Taramalı Tünelleme Mikroskobunda Tünelleme İle Uyarılmış Photonların Gözlemlenmesi İçin Sistem Tasarlanması Ve Kurulumu Ve Altın Yüzeylerinde Uygulanması

Abstract

Malzemenin özelliği, nanometre mertebesi gibi küçük boyutlara inildikçe, büyük boyutlarda gösterdiği özelliklerden çok daha farklılıklar göstermeye başlar. Bu boyutlarda malzemeyle çalışmak oldukça zor ve anlaşılması zordur. Taramalı uç mikroskopisinde gelinen nokta bu alanda çalışmak isteyenler için oldukça ümit verici olmuştur. Taramalı uç mikroskoplarının bize sağladığı 0.01nm çözünürlükte görüntüleme kapasitesine sahip olan taramalı tünellemeli mikroskopisi bu alanda önemli bir yere sahiptir. TTM ile iletken ve yarı iletken yüzeylerde yüzey topografyasını çıkarmakla kalmaz bize aynı zamanda tünelleyen elektronlarla yüzey üzerinde spektroskopik ölçümler almamıza olanak sağlar. TTM bize aynı zamanda tünelleyen elektronların yarattıkları etkiler ile ilgili çalışmamıza da olanak sağlar. Biz de bu açıdan düşünecek olursak, TTM kullanarak tünelleyen elektronların yüzeyden saçtıkları fotonlar ile çalışma şansı buluyoruz. Eğer tünelleyen elektronlar sayesinde yüzeyden foton çıkışının nedenlerini anlayabilirsek birçok farklı yüzey sistemini TTM ile topografisini görüntülemekle kalmayıp aynı zamanda diğer özelliklerini de inceleme şansı bulacağız. Young ve arkadaşları tünelleme ekleminden foton saçılmasını öngördüklerinde, henüz TTM icat edilmemişti. Bunun için metal-oksit-metal eklemi üzerinde çalıştılar. TTM’in Binnig ve arkadaşları tarafından icad edilmesi ve ilk başarılı deneyinin yapılması Young’ın öngörüsünü gerçeklendirmeye fırsat tanımıştır. Gimzewski ve arkadaşları tarafından ilk başarılı deney gerçekleştirilmiştir. Tünelleme ekleminin yanına yerleştirilen bir foto detektör ile tünelleme ekleminden foton çıkışı gözlemlenmiştir. Bu gelişmeler bize daha büyük ufuklar kazandırmış ve tünelleme ekleminden foton saçılımının nedenleri TTM ile daha kolay ve daha çok anlaşılır bir şekilde çalışılmaya başlanmıştır. İlk başarılı deney de beraberinde birçok araştırma grubunun dikkatini bu konuya çekmeyi başarmıştır. Bu yeni method ile iletken yüzeylerde nano yapıların, yüzey sistemlerinin topografik ve elektronik çalışılmasının yanında optik özelliklerinin de incelenebilmesine olanak sağlanmıştır. Bizim çalışmamızda da bu çalışmalar örnek alınarak laboratuvarımızda bulunan öğrenci eğitim amaçlı olarak üretilmiş TTM cihazı geliştirilmiş ve gerekli modifikasyonlar yapılarak tünelleme ekleminden foton saçılımı gözlemlenebilir bir deney düzeneği kurmak amaçlanmıştır. İlk sonuçlar da kolay sonuç verebilmesi açısından pürüzlü altın yüzeylerindeki ilk uygulaması gerçekleştirilecektir. Bu çalışmada ilk etapda hedeflenen, öğrenci eğitim amaçlı olarak üretilmiş basit ama bir o kadar da kullanışlı ve tatmin edici sonuçlar veren TTM’yi modifiye edip bilimsel çalışmalarda kullanılabilir bir hale getirmek. Bunun için ilk etapta tersine mühendislik yapılmış ve öğrenci TTM’si tüm fonksiyonlarıyla nasıl çalıştığı, elektronik ve mekanik tüm mekanizmaları çözümlenmiştir. Çözümlenen bu mekanizma kopyalanarak başka bilimsel amaçlı üretilmiş ve bize daha fazla esneklik sağlayan bir kontrol elektroniği ile öğrenci eğitim amaçlı olan TTM başlığı kontrol edilmiştir. Yeni kontrol elektroniğinin bize sağladığı avantaj, artık yüzey taranırken aynı anda her bir nokta için foton çıkışı ölçülebilecektir. Bunun yanında çalışmak istediğimiz diğer ölçümler için de bize fazladan kanal sağlamaktadır. Yeni elektronik ile aynı zamanda istediğimiz gibi çıkış aldığımız için başka cihazlar ile yüzey taramasını eş zamanlı olarak gerçekleştirmemize imkân verecektir. Yeni kontrol elektroniği bize daha sonradan sisteme dâhil edeceğimiz lock-in amplifier ve optik spektrometreyi de kontrol edebilmemize imkân sağlayacaktır. Dolayısıyla yeni kontrol elektroniği ile kontrol etmek bizim için sistemin geliştirilmesi ve daha çok ölçüm yeteneği kazandırılması açısından önem arz etmektedir. Elimizdeki öğrenci eğitim amaçlı kullanılan TTM elektroniği ile bizim sisteme dâhil ettiğimiz kontrol elektroniği ve verdikleri sinyalleri karşılaştırdığımızda öğrenci eğitim TTM elektroniğinin daha gürültülü sinyal verdiğini görüyoruz. Yeni kontrol elektroniği bizim daha sağlıklı, daha az gürültülü ölçümler almamıza olanak sağlamıştır. Sistem elektronik olarak hazırlandıktan sonra ikinci aşama optik düzeneğin kurulmasıdır. Optik düzenek TTM başlığından bağımsız bir şekilde hareket ederek tünelleme eklemine odaklanmalıdır. Bu sayede TTM başlığı optik sistemden kaynaklanabilecek titreşimlerden izole bir şekilde çalışması sağlanmıştır. Optik sistemin genel yapısı şu şekildedir: ilk etapda tünelleme ekleminden saçılan fotonlar küresel olmayan lensin odak noktasına ayarlanır ve tünelleme ekleminden toparlanıp paralelize edilir. Paralelize edilen fotonlar daha sonra ikinci bir lens ya da ayna ile fiberoptik kabloya aktarılır. Fiber optik kablo ile tünelleme ekleminden toparlanan fotonlar detektöre iletilir. Bu şekilde deney düzeneğimizi kurduktan sonra ölçüm almaya başladık ve sistemimizin oldukça iyi bir şekilde çalıştığını söyleyebiliriz. TTM ile yüzey topografisini çıkartırken aynı zamanda foton saçılım haritasını da çıkartabiliyoruz. Yüzeyden foton saçılımının yüzey topografisi ile arasındaki bağlantıyı çalıştık. Bu noktada birçok soru ile karşılaşıldı. Yüzeyden, tünelleme ekleminden foton saçılımına neden olan sebeplerin oldukça karmaşık bir yapısı olduğu görüldü. Her bir parametrenin foton saçılımı üzerindeki etkisinin çalışılması için her bir parametrenin çok iyi bir şekilde kontrol edilebiliyor olması gerekir. Ancak elimizdeki imkanlar buna pek müsait değil. Literatür taraması yaptığımızda görüyoruz ki, yüzey sisteminden foton saçılımını etkileyen birçok faktör var. Kullandığımız TTM iğnesinin sivriliği, malzemesi, açısı, yüzey sisteminin malzemesi, ortam nemi, sıcaklığı, kullanılan altın kaplama ince filmin kalınlığı ve birçok neden yüzeyden foton saçılımını doğrudan etkileyebilmektedir. Yüzeyden, tünelleme ekleminden foton saçılımına neden olan sebeplerin oldukça karmaşık bir yapısı olduğu görüldü. Her bir parametrenin foton saçılımı üzerindeki etkisinin çalışılması için her bir parametrenin çok iyi bir şekilde kontrol edilebiliyor olması gerekir. Ancak elimizdeki imkânlar buna pek müsait değil. Bu çalışma süresince alınan sonuçların fiziksel açıklamaları ile çalışmaya pek fırsat bulunamamıştır. Daha çok çıkan sonuçlar üzerinde tartışılabilecek sorular sorulmaya çalışılmıştır zira iki yıl için oldukça uzun ve zor bir projedir. Bu çalışma için çalışılan iki yıl oldukça verimli geçmiştir ve sıfırdan bu noktaya getirmek oldukça zaman alıcı olmuştur. Proje için birkaç sene daha çalışıldığında bu deney düzeneğinden oldukça verimli sonuçlar alınacağı kanaatindeyim. Proje için konulması gereken hedefler literatürde de belirtilen foton saçılımını etkileyen faktörlerin kontrol altına alınabilmesi olmalıdır. Literatür taraması yaptığımızda görüyoruz ki, yüzey sisteminden foton saçılımını etkileyen birçok faktör var. Kullandığımız TTM iğnesinin sivriliği, malzemesi, açısı, yüzey sisteminin malzemesi, ortam nemi, sıcaklığı, kullanılan altın kaplama ince filmin kalınlığı ve birçok neden yüzeyden foton saçılımını doğrudan etkileyebilmektedir. Tezimde ilk etapda TTM ile ilgili ve TTM kullanılarak yapılan spektroskopi ölçümleri ile ilgili teorik ve gerçeklenmiş sistemimiz hakkında bilgi vermeye çalışacağım. Daha sonrasında tünelleme ekleminden uygulanan potansiyele bağlı olarak foton çıkışının gözlemlenmesi ile ilgili teorik ve gerçeklenmiş sistemimiz hakkında bilgi vereceğim. Elde ettiğimiz sonuçlar, üzerinde tartışmalar ve ileride yapılabilecek önerilerimiz olacaktır. Genel itibariyle aldığımız sonuçlar yüzeyin topografik haritasını çıkartırken bir diğer yandan da foton saçılım haritasını çıkarmak olmuştur. Almış olduğumuz sonuçlar projenin hedefi doğrultusunda ilerlediğini göstermesi açısından önemlidir ancak bu sonuçlara benzer sonuçlar literatürde bulunmaktadır. Bizim ölçtüğümüz sonuçların literatür ile farkları incelenip literatüre farklı bir açıdan yaklaşılabilir.

Understanding the electronic and optical properties in atomic and molecular scale is a great challenge to deal with. Imaging and analyzing materials in this scale size had been the main motivation for development of different variety of microscopy and spectroscopy techniques. In 1986, Gerd Binnig and Heinrich Rohrer reported the first successful tunneling experiment, the Scanning Tunneling Microscope (STM). STM was leading the surface science studies to more interesting and more challenging areas with tunneling electrons. STM is used to visualize the surface topography of conducting and semiconducting materials in atomic scale with 0.01 nm resolution. In addition to that STM made many spectroscopic techniques possible for single particles in atomic scale, stimulated by tunneling electrons. After the invention of STM, Gimzewski et al. reported the photon emission from STM stimulated by tunneling electrons. The photon emission from STM at atomic resolution has proven that the resolution limits for this spectroscopy technique could be as high as the imaging limits of STM. Introduction of photon emission from STM created new opportunities to study the electronic and optical properties of the nanostructures such as nano-wire, quantum wells or quantum dots etc. STM is not only used to image nanostructures on metal surface, but also STM makes it possible to investigate the energy spectrum of nanoparticles between metal surface and metal tip. Nano structures, such as quantum dots, show quantum physical properties rather than classical properties. The effects of quantum confinement create differences between the bulk material semiconductors and nanostructured semiconductors in manner of electronic and optical properties. Another important area to study with STM is; it is possible to excite surface plasmons locally between tip and sample. Studies on surface plasmons are very important for nano photonics. In this thesis, a development of experimental setup for observation of photon emission from scanning tunneling microscope and application results on rough Au surface will be presented. Surface plasmons are located on the surface of a conducting sample surface and photon emission is induced by tunneling electrons between tip and sample. The physical background for photon emission from scanning tunneling microscope, development of experimental setup for photon emission measurements from scanning tunneling microscope, our results, discussions about the results and expected future works will be explained respectively.