Nanoteknolojinin Yeni Yüzü: Grafen

İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü (İYTE) Fizik Bölümü'ünde görevli Yrd. Doç. Dr. Cem Çelebi, 'grafen' çalışmaları hakkında açıklamalarda bulundu.

Grafen çalışmaları hakkında açıklamalarda bulunan Cem Çelebi, "Grafen, tamamı karbon atomlarından oluşan bal peteği benzeri altıgen örgü yapısındaki grafitin tek katmanlı ve iki boyutlu biçimi olarak tanımlanmaktadır. İlk olarak 2004 yılında Manchester Üniversitesi'nden fizikçiler Andre Geim ve Konstantin Novoselov, mikromekanik ayrıştırma olarak bilinen bir yöntemle, tek atom kalınlığındaki grafen tabakasını bir grafit yığınından ayrıştırarak yalıtkan bir yüzeye aktarmayı başarmışlar ve bu malzemede dünyada ilk defa oda sıcaklığında kuantum hall etkisini ortaya çıkartmışlardır. Nature ve Science dergilerinde yayınlanan bu çalışma Geim ve Novoselov'a 2010 yılında Nobel Fizik Ödülü'nü getirmiştir. Grafenin bilim dünyasında bu denli ilgi uyandırmasının altında eşsiz elektronik ve mekanik özelliklere sahip olması yatmaktadır. Tek atom kalınlığındaki grafende, elektrik iletimini sağlayan elektronlar ve boşluklardan oluşan yük taşıyıcıları sanki kütlesiz parçacıklarmış gibi davranmakta ve saniyede yaklaşık 800 kilometre bir hızla hareket etmektedir. Bu elektron ve boşlukların, grafende oda sıcaklığında dahi çok yüksek bir hareketliliğe sahip olması, yüksek hızda işleyen elektronik aygıtların tasarlanması açısından çok önemli bir etkendir. Işığı yüzde 98 oranında geçirmesi, elektriği bilinen en iyi iletken malzemeler olan gümüş ve bakırdan bile onlarca kat daha iyi iletmesi, tek atom kalınlığında olmasına rağmen çelikten 100 kat daha güçlü ve dayanıklı olması, mükemmel iki boyutlu esnek yapısıyla grafeni, özellikle optoelektronik alanında, saydam ve katlanabilir ekran teknolojilerinin geliştirilmesi bakımından büyük ilgi odağı haline getirmektedir" dedi.

"Günümüzün en hızlı ve en küçük transistörü grafenden üretilmiştir. Birkaç dakika gibi çok kısa sürelerde şarj edilebilen ve çok yüksek kapasitede enerji depolayabilen grafen tabanlı lityum iyon pilleri üzerine çalışılmaktadır. Aynı zamanda akıllı telefonlar ve taşınabilir bilgisayarlar vb. cihazlarda kullanılacak, grafen tabanlı mikron altı boyutlardaki süper kapasitörlerin, nanoantenlerin önümüzdeki yıllarda hayatımıza girmesi beklenmektedir" diyen Çelebi, sözlerini şöyle sürdürdü:

"Dünyada, tek katman grafenin elde edilebilmesi için bazı yöntemler geliştirilmiştir. Bunlar, bir SiC tabanı üzerinde epitaksiyel büyütme, kimyasal buhar çöktürme ve grafitten mekanik ayrıştırma ile grafen üretimi şeklinde sıralanabilir. Son iki yöntemle elde edilen grafen tabakaları mutlaka bir bant veya polimer gibi bir aracı taşıyıcıyla SiO2 veya Al2O3 gibi yalıtkan bir hedef tabana aktarılmak durumundadır. Fakat transfer sonrasında ya birkaç mikron gibi çok küçük boyutlarda ya da çok yüksek yoğunlukta safsızlığa sahip ve homojen olmayan grafen parçaları elde edilebilmektedir. Bu nedenle, oldukça geniş bir yasak enerji bandı aralığına sahip yarıiletken bir malzeme olan silikon karbür (SiC) tabanı üzerinde, grafenin epitaksiyel olarak üretilmesi yöntemi, hem büyük boyutlarda grafen elde etmek için hem de mevcut silikon tabanlı elektronik aygıt üretim teknolojilerine uyarlanabilirliği bakımından çok daha elverişlidir. İYTE Fizik Bölümü'nden Nanofizik Araştırma Grubu olarak, TÜBİTAK destekli projeler ile grafen ve Silisen, MoS2 gibi grafen benzeri tek atom kalınlığındaki iki boyutlu malzemelerin elde edilmesi, karakterizasyonu ve bu malzemelerden elektronik aygıtların tasarımı ve üretimi üzerine çalışmalarımızı sürdürmekteyiz. Araştırmalarımız kapsamında mikromekanik ayrıştırma ve ultra yüksek vakumda epitaksiyel büyütme yöntemlerini kullanarak yüksek kalite ve saflıktaki grafen örnekleri başarıyla üretilebilmektedir. Elde edilen örneklerin yapısal ve morfolojik özelliklerini belirlemek için Raman spektroskopisi, optik mikroskop, atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve taramalı tünelleme mikroskobu (STM) ölçümleri yapılmaktadır. Grafen örneklerinin kuantum elektronik taşınım özellikleri, bölümümüz temiz oda altyapısı kullanılarak, grafen tabakalarının fotolitografi yöntemiyle işlenmesiyle imal edilen, mikrometre boyutlarındaki hall aygıtları üzerinden gerçekleştirilmektedir. Çok düşük sıcaklıklarda gerçekleştirdiğimiz (yaklaşık -270°C) Kuantum taşınım ölçümleri, grafende elektriksel iletkenliği sağlayan elektronlar ve boşlukların davranışları hakkında çok detaylı ve çarpıcı bilgiler vermektedir. Bu kapsamda, Manchester Üniversitesi'nden Prof. Andre Geim ve ekibi ile ikili işbirliği çerçevesinde başlattığımız yeni bir çalışmayla, araştırma grubumuz iki boyutlu nanoyapılar laboratuvarında üretilen ve bir dizi kimyasal işlemle fonksiyonel hale getirilmiş grafen örneklerinde süper iletkenlik özelliklerin belirlenmesi araştırmalarına başlanmıştır."

Çelebi, açıklamalarını şöyle tamamladı: "Laboratuvarımızda kurulumunu tamamladığımız ve 10-10 mbar basınç düzeyine inebilen bir ultra yüksek vakum (UHV) epitaksiyel grafen büyütme sistemi yardımıyla, dünyada sadece birkaç araştırma grubu tarafından uygulanabilen, yüzeyden silikon atomu kopartma yöntemiyle, tek atom kalınlığındaki homojen grafen örnekleri, bir SiC yarı iletken kristali yüzeyinde büyütülebilmektedir. Bu işlemde SiC yarıiletkeni yaklaşık 1500 °C gibi çok yüksek bir sıcaklığa ısıtılmakta ve bu sıcaklıkta SiC yüzeyinden kopan silikon atomları vakum ortamına salınmaktadır. Yüzeyden kopan her bir silikon atomuna karşın taban yüzeyinde bir karbon atomu kalmakta ve geride kalan karbon atomları altıgen örgülü, süper simetrik ve homojen grafen yapısını oluşturmaktadır. Bu yöntemle elde ettiğimiz tek atom kalınlığındaki grafenlerden, yüksek hassasiyetli kimyasal ve optik algılayıcılar, süper kapasitörler, saydam elektrotlar gibi mikroelektronik ve optoelektronik endüstrisinin büyük ilgisini çekebilecek aygıtların tasarım ve üretim çalışmalarına başlanmıştır. Bu aygıtların, yüksek manyetik alan altında, krayojen sıcaklıklardan oda sıcaklığına (- 270 °C - 25 °C) kadar geniş bir sıcaklık aralığında elektronik özelliklerinin belirlenmesi ve bu özelliklerden yararlanarak, ülkemizin ihtiyaç duyduğu katma değer potansiyeli yüksek grafen tabanlı yeni teknolojilerin geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Bu kapsamda İYTE Fizik Bölümü'ndeki İki Boyutlu Nanoyapılar Laboratuvarımız ve temiz oda altyapısı kullanılarak epitaksiyel grafenler üzerine mikron boyutlarında Hall aygıtları üretilmektedir. Bu aygıtlar yardımıyla grafenin elektronik yapısını araştırmak için kuantum taşınım deneyleri gerçekleştirilmektedir. Grafenin kuantum taşınım özelliklerinin belirlenmesine yönelik yapılan ölçümler -270 C gibi bir sıcaklıkta ve yüksek manyetik alanlar altında gerçekleştirilmektedir." - İZMİR