Katalog

FİZİK Yüzey atomları gözlenebiliyor Birbirine yaklaştırılan iki metal yüzey arasındaki elektron geçişi (tünelleme) görüntüleyen mikroskop, metal yüzeylerindeki atomsal hareketleri gözlemlediği gibi yeni teknolojik uygulamalara da olanak sağlıyor. Erkan Tekman, Bllkent Üniversitesl, Flzik Öölümü Zürıh Araştırma Laboratuvan'nda çalışan Gerd Blnnlg, 1978 yılında katıların yuzeyınl atomsal sevıyede göruntuleyebılecek bır araç gelıştırmek ıçın bazı tasarımlar yapmaya başladı Aynı laboratuvardan Helnrlch Rohrer ve teknısyenlerı Chris Gerber ıle başladıkları çalışmalar ılk zamanlarda hemen hemen hıç kımse tarafından gerçekleşebılır bır proje olarak görulmuyordu Binnlg ve Rohre r 'ın duşunduklen yenı "mikroskop" oldukça basıt bır kuvantum olayını temel alıyordu Kuvantum mekaniğıne gore parçacıklar atomsal boyutlarda dalga gıbı davrantrlar ve klasık olarak yasaklanmış bölgelerde bulunma olasılıkları sıfırdan farklı olur örneğın, İki metal yuzey birbirine çok yaklaştırıldığında klasık olarak elektronlar aradakı vakum bolgesınde bulunamayacağı halde, metaller arasında bır elektron geçışı, yaril elektrlk akımı gözlemek mumkundur Elektronların vakum aralığı tarafından yaratılan enerjı eşığını aşmaları mumkun olmadığından bu olaya, bır benzetme ıle tünelleme denılır Tünelleme olayının varlığı yuzyılımızın başından berı bılınıyor ve bazı uygulamaları fızık ve teknolojıde kullanılıyordu Yuksek elektrık alanlarında hıdrojen atomlarının ıvonlaşması (Oppenhelmer1922), metallerden elektron salınması (Fovvler, Nordhelm1928) ve metal bağlantılarının bır dırence sahıp olması (Frenkel1930) tünelleme kuramı kullanılarak açıklanabılmıştır Leo Esaki'nın 1958 yılında gelıştırdığı pn eklem tunel dıyotu, yarı ıletkenlerde tünelleme prensıbıne dayanıyordu ve Esaki bu buluşundan dolayı 1973 yılında Nobel Flzik ödülü'ne layık görulmuştu Blnnlg ve Rohrer'ın tünelleme mıkroskobu, ıncelenecek olan yuzey uzerıne bır metal uç yaklaştırarak tünelleme akımının değışımını gözleyecektı Tünelleme olayı bır kuvantum etkısı olduğundan, geometnnın atomsal boyutlardakı değışımı, akımı önemlı şekılde etkıleyecektı örneğın tıpık bır deneyde uç ıle denek yuzey arasındaki uzaklık 1 Angström (1 Angström (°A) = 1 /10 000 000 mm) arttırıldığında vakum aralığından geçen akım onda bırıne düşecektı Bu şekılde hassas bır akım ölçumu ıle uçyuzey uzaklığı 0 01 °A kesınlıkle ölçulebılecektı Eğer ucu da atomsal boyutlarda sıvrı yapmak mumkun olursa mikroskop, yuzeydekı atomları tek tek gözleyecek, atomsal bır harıta çıkaracaktı Henuz yapımı gerçekleşmemıs aracın adı bellı olmuştu Tarama Tünellem* Mlkroskobu (Scannıng MıcroscopeSTM). Tunnelıng • Sı (111) yuzeyının STM ıle elde edılmış go runtusu Şekılde tepecıkler tek atomlara kar şılık gelmektedır Paralel dörtyuzlu şeklmdekı bırım hucre 7x7 kristal hucresı buyukluğundedır Taramatünelleme mikroskobuSTM STM'nın yapımı, tasarımından çok tazla zaman aldı Mıkroskobun dış sarsıntılardan yalıtılması, sıvrı ucun yapımı ve ucun yuzeye kontrollu bır şekılde yaklaştırılması oldukça zor teknıkler gerektırıyordu Kontrollu bır vakum aralığı oluşturup buradakı tünelleme akımını ölçmelerı ancak 1982 yılında gerçekleşebıldı Bu ılk STM'nın sarsıntı yalıtımı, karmaşık yay sıstemlerı ve "ustunıletken yastıklama" yöntemı ıle sağlanıyordu, ucun konumu pıezoelektnk (gerılım uygulayarak şeklı değıştırılebılen malzemelerın genel adı) çubuklarla 1 °A'den daha ufak hassaslıkla kontrol edılıyordu ilk nesıl STM bıraz kabaca bır alettı ve mekanık kısmı ırıce bır elektrık supurgesı kadardı Görüntüleme gücü yüksek Bu başarılı denemeden sonra IBM Zürih Laboratuvan'ndan dığer araştırmacılarla bırlıkte hem STM'yı pratlk blr boyuta ve mekanlk yapıya getirmek hem de tünelleme Ile blrllkte "tarama"yı da (ucun yuzey uzerınde yuzeye paralel olarak gezdırılmesı) gerçekleştırmek ıçın çalışmalarını yoğunlaştırdılar 1982 yılında ılk mıkroskobık göruntuler yayımlandı Au (110) (altının bellı blr krıstal doğrultusundakı yuzeyi) yuzünde birkaç atom buyukluğunde testere dışı şeklınde bır ' yenıyapılaşma" (yuzey atomlarının krıstaldekınden farklı konumlara yerleşmesı) STM ıle gözlenmıştı Bu ılk sonuçlar aydınlatıcı olmaktan uzak olsa da STM'nın önemlı bır göruntüleme gucune sahıp olacağını vurgulu yordu Nıhayet 1984 yılında Au (100) yuzeyınde bırbırıne tek atom yukseklıkte basamaklarla bağlanmış duz bölgeler göruntulenebıldı Tek atomlar hâlâ belırgın değıldı, fakat STM'nın bır atom boyutunda aynştırma gucü olduğu kanıtlanmıştı Aynı yıl SI (111) (sı lısyum yuzeyi) göruntulendığınde, eksık kalan tek nokta da tamamlanıyordu Tek atomların gözlenmesil Yıllardır kuramsal ve deneysel yoğun madde fızığınde çözulmemış blr problem olarak kalan SI (111) yuzunun 7 x 7 yemyapılaşması bu şekılde tartışmaya yer vermeyecek şekılde çözumlenıyordu Ikı yıl ıçerısınde STM de şekıl değıştırmış, çeşıtlı denemelerden sonra tüm mekanlk aksam bir slgara paketl buyukluğüne ındırılmıştı Blnnlg ve Rohrer'ln çalışmaları sonucunu vermış ve STM, başta yoğun madde fizlğl olmak uzere çeşıtlı bılırn dallarında bır mıkroskobı aracı olarak kullanılmaya başlanmıştı Isveç Bılımler Akademısı Nobel Komıtesı de 1986 yılında Nobel Fizlk Ödülü'nu "STM'yı gelıştırmelerınden dolayı" bu ıkı araştırmacıya vermeyı kararlaştırdı Gerçekten atomları mı görüyoruz? STM ıle ılgılı yayınlar billmsel dergilerde görunmeye başladıktan kısa bır süre sonra başta yuzey fızığı ıle uğraşan gruplar olmak üzere pek çok laboratuvarda bu yenı mikroskop kullanılmaya başlandı öyle kı 1987 yılında dunyada 200 kadar grup STM'yı çalış 2 • Oraflt yüzeyl üzerinde blr DNA molekulünün görüntüsü Atomsal aynştırma sağlanamamakla bırllkte blyoloılk moleküllerin STM Ile incelenmesi oldukça hızlı gellşen blr araştırma konusu. (IBM malarında kullanıyor ya da STM uzerıne deneyler yapıyordu Pek çok metal, yarımetal ve yarı ıletken yuzeyi goruntulenmıştı STM'nın en önemlı dezavantajı, elektrık akımı ıçerdığınden yalıtkan yuzeylerde kullanılamamasıydı Yıne de olası denekler oldukça genış bır lıste *>luşturuyordu ve sureklı yenı sonuçlar yayımlanıyordu Bu arada STM kuramı uzerıne de çeşıtlı çalışmalar yapılıyor, bu yenı aracın bır "mikroskop" olarak adlandırılmasının geçerlılığı araştırılıyordu Bılındığı gıbı olağan bir mikroskop cısmın buyutulmuş bır göruntusunu verlr Oysa atomsal boyutlarda bır göruntuden söz etmek olası değıldır Yanı atomların ya da elektronların "fotoğraflarını çekmek" ya da "göruntulerını buyutmek" fızıksel olarak anlam ıçermeyen kavramlardır Bu durumda elde edılen tarama çızgılerı neye karşılık gelır? Elde edilen göruntü nedir? STM kuramı uzerınde çalışmaya başlayan fizıkçıler önce son derece önemlı bır fızıksel olay olmasına karşın tunellemenın tam geçerlı bır kuramı olmadığını görduler Pek çok hesap 1961 yılında Bardeen (transıstörun bulunuşu ve ustun ıletkenlık kuramları ıle ıkı kez Nobel ödulu almış tek fızıkçı) tarafından kurulan yaklaşık modele göre yapılıyordu ABD'de Bell Araştırma Laboratuvan'ndan (New Jersey) Tersoff ve Hamann 1983 yılında bu yaklaşık yöntemı uygulayarak STM'de elde edılen göruntulerın, yuzeyın yerel durum yoğunluğuna (YDY) karşılık geldığını buldular Durum yoğunluğu bellı enerjıdekı elektronların oluşturduğu konurna bağlı bır yoğunluktur Eğer bu durum bır elektron tarafından doldurulmuşsa, toplam elektron yoğunluğuna katkıda bulunur Fakat bır durumun boş olma olasılığı da vardır ve yuk yoğunluğunda bu durum görulmez ilk deneylerın yapıldığı metaller ıçın durum yoğunluğu ıle yuk yoğunluğu bırbırıne çok yakın çokluklar olduğundan, göruntulerın yuzey topoğrafyasına karşılık gelmesı göruşu oldukça lyı sonuçlar verıyordu Deney yapılan yuzeylerın çeşıtlenmesı YDY kuramının geçerlılığını kanıtlayacak sonuçlar alınmasını sağladı örneğın, "bal peteğl" yapısında olan grafit yuzeylnde bır altıgenın köşelerındekı altı atomdan yalnızca uç tanesı gözlenebılıyordu Grafıtın elektronık durumları çözulduğunde, bu altı karbon atomunun üçer uçer farklı elektronlk özelllklere sahıp olduğu ve uçuncu gözlemenın olanaksız olduğu bulundu Bazı Si ve GaAs (galyum arsenık) yuzlerınde de bırım hucredekı atomlann yalnızca yarısı STM göruntulerınde belırgındı Elektronık yapı hesapları bu yuzeylerde elektronlar tarafından doldurulmuş durumların bır çeşıt, boş durumların da dığer çeşıt atomlarda yoğunlaştıklarını gösterdı Böylece atomlann yansı uçtan yuzeye, diğer yarısı da yüzeyden uca tünelleme yapılırken gözlenebılecektı Artı ve eksı uç gerılımlerı ıçın elde edılen yuzey göruntulerı ust uste konduğunda tum yuzeyın şeklı elde edllıyordu Bugün YDY kuramı STM'yle ılgıll pek çok sonucun açıklanmasında yararlı oluyor Fakat bazı durumlarda bu kuramın ıçerdığı yaklaşımların ötesıne geçmek gerekıyor örne