Nano-boyutlu Farklı Yapıların Morfolojik, Elektronik Ve Optik Özellikleri

Abstract

Farklı nano yapıların incelenmesi, taramalı uç mikroskoplarının bulunmasından beri pek çok araştıma grubunun ilgi odağı olmuştur. Atomik kuvvet mikroskobu ve taramalı tünelleme mikroskobu çeşitli nano yapıların incelenmesinde sıklıkla kullanılmaktadır. Bu nano yapılardan bazıları, kuantum noktalar, biyomoleküller ile grafin ve karbon nano tüpler gibi karbon allotropları olabilir. Bu nano yapılar sadece bilimsel ilgi odağı değil, gelecekte elektronik, optik ve moleküler biyoloji gibi alanlarda umut vaat eden yapılardır. Biyomoleküller en çok ilgi çeken nano yapılardan biridir ve taramalı uç mikroskobu teknikleri ile yıllardır incelenmektedirler. Taramalı uç mikroskobu özellikle DNA moleküllerinin görüntülenmesinde çok önemlidir. Çok farklı yapılardaki DNA moekülleri atomik kuvvet mikroskobu ile incelenmektedir. Bu moleküller ayrıca iletken özellikte oldukları için taramalı tünelleme mikroskobu ile de incelenebilirler. Taramalı uç mikroskobu çalışmalarında bazı zorluklar ile karşılaşılmaktadır. Örneğin, DNA moleküllerini gözlemlenmesi ve elde edilen görüntülerin tekrarlananması taramalı uç mikroskobu çalışmalarında karşılaşılan zorluklardandır. Biyolojik çalışmalarda, biyomoleküllerin özelliklerini koruyabilmek için biyomoleküller genellikle tampon çözeltilerin içerisinde tutulurlar. Bu tampon çözeltiler molekülleri korur, aktifliklerinin devam etmesini sağlar. Ancak, bu tampon çözeltiler taramalı uç mikroskopları ile çalışırken biyomoleküllerin gözlemlenmesini engelleyebilirler. Biyomoleküllerin taramalı uç mikroskopları ile incelenmesi çalışmaları oldukça geniş bir yere sahip olmasına rağmen, taramalı uç mikroskopları ile çalışmaları engellediği bilinen tampon çözeltiler ve bunların etkilerinin incelenmesi yok denecek kadar azdır. Nano yapılara diğer bir örnek ise son yıllarda oldukça popüler çalışma konusu olan kuantum noktalardır. Kuantum noktalar, kesikli enerji seviyesi, bulk kristalden daha geniş bant aralığı, boyutuna bağlı olarak uyarılması ve ışık yayınlaması gibi bir çok özelliğe sahip nano boyutlu yapılardır. Bu ilginç özelliklerin yanı sıra asıl önemli olan kuantum noktaların transistörler, güneş pilleri ve LEDler gibi pek çok uygulama alanlarında kullanılabilmesidir. Kuantum noktaların pek çok uygulama alanları vardır ve genellikle yapılan çalışmalar bu yöndedir. Fakat kuantum noktaların yüzey üzerinde incelenmesi ve tek başına gözlemlenmesi çalışmaları henüz başlangıç seviyededir. Malzemelerin nano boyutta özelliklerinin incelenmesinde grafin önemli bir yere sahiptir. Grafinin deneysel olarak gözlemlenmesi çok yeni olmasına rağmen, grafin ile ilgili pek çok çalışma bulunmaktadır. Sıradışı elektronik, mekanik ve termal özellikleri grafini çok ilgi çekici bir malzeme yapmaktadır.Bu tez çalışmasında, nano boyuttaki farklı yapıların yüzey üzerinde incelenmesi, ve bu yapıların morfolojik, elektronik ve optik özelliklerinin optik mikroskop, taramalı uç mikroskobu teknikleri ve mikro Raman spektroskopisi ile incelenmesi üzeride çalışılmıştır. İlk olarak, T7 Primer DNA molekülleri grafit yüzeyi üzerinde taramalı uç mikroscopları kullanılarak incelenmeye çalışılmıştır. Ancak T7 Primer molekülleri içeren çözelti grafit yüzeyi üzerinde farklı film gibi yapılar oluşturmuş ve T7 Primer moleküllerinin gözlenmesini engellemiştir. Bu sonuçların ardından, elde edilen verilerin anlaşılabilmesi için T7 Primer moleküllerini içeren çözelti tek başına yüzey üzerinde incelenmiştir. Bu çözelti Tris-EDTA tampon çözeltisidir ve tris(hydroxymethyl)aminomethane ile ethylenediaminetetraacetic acid bileşenlerinden oluşmaktadır. Tris-EDTA tampon çözeltisi T7 Primer moleküllerini içermeksizin grafit yüzeyi üzerinde incelenmiştir. Bu incelemeler sonucu Tris-EDTA tampon çözeltisi grafit yüzeyi üzerinde altıgenimsi yapılar oluşturmuştur. Ancak birkaç deneme sonucunda altıgen gibi yapılardan farklı başka film gibi yapılar gözlemlenmiştir. Bu sonuçları anlayabilmek için ise Tris ve EDTA tampon çözeltileri ayrı ayrı incelenmiştir. İlk olarak Tris-HCl çözeltisi grafit yüzeyi üzerinde denenmiş ancak atomic kuvvet mikroskopisinde gözlemlenemeyecek kadar yüksek yapılar oluştuğu için bu yapılardan kurtulabilmek adına altın kaplanmış mica kullanılarak damlat-sürükle-çek metodu uygulanmıştır. Bu metod uyguladıktan sonra altın kaplı mika yüzeyi üzerinde altıgenimsi yapılar atomic kuvvet mikroskopisi ile ve optik mikroskop ile incelenmiştir. Ayrıca Tris-HCl çözeltisi farklı derişimlerde hazırlanarak damlat-sürükle-çek metodu uygulanmadan HOPG yüzeyi üzerinde altıgenimsi yapılar gözlemlenebilmiştir. Ayrıca EDTA çözeltisi aynı şekilde denenmiş ancak böyle yapılara rastlanılmamıştır. Yüzey üzerinde gözlemlenen keskin ve çok belirgin altıgen yapıların Tris-EDTA tampon çözeltisinin içerisindeki Tris-HCl bileşiminden kaynaklandığı sonucuna ulaşılmıştır. Bu çalışma özellikle tampon çözeltilerin yüzey üzerindeki etkilerini anlayabilmek için önemlidir. Bu tez çalışmasında ikinci olarak, kadmiyum-selen (CdSe) kuantum nokta yüzey sistemleri çalışılmıştır. CdSe tipindeki kuantum noktalar farklı derişimlerde hazırlanarak yüzey üzerinde film oluşturacak şekilde yüzeye uygulanmış ve ardından taramalı uç mikroskopisi ile en ideal kuantum nokta görüntüsü elde edilmeye çalışılmıştır. Kuantum noktaları içeren çözeltinin etkilerinden kurtulabilmek için durulama işlemi ve Hidrojen-Argon atmosferinde fırınlama işlemi uygulanarak kuantum nokta adacıkları atomik kuvvet mikroskopisi ile gözlemlenmiştir. Buradaki en önemli ayrıntı fırınlama sıcaklığıdır ve fırınlama ortamının temiz olmasıdır. Son olarak, Grafin eldesi için şimdiye kadar bilinen yöntemlerden dışında bir metod üzerinde çalışılmıştır. Bu tez çalışmasında kullanılan yöntem hem mekanik olarak grafinin katmanlara ayrılmasını hem de kimyasal çözeltiler yardımı ile bu katmanların daha da inceltilmesini içermektedir. Basit bir yapışkan bant grafit yüzeyine yapıştırılıp çekilir ve ardından bant yüzeyindeki grafit katmanları tekrar tekrar banta yapıştırılıp çekilir. Bu işlem bantın üzerindeki grafit yapı incelene kadar ve homojen hale gelene kadar tekrarlanır. Bunun sonunda elde edilen yapı saf aseton içerisinde bant mukus yapı olana kadar ultra sonic banyo kullanılarak çözülür. Ardından bu mukus yapı ultra temiz cam lamel üzerine sürtülür ve bu lamel propanoliçerisinde yıkanır. Elde edilen çözelti damlatılarak film hazırlama yöntemi ile yüzey üzerine damlatılır. Çözelti altın kaplanmış mika, silicon ve silikon oxide üzerinde değişik renklerde katmanlar bırakır. Elde edilen bu katmanlar taramalı uç mikroskopları, micro Raman spektroskopisi ve akım-voltaj karakterizasyon yöntemi ile incelenmiştir. Ayrıca elde edilen katmanları ayırt edebilmek için ve karşılaştırabilmek için bir referans grafin örneği kullanılmıştır ve ayrıca bu örnek taramalı tünelleme mikroskobu, atomik kuvvet mikroskobu ve micro Raman spektroskopisi ile incelenmiştir. Hazır olan bu referans grafin örneği taramalı tünelleme mikroskobu ile incelendiğinde, grafinin tespit edilmesi ve grafin katmanından atomik çözünürlük alınabilmesinin oldukça zor olduğunu görülmüştür. Bu çalışmada elde edilmeye çalışılan grafin katmanların taramalı uç mikroskopları ile incelendiğinde çözeltis etkisi gözlemlenmiştir bu etkinin yok edilmesi için fırınlama metodu kullanılmıştır. Ancak micro Raman spektroskopisi incelemelerine göre elde edilen katmanlar çok katmanlı grafin veya grafit yapılarıdır. Ayrıca bu yapıların akım-voltaj karakteristik incelemesinde de grafitik olduğu ortaya çıkmıştır. Bu tez çalışmasında kısaca, ilk olarak T7 Primer moleküllerinin taramalı uç mikroskopları ile incelenmesi hedeflenmiştir. Yapılan deneyler T7 Primer moleküllerinin Tris-EDTA tampon çözeltisi içinde tutulduğunda ve yüzey üzerine damlatma işlemi ile uygulandığında gözlenmenmesinin imkansız olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, Tris-EDTA çözeltisi incelenmiş ve sonradan anlaşıldığı üzere bu çözelti içerisindeki Tris-HCl çözeltisi yüzey üzerinde altıgen yapılar oluşturmaktadır. Ayrıca bu çalışmada CdSe tipi kuantum nokta yüzey sistemleri hazırlanması ve bu kuantum noktaların gözlemlenmesi çalışılmıştır. CdSe tipi kuantum noktalar grafit yüzeyi üzerinde adacıklar halinde gözlemlenmiştir. Son olarak ise farklı bir yöntem geliştirilerek grafin elde edilmesi çalışılmıştır ve sonuç olarak elde edilen yapılar daha çok grafitik çıkmıştır. Bugüne kadar pek çok farklı nano-boyutta yapılar incelenmiştir ve incelenmeye devam edilmektedir. Bu çalışmadaki incelenen yapıların nano-boyuttaki yüzey çalışmalarına, taramalı uç mikroskopları çalışmalarına katkı sağlayacağı ve bu çalışmaların gelişmesine yardımcı olması hedeflenmiştir.

Investigations of novel nanostructures are of great interest to many research groups since the advent of scanning probe microscopy. Atomic Force Microscopy and Scanning Tunneling Microscopy are widely used for investigation of novel nanostructures. Some examples of nanostructures can be listed as quantum dots, biomolecules and allotropes of carbon such as graphene and carbon nano tubes. These nanostructures are not only of scientific interest but also promising for future applications in various fields such as electronics, optics and molecular biology. Biomolecules are one of the most noteworthy nanostructures and they have been investigated by scanning probe microscopy techniques. In biological studies, the molecules are generally kept in buffer solutions to stabilize their activity, but the buffer solutions may prevent the observation of biomolecules when studying with scanning probe microscopy. Quantum dots are examples to the nano-sturctures in recent years. They have many different features such as discrete enery levels, larger band gaps compared to their bulk crystal forms and the relation between their size and emission wavelength is quite notable. The main motivation to work on quantum dots is the possible application areas such as transistors, solar cells and LEDs. Resarch primarily focusing on the nanoscale properties of materials has a special interest in graphene. Its unusual electronic, thermal and mechanical properties make it a unique material. In this study, preparation of novel structures at nanoscale and investigation of their morphological, electronic and optical properties were looked upon by optical microscopy, scanning probe microscopy techniques and micro Raman spectroscopy. First, T7 Primers were investigated on HOPG surface by using scanning probe microscopy techniques. However, the solution of T7 Primer molecules formed different film structures on HOPG surface and prevented the observation of T7 Primer molecules on the surface. Then, the solution of T7 Primer molecules, which is Tris-EDTA buffer solution was investigated and the solution created hexagonal structures on solid substrates due to the Tris-HCl in the buffer. Second, preparation of quantum dot surface systems were studied in this study. CdSe type quantum dot surfaces systems were prepared in different ratio. The CdSe quantum dots were observed by AFM, but in cluster form. Third, an alternative method for graphene production was also attempted in this study. The method involves preparation of a solution using both mechanical exfoliation method and chemical materials. By using micro Raman spectroscopy and current-voltage characterization technique, the alternative method for graphene production results in multi layer graphene and graphitic flakes.