Graphene/hopg Sisteminin İncelenmesi Ve Ge Yüzeylerinin Atomik Teller İle Çalışılması İçin Uyv Sistem Geliştirilmesi

Abstract

Kristallerin kütlesel (bulk) özellikleri oldukça iyi bilinmesine rağmen yüzey özellikleri pek de bilinmemektedir. Taramalı tünelleme mikroskopisi (TTM) sayesinde 0.1 nm çözünürlükle yüzey özellikleri çalışılabilir. Bu çalışma çok düzenli pirolitik grafit (HOPG) üzerinde görülen moiré desenleri olarak adlandırılan süper periyodik yapılar ve hızlı ağır iyonlarla (swift heavy ion (SHI)) bombardıman edilmiş HOPG yüzeylerinin TTM ile incelenmesini içermektedir. Bunun yanında Ge (111) yüzeyinde oluşturulan atomik tellerin çalışılabilmesi için bir ultra yüksek vakum (UYV) kazanının kurulması ve geliştirilmesi de bu tez çalışmasına gerçekleştirilmiştir. HOPG, soy ve düzgün bir yüzey olduğu için TTM çalışmalarında sıkça kullanılan bir kristaldir. Hatta TTM ile bu kristal yüzeyinde, atmosferik koşullarda atomik çözünürlük elde etmek mümkündür. HOPG katmanlı bir yapıya sahiptir ve katmanlar arasında zayıf van der Waals etkileşimi vardır. Bu zayıf etkileşimin bir sonucu olarak üstte bulunan katmanlar bant yardımı ile kaldırılabilir (cleaving). Kristalin üst katmanlarının kaldırılması ile birlikte temiz kristal yüzeyi elde edilir ve bu sayede aynı kristal tekrar tekrar kullanılabilir. Kristalin bu kadar basit bir şekilde temizlenebilir olması çok büyük bir avantajdır. Kristal katmanlı bir yapıya sahip olduğu için bant yapıştırma sırasında baskı uygulanması ya da bant ile katmanlar kaldırılırken hızlı davranılması kristale zarar verebilir. Bu sebeple temizleme işlemi sırasında kristala çok fazla baskı uygulanmamalıdır. Katmanlar arasındaki zayıf etkileşimin diğer bir sonucu olarak HOPG'nin en üst katmanı kimyasal ya da mekanik yollarla kristal yüzeyinde döndrülebilir. Katmanın dönme açısına bağlı olarak süper periyodik yapılar oluşur. Bu süper periyodik yapılara moiré desenleri desenleri. İki periyodik yapının üst üste gelmesi ve optik ilizyon sonucu gözlenen bu moiré desenleri günlük hayatımızda pek çok yerde karşımıza çıkmaktadır. Bu yapılar çitlerde, tüllerde ve hatta kuş tüylerinde görülmektedir. Sıkça rastladığımız ve optik olarak gözlenen bu yapıların atomik ölçekte de görülmesi oldukça enteresandır. HOPG'nin en üst katmanının döndürülmesi ile oluşan moiré desenleri uzun yıllardır bilinmesine rağmen, grafen çalışmaları ile birlikte yeniden ilgi odağı olmuşlardır. Ayrıca bu desenlerin elektronik mi yoksa yapısal mı olduğu sorusuna net bir cevap çıkmamıştır. Moiré desenleri TTM ile araştırılmaktadır ancak şimdiye kadar atomik kuvvet mikroskobu ile gözlenen moiré deseni rapor edilmemiştir. Bu çalışmada moiré desenlerinin HOPG üzerinde elde edilmesi için hazırlama yöntemi geliştirilmiştir. Daha önceki çalışmalarda belirtildiği üzere HOPG kristalini kimyasala daldırıp bekleterek moiré deseni elde etmek mümkündür ancak HOPG katmanlı bir yapıya sahiptir ve kimyasal HOPG katmanları arasına girerek tüm kristale zarar vermektedir. Yaptığımız bu çalışmada moiré desenlerini elde etmek için kloroform, siklohekzan, toluen gibi uçucu kimyasallar HOPG yüzeyine damlatılmış ve kimyasalın moiré deseni oluşumuna etkisi olup olmadığı araştırılmıştır. Her örnek kimyasal damlatılmadan önce scotch tape ile cleave edilerek temizlenmiştir. Kimyasalları damlatmak için otomatik mikropipet ve tek kullanımlık pipet ucu kullanılmıştır. Pipet ucundan kaynaklanacak olası kirlilikleri önlemek için pipet uçları kimyasal damlatmadan hemen önce damlatılacak kimyasal ile temizlenmiştir. Yapılan çalışmada bazı kimyasalların moiré oluşumuna etkisi çok olmasada moiré desenine rastlanmış ancak siklohekzan damlatılan her yüzeyde moiré deseni gözlendiği belirlenmiştir. Siklohekzan damlatılarak hazırlanan örneklerde görüldüğü üzere bu yöntem tekrar edilebilir ve oldukça kolay bir yöntemdir. HOPG kristaline kimyasal damlatmak kritale zarar vermemektedir ve standart HOPG temizleme prosedürü (scotch tape ile cleave ederek) uygulanarak kimyasal damlatılmış yüzeyden de kurtulmak mümkündür. Çalışmanın devamında HOPG üzeinde elde edilen moiré desenlerinin yapısal ve elektronik özellikeri TTM ile çalışılmıştır. Hazırlanan örneklerde periyodu 1.6nm'den 30nm'ye kadar değişen farklı moiré desenleri gözlenmiştir. Yapılan çalışmada moiré desenleri üzerinde atomik çözünürlük de gözlenebileceği gösterilmiş ve hOPG ve moiré üzerinde gözlenen atomik çözünrülüğün farkları ortaya konmuştur. HOPG üzerinde atoik çözünürlük 50mV civarında gözlenebilir ancak yüksek gerilim voltajlarında bu mümkün değildir. Moiré desenlerinde ise 50mV gübü düşük gerilim voltajında atomik çözünürlük gözlediği gibi 500mV gibi yüksek gerilim voltajına kadar çözünürlük elde etmek mümkündür. Moiré desenlerinin gözlenen yükseklikleri tünelleme eklemi gerilim voltajına bağlı olarak incelenmiştir. Bu çalışmada üç farklı moiré örneği kullanılmıştır ve periyodları farklıdır. Moiré desenlerinin gözlenen yükseklikleri tünelleme eklemi gerilimi arttıkça azaldığı görülmüştür. Moiré desenlerinin hepsinde gözlenen yükseklikler artan gerilim voltajına bağlı olarak azalmaktadır; bu azalma üç örnekten ikisinde lineerdir ve bir tanesinde azalma ile birlikte dalgalanma da gözlenmiştir. Bu dalgalanma moiré yapılarında farklı elektronik durumlar olabileceğini göstermektedir. Bu yapılar üzerinde TTM çalışmalarının yanında tünelleme spektroskopisi (TTS) de yapılmıştır. Tünelleme eklem gerilimine bağlı akım ölçülmüş ve buradan tünelleme eklem gerilimine bağlı yerel elektron durum yoğunluğu grafiği elde edilmiştir. Bu grafikler göstermektedir ki moiré desenlerinin elektronik yapısı HOPG'den oldukça farklıdır. Hatta grafen ile benzerlik göstermesine rağmen moiré desenleri ile grafenin farklı yapılar olduğu rahatlıkla söyleneblir. Bu durumda moiré desenleri HOPG üzerinde bulunan büyük bir molekül gibi değerlendirilebilir. Süper periyodik yapılar yanında yüksek enerjili ağır iyonlar (Swift Heavy Ion (SHI)) ile bombardıman edilen HOPG yüzeylerindeki kusurlar da TTM ile incelenmiştir. Kristal SHI ile yüksek enerjilerde bombardıman edildiğinde iyon kristaldeki elektronlar ile etkileşir ve iyon geçtiği yolda iz bırakır. Ayrıca bombardıman sonrasında yüzeyde de kusurlar gözlenmektedir. Bu kusurlar iyon enerjisi ve tipine bağlı olabileceği gibi kristalin külçe yapısı ve külçedeki kusurlara da bağlıdır. SHI ile bombardıman edilen katmanlı yapılar, kusurların katmanlı yapılarda oluşması ve tepecik benzeri yapılar ile bu yapıların civarında atomik ölçekte yeniden yapılanma gözlendiği için ön plandadır. HOPG iyi bilinen bir kristal olmasına rağmen, kristalin özellikleri temin edilen firmaya göre değişmektedir. Bu sebeple farklı firmalardan temin edilen HOPG kristalleri SHI ile bombardıman edilmiş ve kusur oluşumu karşılaştırılmıştır. Moiré yapıları HOPG'den farklı yapısal ve elektronik özelliklere sahip olduğu için moiré örnekleri hazırlanmış ve bu örnekler de SHI ile bombardıman edilmiş ve moiré desenleri üzerinde kusur oluşumu incelenmiştir. Yapılan çalışmada TTM kullanılarak HOPG üzerinde tek ve çoklu kusurlar gözlenmiş ve aynı kristal yüzeyinde dahi kristalin külçe özelliklerine bağlı olarak kusur tipinin değiştiği görülmüştür. Yüzeydeki kusurların incelenmesiyle kristalin külçe özellikleri ile ilgili bilgi edinilebileceği anlaşılmıştır. Bombardıman edilen moiré örnekleri TTM ile incelenmiş ve moiré yapısının iyon bombardımanına karşın bozulmadığı gözlenmiştir. Beklendiği gibi, aynı kristal yüzeyinde olmasına rağmen kristal oluşumunun HOPG ve moiré yüzeyi üzerinde farklı olduğu TTM ölçümleri ile gösterilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında bir Ultra Yüksek Vakum (UYV) Sistemi Ge (001) yüzeyi üzerinde oluşan atomik tellerin hazırlanması ve bu yapıların yapısal ve elektronik özelliklerinin çalışılması için kurulmuştur. Sistem için titreşim izolasyon masası tasarlanmış ve yapılmıştır. İzolasyon masası için optik masalarda kullanılan izolasyon bacakları satın alınarak temin edilmiştir. Bacaklar üzerine yerleştirilen iskelet için 6m uzunluğunda aluminyum profiller temin edilmiş ve radyal testere yardımıyla kesilerek gerekli uzunluklarda parçalara ayrılmıştır. Bu parçaların birleştirilmesi ile de iskelet yapılmıştır. UHV kazanı kurulduktan sonra ultra yüksek vakum elde etmek için gerekli olan iyon pompası bağlantıları yapılmıştır. İyonpompası ve pompanın güç kaynağı farklı şirketlerden olduklarından yeni bir bağlantı yapılması gerekmiştir. Daha sonra örneği kazan içinde hareket ettirmek ve manipule edebilmek için gerekli çatalın bağlantıları yapılmıştır. Sistemin çalışması için gerekli eklemeler yapıldıktan sonra platin buharlaştırıcısı da laboratuarda yapılmıştır. Buharlaştırıcı için bakır bloklar ve tungsten teller kullanılmıştır. Tungsten teller reziztans olarak kullanılmış ve bakır bloklar tungsten telleri desteklemek için kullanılmıştır. Tüm eklemelerden sonra sistem vakuma alınmış ve 5 × 10-10mbar'dan daha düşük bir basınca gidilebilmiştir. UYV-TTM sistemi havada altın (Au) yüzeyi ile test edilmiştir. Bu test sırasında tüm mekanik ve elektronik gürültü kaynakları bulunup, ortadan kaldırılmıştır. Örnek tutucular ve TTM kafasında gerekli yerler kontrol edilmiş, eksikler giderilmiştir. Sistemdeki tüm elektriksel bağlantılar kontrol edilmiş ve testleri yapılmıştır. Au üzerinde beklendiği gibi bir TTM datası elde ettikten sonra UYV-TTM UYV kazanına takılmış ve vakumdaki testleri yapılmıştır. Sistem vakuma alındıktan sonra Ge(001) hazırlama işlemine geçilmiş, Ge(001) yüzeyi UYV altında hazırlanmış ve kristal terasları UYV-TTM ile gözlenmiştir. Ge(001) yüzeyinin temizlenmesi ve hazırlanması için örnek ısıtılmış, argon sıçratma uygulanmış ve tekrar ısıtılmıştır. Temizlenen Ge(001) yüzeyinde, Ge terasları, dimer çubukları ve Ge-dimerleri (Ge ikili molekülleri) gözlemlenebilmiştir. Ge(001) yüzeyinde dimerlerin gözlenmesi hem UYV sisteminin (tüm eklenen parçaları ile birlikte), hem de UYV-TTM'nin çalıştığını göstermektedir.

We probably know quite a lot on the bulk properties of materials but we barely know the surface properties of them. With the help of scanning tunneling microscopy (STM), surface structures can be investigated with 0.1nm lateral resolution. This thesis includes the investigation of super periodic structures (moiré patterns) and swift heavy ion (SHI) irradiation defects on HOPG and construction of an Ultra High Vacuum (UHV) system for the study of atomic wires on Ge(001) surface. Highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) is a common crystal for STM studies because of its inert and smooth surface. Even atomic resolution on HOPG can be achieved under ambient conditions by using STM. HOPG has layered structure and there is van der Waals bond between its layers. Crystal can be cleaved with sticky tape due to the weak van der Waals interaction. Fresh and clean surface can be obtained by cleaving this layered crystal. As another result of the weak van der Waals bonding, the topmost layer of HOPG crystal may be rotated by chemical or mechanical means. Due to the rotation of the topmost layer, superperiodic structures called as moiré patterns occur. These structures were known for years but they were rediscovered in graphene research. Although these structures were studied for a long time by many different reseacrh groups, their origin are yet to be understood. These structures can be studied with STM but they are invisible to atomic force microscopy (AFM) so far. In this study, preperation method of moiré structures on HOPG were improved. Morphological and electronic structures of the moiré patterns on HOPG surfaces were studied with STM. Poor man's spectroscopy and scanning tunneling spectrocopy (STS) were performed on these structures. Besides the super periodic structures, Swift Heavy Ion (SHI) Irradiation defects on HOPG surfaces were ivestigated in this study. Defect formation on layered structures is popular because hillock like structures and atomic reconstruction can be observed on irradiated surfaces. Although HOPG is a well known crystal, properties of HOPG change with the supplier. Therefore SHI defects on HOPG crystals were observed and the defect formation was compared with respect to the supplier. As moiré patterns have different structure (both electronic and morphological) than HOPG, we also studied defect formation due to the SHI on moiré patterned surfaces. Other than the STM study on graphitic surfaces, a UHV system was constructed to investigate atomic wires on Germanium (Ge) surfaces. A vibration isolation system was designed and constructed for the UHV system. UHV-STM was tested with polycrystalline gold (Au) samples under ambient conditions. Ge (001) surface was prepared under UHV conditions and Ge terraces were observed with UHV-STM. Moreover dimer rows due to (2x1) reconstruction of the Ge(001) surface was observed.