NANOTEKNOLOJİNİN ARAÇLARI, ALET VE YARDIMCILARI
Nanoaletler kullanılarak moleküler ve atom düzeyindeki malzemelerin bir yere biriktirilmesi veya oradan uzaklaştırılması yaklaşımına litografi denir. Litografi makroskopik cihazları kullanarak atom ve molekülleri amaca göre istenilen yere yönlendirmektir.
Ayrıca makroskopik dünyadaki robotların mikroskopik benzerlerini yaparak bunlar aracılığıyla nano ölçekte üretim yapmak anlamına da gelir. Bu mikroskobik robotların geliştirilmesi ile nanoteknolojinin gelişimi sağlanabilir.
Nanomanipulator: Bir insana molekülleri görme dokunma ve değiştirme imkânı tanıyan sanal gerçeklik arabirimidir. Virüs, DNA iplikleri ve nanotüpleri modifiye etmek amacıyla kullanılabilmektedir. NM datayı almak için AFM kullanmaktadır. Sanal gerçeklik eldivenleri ve gözlükleriyle kullanıcın örneğin yüzeyini görmesini ve hissetmesini sağlamaktadır. Böylelikle kullanıcı eliyle mikroskobik objeleri tutabilir, itebilir, hareket ettirebilir ve sonuçta çıkan kuvveti, etkileşimi hissedebilir. Böyle bir teknolojiyle gen transferi, enzim değişimi, jeller ve yüzeyler üzerinde lokal değişiklikler yapabilmek mümkün olmaktadır.
Nanoteknolojinin araştırılmasında, ürünlerin ve sistemlerin kontrolünde kullanılan en önemli araçları; taramalı uç mikroskopları, özellikle atomik kuvvet mikroskobu ve taramalı tünelleme mikroskobudur. Nanoteknolojideki bu gelişim, taramalı uç mikroskoplarının (TUM) gelişimini hızlandırmış ve kullanımını yaygınlaştırmıştır. Ayrıca bu cihazlar nanomaniplatör olarak (mikrorobot) kullanılarak nanoteknoloji uygulamalarını arttırıcı etki de yapmıştır. Bu yönde özellikle biyolojik ve bilimsel uygulamalar yaygınlaşmaktadır. Teknolojideki yeni gelişmeler sonucu elektron-iyon spektroskopisi gibi yüzey analiz tekniklerinin kullanımı artmıştır. Optik mikroskop yerine tünel elektron mikroskobisi kullanımı tercih edilir olmuştur. Ayrıca atomik kuvvet ve iş fonksiyon spektroskopisi gibi moleküler büyüklüklerin görüntülenmesine olanak tanıyan görüntüleme teknikleri, optik sensorlar, lazer ve fiber optik, nano ve hatta femto saniyede ölçüm yapan yarı iletken detektörlü ölçüm sistemleri nanoteknoloji laboratuarlarının vazgeçilmezleri olmuşlardır. Ortaya çıkan bu yeni analitik mikroskoplar kaplama homojenliği ve etkinliğinin incelenmesinde etkilidir. Ayrıca katı faz katalizör yüzeyleri gibi yüzeyin morfolojik ve topografik yapısı ve yüzey bileşenlerinin incelenmesi çalışmalarında kullanılmaktadırlar.
—Çok değişik tür ve sayıda analitik mikroskop ortaya çıkmıştır. Bunlar:
1- Geçirgen ve yansımalı optik mikroskop, faz kontrast ve UV mikroskop.
2-Geçirgen, yansımalı, taramalı, elektron emisyon, alan elektron emisyon mikroskopları (TEM, REM, SEM, EEM, FEM).
3-İyon mikroskopları: Geçirgen iyon, taramalı iyon, alan iyon mikroskopları (TIM, SIM, FIM).
4-Diğer mikroskoplar: Tünelleme, taramalı tünelleme, atomik kuvvet, iş fonksiyon, manyetik kuvvet, yakın alan optik taramalı, balistik elektron emisyon mikroskopları (TUEM-TM, STM, AFM, WFM, MFM, NSOM, BEEM) gibi onlarca mikroskobik teknik değişik amaçlarla nanoteknolojide kullanılmaktadır.
Bugün bu mikroskobik teknikler:
1) Kaplama homojenliği ve etkinliğinin incelenmesi.
2) Katı faz katalizör yüzeyleri, gibi yüzeyin morfolojik ve topografik yapısı ve yüzey bileşenlerinin belirlenmesinde.
3) Sağlık teknolojisinde.
4) Güneş enerjisinden yararlanmada kullanılır.
5) Güneş pillerinin etkinliğinin artırılmasında kullanılmaktadır.
TARAMALI UÇ MİKROSKOPLARI (TUM)
TUM ailesinin temel üyeleri atomik kuvvet mikroskobu (AFM), taramalı tünnelleme mikroskobu (STM) ve taramalı hall aygıtı mikroskobudur (THAM).
STM, AFM ve THAM
STM 1981 yılında Gerd Binnig ve Heinrich Rohrer tarafından İsviçre’de IBM laboratuarlarında icat edildi. Tünelleme mikroskobunun çalışma ilkesi, çok önemli diğer buluşlar gibi aslında oldukça basit. En uç kısmında tek atom kalacak kadar sivriltilmiş bir metal iğne yüzeye yaklaştırılır, iğne yüzeye 0,3–0,4 nm kadar yaklaştığında iğneden elektronlar (iğne yüzeye değmediği halde) atlamaya başlarlar. Tünelleme denen bu olayda geçen akım, yani birim zamanda iğneden yüzeye akan elektron sayısı, iğneyle yüzey arası uzaklığın üstel bir fonksiyonudur. Bu fonksiyon o kadar hızlı değişir ki, iğne yüzeye 0,1 nm daha yaklaştırılsa, tünelleme akımı on kat artar. Bir geri besleme devresi akımı sabit tutmak için sürekli olarak iğneyle yüzey arasındaki mesafeyi korumaya çalışır. İğneyi 0,001 nm duyarlılıkla kontrol etmek için piezoelektrik kristaller kullanılır. Bu malzemeler voltaj uyguladığımızda çok az miktarda uzayıp kısalma özelliğine sahiptir. Bu geri besleme devresi çalışırken biz iğneyi yüzeyde yine piezo malzemelerle tararsak, iğnenin aşağı yukarı hareketi yüzeydeki atomları izleyecektir. Çünkü atomların çevresinde elektron yoğunluğu genellikle daha fazladır. Bir bilgisayar denetiminde çalışan bu mikroskoplarda alınan atomların pozisyon bilgileri, bilgisayarda işlenip, 2 ve 3 boyutta gösterilerek atomlar görünür hale getirilir.
Bu güçlü mikroskoplarla ilk defa atomları yüzeyde tek tek görüntülemek, daha sonra atomları, molekülleri yüzeyde istediğimiz gibi tek tek dizmek, tek atom üzerinde deneyler yapmak ve onlarla futbol oynamak bile mümkün oldu. Bu önemli buluşun mucitleri oldukça kısa bir süre içinde, 1986 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü kazandılar. STM’lerin tek kusuru, yalnızca iletken ve yarı iletken yüzeylerde atomları görüntüleyebilmesiydi ve yalıtkanlarda çalışmıyordu. Binnig bu kısıtlamayı kaldıran değişikliği de yaptığında yıl 1986 idi. Binnig bu sefer ucunda tek atom olan iğneyle yüzey atomları arasındaki kuvveti ölçebilecek kadar duyarlı bir cihaz olan atomik kuvvet mikroskobunu (AFM) geliştirdi. Atomlar arası kuvvetler, kimyasal bağların oluşmasını sağlar. Eğer iki atomu birbirine yaklaştırırsak (örneğin iki oksijen atomu) birbirleri arasında bir çekim kuvveti oluşur ve bir süre sonra oksijen molekülü ortaya çıkar. Atomlar arası kuvvetler hep çekici değildir. Eğer aynı oksijen molekülünü alıp, oksijen atomlarını birbirine doğru yaklaştırmaya çalışırsak, bu sefer birbirlerini itmeye başlayacaklardır. AFM’de ölçülen kuvvetler pikco-newton ile nano-newton düzeyindedir. Bu kadar küçük kuvvetleri ölçmek için, babadan kalma yöntemler (Hooke kanunu F= - kx) biraz da günümüze uyarlanarak kullanılmakta. Sivri iğneler çok küçük silikon yaylar üzerine mikrofabrikasyon teknolojisiyle yerleştiriliyor ve iğneyle yüzey arasındaki kuvvet nedeniyle bükülen yayın sapması, yani kuvvet, genellikle yayın arkasına odaklanan lazer ışığının sapmasının, bir fotodetektör sayesinde çok duyarlı bir şekilde ölçülmesiyle belirleniyor. Bir geribesleme devresi yine STM’deki gibi iğneyle yüzey arasındaki kuvveti sabit tutuyor; iğne yüzeyde taranırken ölçülen iğne hareketi, bize yüzeyin fotoğrafını atomik çözünürlüğe kadar verebiliyor. AFM ile atomik çözünürlük şu anda yalnızca ultra yüksek vakumda elde edilebilmekte. İlkece, atomik çözünürlük atmosferde ve sıvıda da elde edilebilir, fakat mikroskopların kuvvet çözünürlüğü henüz bu iş için tam olarak yeterli değil. AFM’leri sıvıda atomik çözünürlüğe ulaştığı zaman, biyolojide çok büyük bir yenilik getirebilir; protein, DNA vb gibi hayatın temel yapıtaşlarını atom atom incelemek, sonra da değiştirmek belki bir gün mümkün olabilir. AFM’nin başarısı, başka mikroskop çeşitlerinin doğmasına yol açtı. Manyetik kuvvetleri ölçen manyetik kuvvet mikroskopu (MFM), sürtünme kuvvetlerini ölçen sürtünme kuvveti mikroskopu (SFM), optik mikroskopların çözünürlüğünü 10 kat artıran yakın alan optik mikroskopu (YAOM), yüzey sıcaklık mikroskopu (YSM) ve yüzeyin manyetik alan haritasını çıkaran taramalı hall aygıtı mikroskobu (THAM) benzer yöntemler kullanarak geliştirildiler. Bir uçla yüzey arsındaki fiziksel etkileşimi ölçtüklerinden, bu mikroskop ailesine artık taramalı uç mikroskopları (TUM) deniyor.
TUM ailesinin üyelerinden birisi olan taramalı hall aygıtı mikroskopu (THAM), çok küçük bir nano-hall algılayıcısı yüzeye yaklaştırılıp yüzeyde dolaştırıldığında yüzeyin manyetik alan haritasını manyetik alanı etkilemeden ve manyetik alan şiddetini doğrudan ölçerek yapabilmekte. Bu mikroskopla 50 nm’ye kadar çözünürlük elde edilebiliyor ve çok duyarlı manyetik alan ölçümleri yapılabilmekte. Yıllık cirosu dünya çapında yaklaşık 200 milyar dolar olan bilgisayar donanım endüstrisi, kapasite artırımı için malzemelerin manyetik yapılarını her yıl daha küçük boyutlarda üretmek zorunda. THAM, endüstrinin bu ihtiyaçlarına ve bilim insanlarına büyük kolaylık sağlıyor.
Manyetik akı (manyetik alan x yüzey alanı) elektrik yükü gibi tamsayı değerleri alabilen (manyetik akı kuantumu, Φ0=20,7Gauss.μm2) bir fiziksel niceliktir. Elektrik akımına belli sıcaklıklar altında direnç göstermeyen süperiletkenlere manyetik alan uyguladığımızda, manyetik akı örneğe tek akı kuantumları şeklinde girer. Manyetik akının süperiletkenlerde tamsayılı değerler alması gerektiğini 1950’li yıllarda öngören ve 2003 yılında Nobel Fizik Ödülü alan Abrikosov’un adıyla anılan bu akı kuantumuna, manyetik girdap da denir. Çünkü süperiletken içinde, bir ip şeklindeki akı demeti çevresinde dolaşan süperakımlar oluşur. Birbirlerini iten bu girdapları küçücük birer mıknatıs gibi de düşünebiliriz. Manyetik rezonans görüntüleme cihazlarında, MAGLEV trenlerde kullanılan bu süperiletkenlerin daha da kuvvetli üretilebilmesi, bu girdapların dinamiğine ve bağlanmasına bağlıdır. THAM bu girdapları hareket ederken bile gözleyebilir. Geçen 24 yıl içinde TUM’lar, büyük bir araştırma alanı oluşturup diğer bilim dallarına önemli katkılarda bulundular. Nanoteknolojinin gelişmesinde büyük bir kilometre taşı olan TUM’ların potansiyeli hâlâ tam olarak ortaya çıkmamış durumda. Bu alandaki önemli gelişmelerse, bilim ve teknolojinin ilerlemesine vazgeçilmez katkılar sağlayacak. 1987’de Bilkent’te çok küçük bütçelerle başlatılan STM araştırmaları zaman içinde büyük bir gelişme göstererek, AFM ve THAM alanlarına da yayıldı.
Şekil : STM kullanılarak görüntülenen bakır üzerine demir iyonları.
Şekil : AFM kullanılarak görüntülenmiş arsenit.
AFM’nin Özellikleri ve Kullanım Alanları
· Hassas bir iğnenin yüzeyi taramasıyla, yüzeyin yüksek çözünürlüklü 3d görüntüsünü verir.
· Örneğin iletken olma koşulu yoktur.
· Örnek hazırlama ve kullanım kolaylığı ve kapladığı hacim ile SEM’e alternatif bir mikroskopik tekniktir.
· Hava, sıvı, vakum ortamlarında görüntüleme yapabilir.
· Biyolojik örnekler, kaplamalar, seramikler, kompozitler, camlar, membranlar, metaller, polimerler ve yarıiletkenler gibi materyallerin yüzeyleri ayrıntılı görüntülenebilir ve elektriksel yük, manyetiklik, adhesif, hidrofilik davranış gibi çeşitli özellikleri belirlenebilir.
· İğne ucuna immobilizasyon ile moleküller arası çekim kuvvetlerinin ölçülmesi ve moleküler sensör çalışmaları gerçekleştirilebilir.
· Atomik Kuvvet Mikroskobu; nanotıp, nanomakineler ve nanokütüphane işlevi de görür.
· Afm 10 pm çözünürlükte çalışır ve elektron mikroskoplarının aksine hava ve sıvı içinde örneklere bakabilir.
· Yüzey modifikasyonu, modifiye edilmemiş iğneler ile denemeler yapılabilir.
AFM Çalıştırma Yöntemleri
“Contact Mode” yöntemi ilk geliştirilen yöntemdir. Bu modda cantilever’in ucundaki iğneyle yüzey arasında hafif bir fiziksel dokunma vardır. İyonik itme başrol oynamaktadır. Normal havada cantilever ve yüzeyin temasında örnek yüzeyi nitrojen ve su vapurunun ince bir tabakasıyla kaplıdır. Bu yüzey gerilimi yüzünden örnek üzerinde ekstra bir güç oluşturmaktadır. Sıvı içinde alınan örneklerde bu olmamakta birlikte sürtünme hatası ortaya çıkmaktadır.
“Noncontact Mode” yönteminde, AFM atomik kuvvetlerinin yardımıyla cantileverin eğilmesinden örneğe dokunmadan topografik görüntüyü oluşturur. Bunun için iğne örnekten 50–150 Angström uzakta tutulur. Bu uzaklıkta prob (uç) ve örnek arasında Wan der Waals kuvvetleri etkin olmaya başlayacaktır. Bu kuvvetler göreceli olarak zayıf olduğu için iğne saniyede 100000 defa titreşerek bu etkileşimin saptanmasını kolaylaştırır. Bu Yöntemin en büyük avantajı iğnenin hasar görmemesi ve yumuşak materyallerin daha doğru ölçülmesidir.
“Tapping Mode” Cantilever kendi rezonans frekansında osilasyon yapar. Bu osilasyon fotodetektör tarafından ölçülür. Örneğe yaklaştığı zaman yüzeyle etkileşim yüzünden enerji kaybederek probun osilasyon şiddeti azalır. Geri döngü mekanizması bu şiddeti sabit tutmak için yüzeyin üzerindeki probun (ucun) yüksekliğini değiştirir. Buradan bulunabilecek değişim bize etkileşim miktarı hakkında bilgi verecektir.
Son iki yöntem düşük kuvvet uygulanması nedeniyle DNA protein kompleksleri gibi örnekler için daha uygundur.
Cantilever, Fotodetektör, Piezoelektrik Tarayıcı ve Tip
Cantilever; en önemli işi yapan parçalardandır. Yay sabiti 0.001 ve 100 N/m arasında değişir ve genellikle 100–400 mikron uzunlukta ve 0,5–5 mikron kalınlıkta silikon veya silikon nitrit kullanılır.
Fotodedektör; lazer kaynağından yansıyıp gelen ışının pozisyonun belirlenmesini sağlar ve yaklaşık 0,1 angströmlük değişimleri ölçebilir.
Piezoelektrik tarayıcı; cantileverin üstün örneği yâda, cantileverin altında örneği hareket ettirir. X,Y ve Z yönlerinde 0,5–127 mikron çözünürlükte hareket edebilir.
Büyük problar (uçlar) küçük yüzey yapılarında (kalın iğneli bir plağın yivlerinde gezememesi gibi) iyi sonuçlar vermemektedir. Bu yüzden bilim adamları daha ince problar üzerinde çalışmaktadır. Şu özellikler sağlanmalıdır:
· Cantilever çok esnek ve malzemeye uygun olmalıdır.
· İğneler yeterince sivri olmalıdır.
· İğne-örnek pozisyonlaması Yüksek çözünürlükte olmalıdır.
· Güçlü bir geri döngü olmalıdır.
· Fotodetektör duyarlı olmalıdır.
Şekil : STM’nin çalışma prensibi.
Şekil : AFM’nin çalışma prensibi.
Şekil 4.5: AFM iğnesi ile tepkime kontrolü ve nanoteknoloji.
Şekil 4.6: THAM çalışma prensibi.
