma yaptım. Bilkent Üniversitesi Fizik Bolümü'nde de STM konusunda deneysel çalışmaları yüksek lisans programı çerçevesinde başlatmayı uygun gördük. Ülkemizde bu konuda kuramsal çalışmalar halen yapılmakta olup, bölümümüz öğretim üyelerinden Prof. Salim Çıracı tarafından yürütülen, STM ve AFM ile ilgili kuramsal çalışmaları kapsayan bir projeye IBM tarafından yaklaşık 250.000 dolarlık parasal destek sağlanmıştır. STM'nin mallyeti nedlr? A. Oral: Güç kaynağı, osiloskop ve bilgisayar gibi cihazları ayrı tutarsak, bir milyon TL'den az diyebilirim. STM'nin günlük yaşantımıza bir etkisi olacak mı? i. Kaya: Hemen kısa süre içinde faydalı olacağını sanmıyorum. Fakat ileride bilgi depolamak için kullanılabilir. Bugün 1 bit depolamak için 1 milyar atom kullanmak gerekiyor, ama STM'yle bunu 100 atoma kadar indirmeyi düşünüyorlar. O zaman kapasite 10 milyon katına çıkacağından etklleri müthiş olabılır. A. Oral: Bunu, transistorun ilk günlerden bu yana olan gelişmesine benzetebiliriz. Tabii sonuç olumsuz da olabilir. R. Ellialtıoğlu: Genelde her olumlu sonucun üç önkoşulu vardır. Bunlar parasal kaynak, belirli sayıda yetenekli eleman ve iyi birçalışmaortamıdır. Bilkent'in olanakları, bu büyüklükteki bir proje için her üç koşulu da sağlamaya yeterlidir. L