Formation and investigation of organic compound structures on the surfaces at nanoscale with scanning probes

Abstract

Bir nanoparçacık, 100 nm?den daha küçük çapa sahip virus, DNA gibi organik, CdSe gibi inorganik çok ufak parçacıklardır. Nanoparçacıklar, atomik veya moleküler yapılar ve bulk arasında etkin bir şekilde köprü olduğundan bilimsel açıdan çok büyük öneme sahiptir. Bir kristal yapıda boyutu ne olursa olsun sabit fiziksel özelliklere sahip olmalıdır fakat nano-ölçekte bu durum genellikle böyle değildir. Küçük boyutlu yarıiletken nanoyapılar önemli doğrusal olmayan optik özellikleri, ışık saçma özellikleri, kuantum ölçek etkileri ve diğer fiziksel ve kimyasal özelliklerinden dolayı son bilimsel araştırmaların odak noktası olmuştur. Geçtiğimiz son on yılda, şekline ve boyutuna bağlı çok çeşitli elektronik ve optik özellikleri ortaya koyan nanometre boyutundaki inorganik noktalar, tüpler gibi düşük boyutlu malzemeler keşfedilmiştir.Elektronların serbest hareketinin tüm boyutlarda sınırlandırılması, kuantum nokta olarak adlandırılan sıfır boyutlu nano yapıların ortaya çıkmasına neden olmuştur. Kuantum Noktalar birkaç nanometre boyutlu ve içerisinde onlarca atomu barındıran çok küçük yarı iletken malzemelerdir. Kuantum noktalarının özellikleri en çok boyut ve içerdiği atomlara bağlıdır. Boyutlarının küçük olmasından dolayı kuantum noktalarının özellikleri üzerinde kolayca oynanabilir ve böylece bu parçacıklar yeni uygulamalarda kullanılabilir. Tüm boyutlarda güçlü sınırlandırma sonucu elde edilen kuantum nokta yapıları kesikli enerji seviyelerine ve kabuki yapılarına sahip olduklarından dolayı yapay atom olarak da adlandırılır. Böyle yapıların şekil ve boyutlarının deneysel olarak kontrol edilmesi sebebiyle potansiyel olarak, kuantum noktalar nanoboyutta elektronik ve optoelektronikler için ideal yapıtaşları haline gelmiştir. Tek elektron transistorler, kuantum bilgisayarları, kızılötesi fotodedektörler, hafıza elemanları gibi cihazlar kuantum noktaları kullanılarak geliştirilmeye başlanmıştır.Deoksiribo nükleik asit (DNA) yaşayan varlıklar için çok önemli yapılardır. DNA hücreleri çoğaltmak için gerekli olan bilgiyi sağlar. Canlı sistem içerisinde metabolik faaliyetlerin başlatılması, yürütülmesi ve kontrolü DNA tarafından düzenlenir. Aynı zamanda kişinin nasıl göründüğünden de sorumludur. DNA genellikle çocuğa anne ve babadan geçen genetik hastalıklar için kodlar içerir. Bunları inceleyen araştırmacılar için de çok önemlidir. Esasında bir çift zincirden oluşan DNA molekülünün kimyasal bileşimi temel ölçüde bilinmektedir. Canlı sisteminin hayatta kalması adına gerekli tüm kalıtımsal bilgi bu zincirin diziliminde saklanmaktadır. Gerçekleşecek olan metabolik faaliyet hakkındaki bilginin saklandığı çiftli zincirin ilgili bölümünün, işlemin gerçekleşmesi adına açılıp stokastik olduğu düşünülen bir biçimde RNA ile eşleşerek bilgi aktarımı yaptığı bilinmektedir. Oldukça karmaşık bir biçimde gerçekleşen bu sistemin çalışma prensibini anlamak, genetik havuzda canlıların nasıl başkalaştığı gibi problemlerin yanı sıra hücresel faaliyetlerin anlaşılmasına da ışık tutacaktır. Bu yüzden, gelecekteki uygulamaları için DNA?nın incelenmesi ve morfolojik yapısını anlamak önemlidir. Bu noktada zincirin fiziksel özellikleri üzerine çalışmalar önem kazanmaktadır. Son yirmi senede gelişen deneysel teknikler, DNA?nın morfolojik ve elektronik yapısını incelemeyi olanaklı hale getirmiştir. Doksanlı yılların başlarında HOPG yüzeyi üzerinde DNA atomik kuvvet mikroskopisi ile görüntülenmiştir. Yine doksanlı yıllarda taramalı tünelleme mikroskobu ile DNA?nın iletkenliği ölçülmüştür. Farklı ortamlar içerisinde ve yüzeyler üzerinde, farklı boyutlarda ve dizilimlerdeki DNA sarmalları incelenmeye devam edilmektedir. Bu araştırmanın asıl amacı, CdSe ve InP/ZnS kuantum noktalarının (özellikle tek kuantum noktanın) ve deoksiribo nükleik asidin (DNA) atomik kuvvet mikroskobu ve elektostatik kuvvet mikroskobu, optik mikroskop, taramalı tünelleme mikroskobu ve raman spektroskopisi kullanılarak araştırılması, onların morfolojik, elektronik ve optik özelliklerinin incelenmesidir. Taramalı uç mikroskobisinde en dikkat çeken özellik atomik ve moleküler seviyede görüntü alabilmektir. Atomları tek tek görebilmek, onlarla oynayabilmek birçok alanda yeni keşifler demektir. Atomik kuvvet mikroskobu bugüne kadar yüzey özelliklerinin ve malzeme topografisinin incelenmesinde vazgeçilmez olmuştur. Taramalı tünelleme mikroskobu iletken, yarıiletken yüzeylerle iğne arasındaki tünelleme akımını ölçerken atomik kuvvet mikroskobu iğne ile yüzey arasındaki etkileşim kuvvetini ölçer. Burada yüzeyin taramalı tünelleme mikroskobunda olduğu gibi iletken olması gerekmiyor. Atomik kuvvet mikroskobu her çeşit yüzey için ve her çeşit ortamda kullanılabilir. Zaten burada da en çok kullanılan mikroskoptur. Taramalı tünelleme mikroskobunda daha küçük alanlar taranabilir, atomik çözünürlük elde edilebilir. Atomik kuvvet mikroskobunda bunu elde etmek zor. Bunu elde etmeye çalışırken yüzeye, örneğe zarar verme olasılığı yüksektir. Optik mikroskop ise özellikle örnek hazırladıktan sonra solüsyonun nereye nasıl dağıldığını göstermek için idealdir. Yapılan çalışmada özellikle DNA?nın seçilen yüzey üzerinde nasıl bir morfolojide durduğunu gözlemek amacı ile atomik kuvvet mikroskobu ile çalışılmıştır. Farklı yüzeyler üzerinde farklı boylarda hazırlanmış DNA ların konulması ile hangi parametreler ile DNA zincirlerinin ne şekilde katlandığı ve dış koşullara nasıl tepki verdiği bu yöntemle araştırılmıştır. DNA içeren çeşitli çözeltiler aynı anda hem HOPG üzerine hem de mika üzerine damlatılıp kurutulduktan sonra atomik kuvvet mikroskobu ile gözlemlendi. Sadece damlatma ile de kalmayıp kuruduktan sonra örneği yıkama ve kurumadan örneği yıkama gibi farklı örnek hazırlama teknikleri kullanıldı. DNA? nın düz yüzeylerde küresel olmaya yönelmesi problemi ile birlikte DNA? nın içinde bulunduğu çözeltilerin de yüzeylerde oluşturduğu yapılar DNA? nın özelliklerinin anlaşılması için önem arz etmektedir. DNA zincirlerinin solüsyonlardan yüzeylere kaplanmalarının yanı sıra hibridize edilmiş ve belirli geometrik özellikleri ihtiva eden DNA yapılarının morfolojik özellikleri de incelendi. Kuantum noktalar sadece çekirdekten oluşan ya da çekirdek ve çekirdeği saran kabuktan oluşan iki çeşit yapıya sahiptir. Çekirdek haldeki kuantum noktalar görünür bölgede ışık emisyonuna sahiptirler. InP gibi kızılötesi bölgede ışık emisyonu yapan kuantum noktalar da vardır. Çekirdek ve kabuktan oluşan kuantum noktalarda çekirdek, bant genişliği daha büyük olan yarıiletkenlerle kaplıdır. Çekirdeğin dışına eksiton sızmasını azaltır.Şimdiye kadar gerekli sistemler kuruldu. Kuantum noktaları yüzeye yayma işlemleri gerçekleştirildi. HOPG, mika ve altın gibi farklı yüzeyler üzerinde CdSe gibi çekirdek haldeki ve InP/ZnS gibi çekirdek ve kabuktan oluşmuş kuantum noktalarının yüzey sistemleri araştırıldı. Elektroluminesans yapabilmek için tek kuantum nokta gözlemlenmeye çalışıldı. Bu araştırmada, çok kısa DNA?lar kullanıldığında, DNA?nın HOPG ve mika üzerinde nasıl davrandığı incelendi. Hibridize DNA?lar gözlemlenmeye çalışıldı. Bunu yaparken kullanılan çözücülerin farklı yüzeylere farklı tepkiler verdiği keşfedildi ve bir de çeşitli çözücülerin farklı yüzeylerdeki etkileri de araştırıldı. Bu sayede elde ettiğimiz datanın gerçekte gözlemlemeye çalıştığımız malzeme mi yoksa örnek hazırlarken kullandığımız kimyasallardan mı kaynaklandığı anlaşılmış oldu. Bu da datanın doğruluğuna yardımcı olmakta. Çeşitli substratlar kullanıldı ve bunların farklı çözücülere tepkisi farklı oldu. HOPG yüzeyi hidrofobik bir yüzey, mika ise hidrofilik yani HOPG suyu sevmeyen, mika ise suyu seven yüzeyler. Örneğin mika yüzeyine su damlatıldığında hemen kuruyup giderken HOPG üstüne damlatıldığında durum farklı oldu. Bu da ölçümlere farklı şekillerde yansıdı.Bu çalışma aslında üç ana bölümden oluştu. İlkini kuantum noktaların incelenmesi oluştururken ikinci ve üçüncü kısım sırasıyla çözücülerin substratlara etkisi ve DNA zincirlerinin incelenmesi oluştrmuştur.

A nanoparticle is a microscopic particle of an inorganic material (e.g. CdSe, InP/ZnS) or organic material (e.g. virus) with a diameter less than 100 nm. Nanoparticles are of great scientific interest as they are effectively a bridge between bulk materials and atomic or molecular structures. A bulk material should have constant physical properties regardless of its size, but at the nano-scale this is often not the case.Nanostructured semiconductors with small size have been the focus of recent scientific research because of their important nonlinear optical properties, luminescent properties, quantum size effects and other important physical and chemical properties. In the past decade, low- dimensional materials such as nanometersize inorganic dots, tubes have been discovered which exhibited a wide range of electronic and optical properties that depend sensitively on both size and shape, and are of both fundamental and technological interest. Quantum Dots are very small semiconductor materials which contain tens to a few hundreds of atoms with sizes of a few nanometers. They exhibit quantum confinement (typically less than 10 nm in diamater). They are potentially ideal building blocks for nanoscale electronics and optoelectronics.Deoxyribonucleic acid (DNA) is very important organic structures for living creatures. DNA supplies the information necessary for cells to reproduce. It is also responsible for determining how a person looks. DNA often contains codes for diseases that are genetic, passed from parent to child. DNA is also important for researchers who determine the role genes play in complex diseases. Thus, it is also important to understand its morphological structure for the future experiments.The main purpose of this research is investigation of CdSe and InP/ZnS quantum dots (especially single QD) and deoxyribonucleic acid (DNA) with using atomic force microscopy (AFM), scanning probe microscopy, Raman spectroscopy and investigation of their morphological, electronic and optical properties. CdSe and InP/ZnS quantum dots surface systems were investigated on different surfaces such as highly oriented pyrolytic graphite, mica and Au(111). Single QD was investigated for QD electroluminescence. In this research, the behavior of DNA and DNA patterns (networks) were searched on the HOPG and mica when a very short DNA was used and also effects of various solvents are investigated on HOPG and mica surfaces.