Katalog

FİZİK Yalıtkan yüzeylerde de elektron yoğunluğunu ölçen, maddelerin atomik yapılarını incelemegözlemleme olanağı veren AFM nasıl geliştirildi? AFM kuramı üzerinde ciddi çalışmalar yapan gruplar arasında Bilkent Üniversitesi de var. Erkan Tekman Bilkent Üniversitesi Fl;ik Bölümu Kuvvet ölçümünün sınırı • SCM: Ikı metal yuzey bır sığa (Capacıtance) tanımlarlar Bu sığanın buyukluğu yuzeylerın geometrısıne ve aralarındakı uzaklığa bağlı olarak değışır STM'ye benzer bır duzenekte sığa ölçulduğunde hem yuzey topoğrafyası, hem de yuzeyın ıletkenlık özellıklerı ıncelenebılır Ayrıştırma sınırı 100 nm ve yalnızca ıletken yüzeylerde kullanılabılıyor • SHFM: Farklı sıcaklıklardakı ıkı bölge arasında bır ısı akışı (Meat Flow) oluşur Son derece mukemmel bır muhendıslık kullanılarak gelıştırılen mıkro ısılçıft ıle yuzeyın sıcakhk profılı gözlenebılır Ayrıştırma sınırı 100 nm • SIFM Farklı basınçlardakı bölgeler arasında da bır molekul ya da lyon akışı (lon Flow) vardır Bu kez bır mıkro "koklayıcı" gelıştırerek yuzey uzerınde lyonların dağılımı elde edılebılır Ayrıştırma sınırı 1000 nm • SMFM: Manyetık kuvvetler (Magnetıc Force) de mıkro bır mıknatıs aracılığıyla goz lenebılır Bu araçla manyetık verı depolama ortamlarının kontrol edılmesı ve gelıştırılmesı mumkun olacağı gıbı, manyetık malzemelerın özellıklerı de ıncelenebılır Ayrıştırma sınırı 100 nm Atomsal kuvvet mîkroskobu: AFM G eçen haftalarda Tarama Tunelleme Mîkroskobu nun (STM) geliştirilmesı ve gunumuzdeki uygulamalara değınmiştik (Bllim Teknik, Sayı: 118) Bu yazımızda da STM'nin genelde turevlerı ve ozelde bunlann en onemlisl olan Atomsal Kuvvet Mlkroskobu'ndan (Atomic Force Microscope AFM) soz edeceğız. STM'nin ıcadından sonra Gerd Binnlg (Heinrlch Rohrer ıle bırlıkte 1986 Nobel Fı zık Odulu'nu aldı) benzer fızıksel ılkelere dayanan yenı bır mıkroskop tasarlamaya başladı Bılındığı gıbı STM'nin en onemlı dezavantajı, bır elektrık akımı ıçermesı ve bu nedenle yalıtkan yüzeylerde Kullanılamaması ıdı Oysa tunelleme yerıne başka etkıleşım lerın gozlenmesı yoluna gıdıldığınde, yalıtkan yuzeyler de goruntulenebılecektı Bu şekılde STM'ye benzer şekılde çalışan fakat tunelleme olayı ıçermeyen yenı mıkroskoplar geliştirildi Yenı mıkroskoplar STM'dekı "T"nın yerıne ılgılı etkıleşımın ılk harfı konularak anılıyordu Bu etkıleşımlerın çeşıtlılığınden hareketle, ortadakı harfın hemen her şey olabıleceğı duşunuluyor ve bu araçlar genel olarak SXM dıye adlandırılıyor Bunların bazılarını şoyle sıralayabılırız • SNFOM: Optık yakın alan (Near Fıeld Optıcal) mıkroskobunda yuzeye elektronlar yerıne bır ışık demetı gonderılıyor Demetın uygun bır şekılde hazırlanması sonucu ışığın dalga boyundan çok daha ufak ayrıntılar gozlenebılıyor Şu andakı ayrıştırma sınırı 10 nm (1 nm = 1/1 000 000 mm) Yalnızca ışığı geçıren (şeffaf) ınce fılmlerde kullanabılıvor Atomustu boyutta ayrıştırma ıle elde edllmış tek krıstal amınoasitlösin yuzeyının görüntüsü. Beyaz noktalar, her amınoaslt molekülunun sonundakı metıl gruplarına karşılık gelmektedlr rekıyordu Yukarıda saydığımız etkıleşımlerın dışında yuzey fızığı açısından çok daha önemlı olan yuzey kuvvetlerı bu amaçla kullanılabılır Çunku, yuzeye yaklaştırılan bır atoma yuzeyın uyguladığı kuvvet elektron yoğunluğu ıle bağıntılıdır ve yuzeyın topoğrafyası bu kuvvetın gozlenmesı ıle elde edılebılır Blnnig 1985 yılında Stanford Unıversıtesı'nde konuk araştırmacı olarak bulunurken, Calvin uuante ve Chris Gerber ıle bırlıkte AFM uzerınde calışmaya başladı Mıkroskop bır yalıtkan yuzeyı uzerınde STM'dekı pıezoelektrık donanımla tarama yapan ve elastık bır kola tutturulmuş sıvrı bır uç ıle yuzey kuvvetının etkısı ıle elastık kolun bukulme mıktarını belırleyecek bır duzenekten oluşacaktı Bır benzetme ıle AFM bır pıkaba benzeyecektı Pıkaptakı ığnenın yerını uç, plak uzerındekı şekıllerı muzığe çevıren elektronık kısmın yerını de elastık kolun bukulmesını algılayan sıstem alıyordu Fakat burada olçulen kuvvetler, ığneplak arasındakı kuvvetın mılyonda bırınden daha kuçuk olacaktı STM uzerındekı deneyımlerı sayesınde tasarım ve yapım çok fazla zamana mal olmadı 1985 yılı sonunda ılk sonuçları aldılar Kullandıkları AFM mılımetrık boyutlarda bır altın levhanın ucuna yapıştınlmış elmas bır uç ıle bu levhanın bukulme mıktarını belırleyen bır STM'den oluşuyordu Bu ılk AFM ıle alumına yuzeyınde elde ettıklerı goruntuler 5 nm cıvarında bır ayrıştırmaya sahıptı AFM'in STM'ye en önemlı ustunluğu, elektronık durum yoğunluğunu değıl de tum yuk yoğunluğunu olçuyor olması ıdı Bu, özellıkle denek yuzeyınde yabancı atomlar olduğunda önem kazanıyordu Değışık bır atomun yuzeye yapışması durum yoğunluğunu karmaşık bır şekılde etkıleyeceğınden bu atom STM ıle bır çıkıntı ya da bır glrıntı olarak algılanabılıyor veya hıç algılanmıyordu Oysa bu atom yuk yoğunluğunu arttıracağından AFM tarafından her zaman bır çıkıntı olarak gozlenecektı Karmaşık elektronık yapı hesapları yapmak gerekmedığınden, göruntulerın analızı çok daha kolay olacaktı Bu özellıkle teknolojık uygulamalarda ve bıyolojık molekullerın ıncelenmesınde son derece önemlı bır etken olarak ortaya çıkıyor AFM'nın bulunmasından sonra STM çalışmaları yapan hemen hemen tum gruplar AFM uzerınde de calışmaya başladılar Başta Binnig'ın grubu olmak uzere bazı gruplar altın ya da alumınyum levha yerıne sılısyum dıoksıt kol kullanmaya başladılar Sılısyum dıoksıt de bır yalıtkan olduğundan kolun arka yuzunu bır metalle kaplayarak tunelleme akımı elde edebılıyorlardı Bu kol son derece karmaşık ve zor ışlemlerle elde edılıyordu, fakat alumınyum levhaya gore dış tıtreşımlerden daha az etkılenıyordu Bu nedenle bu tıp AFM'lerın çevreden yalıtılması daha kolaydı Bır başka teknik değışıklık de bukulme algılama bırımı ıçın yenı yontemlerın kullanılması o'du Çeşıtlı gruplar STM yerıne lazer ışınlarının yansıması ıle çalışan ınterferometre ya da ışın saptırma duzeneklerı ya da sığa olçumu yolunu denedıler Gu AFM'in yapısı: SXM genel başlığı altında toplanan araçların en onemlısı AFM'dır STM metal yuzeylerındekı yapıları son derece yuksek ayrıştırma gucu ıle göruntuleyebılıyordu Fakat tunelleme akımının mumkun olmadığı yalıtkan yuzeylerınde STM'nin çalışması olası değıldı Bu durumda, yuzeyın elektron yoğunluğunu başka bır yöntemle ölçmek ge Bır yalıtkan yuzeyınde AFM ıle elde edılen ılk atomsal ayrıştırmalı göruntu Tabakalı bir yapıya sahıp olan bor nltrlt yuzeyı.