balıkesir Üniversitesi - 1,3-bis-(p-iminobenzoik asit)indan...
TRANSCRIPT
1,3-bis-(p-iminobenzoik
asit)indan Langmuir-Blodgett
filmlerinin karakterizasyonu ve
organik buhar duyarlılığı
MURAT EVYAPAN*, RİFAT ÇAPAN*,
HİLMİ NAMLI**, ONUR TURHAN**,GEORGE STANCİU***
*Balıkesir Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü, 10100 Balıkesir, Türkiye,
**Balıkesir Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Kimya Bölümü, 10100 Balıkesir, Türkiye,
***University “Politehnica” of Bucharest, Department of Physics, Bükreş/Romanya
O Langmuir-Blodgett ince film üretimi
o Langmuir özellikleri
o Film transfer işlemi
O Filmlerin karakterizasyonu
o Deposition grafiği
o UV-görünür spektrumu
o Atomik kuvvet mikroskobu (AFM)
o Kuartz kristal mikrobalans (QCM)
O Organik buhar işlemi
o Kuartz kristal mikrobalans (QCM)
O LB film tekniğinde üretilen ince film tabaka sayısı kesin olarak kontrol
edilebilir.
O LB film tekniği kullanılarak üretilen ince filmlerin, üretimi basit ve
maliyetleri düşüktür.
O LB film tekniğinde kalınlığı nanometre mertebesinde simetrik veya simetrik
olmayan ince filmler üretilebilir.
Langmuir-Blodgett (LB) İnce Film Tekniği
O Langmuir-Blodgett (LB) ince film tekniğinde, su-hava ara yüzeyinde yüzen
organik moleküller katı bir yüzeye transfer edilerek ince film oluşturulur. Elde
edilen ince filmler LB filmleri olarak adlandırılır.
O LB ince film üretiminde kullanılan moleküller amfifilik moleküller olup iki kısımdan oluşur. Moleküllerin kafa kısmı olarak adlandırılan hidrofilik (suyu-seven) grup ve molekülün kuyruk kısmı olarak adlandırılan hidrofobik (suyu-sevmeyen) gruplara sahip moleküller monolayer maddesi olarak kullanılır.
LB Film Maddeleri
Langmuir-Blodgett İnce Film Teknesi
NIMA LB Trough 622 type
Moleküllerin su yüzeyine serpilmesi
Moleküllerin su yüzeyindeki davranışı
O Moleküllerin su yüzeyi üzerindeki davranışlarının aydınlatılması onlardan
düzenli yapıya sahip yüksek kalitede LB ince film üretimi için gerekli ilk koşuldur.
O Bariyerler kapatıldıkça su yüzeyindeki
moleküller birbirine yaklaşır ve yüzey
basıncının artmasına sebep olur.
Moleküllerin birbirine yaklaştığı ve basıncın
arttığı bu durum sıvı faz durumudur.
O Moleküllerin su yüzeyi üzerinde
birbirlerinden uzak dağıldığı ve
etkileşmelerinin küçük olduğu duruma gaz
fazı denir.
O Katı faz durumundan sonra
bariyerlerin daha fazla kapatılması
düzenli yapının bozulmasına neden
olur. Bu durum dağılma (collapse)
durumu olarak bilinir.Bu durumda LB
filmi üretimi mümkün değildir.
O Su yüzeyindeki moleküller
sıkıştırılmaya devam ederse moleküller
arası etkileşmeler hızlı bir şekilde artar.
Yüzey basıncının hızlı bir şekilde
artmasına karşın, yüzey alanının sabit
kalması su yüzeyi üzerinde düzenli ince
tabaka oluştuğunun göstergesidir ve
katı faz olarak adlandırılır. LB film
genellikle bu fazda üretilir.
Moleküllerin su yüzeyindeki davranışı
İzoterm Grafiği
O Su yüzeyi üzerindeki moleküllere ait yüzey basınç-alan grafiğine izoterm grafiği adı
verilir. İzoterm grafiği yardımıyla moleküllerin su yüzeyi üzerindeki davranışlarının
incelenmesine de moleküllerin Langmuir özellikleri denir.
Langmuir-Blodgett (LB) İnce Film Transferi
O Langmuir-Blodgett (LB) ince filmleri, su yüzeyinde yüzen ince
film tabakalarının katı bir yüzey (cam, kuartz kristal, plastik vb.)
üzerine transfer edilmesi ile elde edilir.
Tek tabaka transferi
Hidrofilik (suyu seven) yüzey Hidrofobik (suyu sevmeyen) yüzey
Langmuir-Blodgett (LB) İnce Film Transferi
Tek tabaka transferi
Langmuir-Blodgett (LB) İnce Film Transferi
Çok katlı film üretimi
O Çok katlı Langmuir-Blodgett ince filmi, tek katlı tabakanın
transfer işleminin tekrarlanması yolu ile üretilir.
Langmuir-Blodgett (LB) İnce Film Transferi
Çok katlı film üretimi
X-Tipi LB filmi
Y-Tipi LB filmi
Langmuir-Blodgett (LB) İnce Film Transferi
Çok katlı film üretimi
Z-Tipi LB filmi
AL-Tipi LB filmi
Bu çalışmada gaz sensör uygulamalarında kullanılabileceği
tasarlanan, 1,3-bis-(p-iminobenzoik asit)indan maddesi
kullanılmıştır.
DENEYSEL KISIM
1,3-bis-(p-iminobenzoik asit)indan maddesinin
Langmuir özellikleri incelenmiştir.
o Kuartz kristal
Uygun basınç altında transfer işlemi gerçekleştirilmiştir.
> LB filmlerinin transfer edildiği katı yüzeyler:
o Cam slayt
Üretilen LB filmlerinin karakterizasyonu
> Deposition grafiği
> UV-görünür spektroskopisi
> Atomik kuvvet mikroskobu (AFM)
Cam slayt
Kuartz kristal
> Deposition grafiği
> Kuartz kristal mikrobalans sistemi (QCM)
Organik Buhar İşlemi
> Kuartz kristal mikrobalans sistemi (QCM)
421623 ONHC
Maddenin adı
Verilen kod
Molekül ağırlığı
(g/mol)
Kimyasal formülü
1,3-bis-(p-iminobenzoik asit)indan
HN29
384
Kullanılan Madde
Kullanılan
madde
Kullanılan
çözücü
Madde
miktarı
(mg)
Çözelti
miktarı
(ml)
Konsantrasyon
Oranı
(mg/ml)
Yüzeye
serpilen
miktar
(l)
HN29
Kloroform+metanol
~5
~10
~0,5
~500
0
5
10
15
20
25
30
35
0 100 200 300 400 500
Alan, A (cm 2)
Yü
zey G
eri
lim
i. P
(m
N m
-1)
)( 1mmN
)( 2cm
HN29 Gaz fazı Sıvı faz Katı faz Collapse
(Dağılma)
Yüzey gerilimi ~0-1 ~1-18 ~18-30 >30
Yüzey alanı ~500-250 ~250-150 ~150-115 <115
• Tipik bir LB film maddesi
gibi dört faz geçişi de
gözlenmektedir. Bunlar
sırasıyla gaz, sıvı, katı ve
dağılma (collapse) fazlarıdır.
İzoterm Grafiği
• Bu çalışmada LB film
üretimi katı faz aralığında
gerçekleştirilmiştir.
• Bu değer 1,3-bis-(p-
iminobenzoik asit)indan
maddesi için 22,5 mN/m
olarak tespit edilmiştir.
80 100 120 140 160 180 200 220 240
Alandaki azalma, (cm2)
Su
bst
rate
pozi
syon
u
ab
ab
a
b
a
b
a: kaplamanın başlangıcı
b: kaplamanın bitişi
Transfer grafiğinde dikkat edilmesi gereken şekiller arasındaki benzerliktir. Bu
grafikte alandaki her azalma bir tabaka sayısına karşılık gelir. Bu azalmaların birbirine
olan benzerlikleri tabakaların düzenli olduğu anlamına gelmektedir. Şekilde HN29
maddesine ait birbirinin çok benzeri olan dört tane tabaka transferi görülmektedir.
Film Transfer (Deposition) İşlemi
Cam Yüzey
Film Transfer (Deposition) İşlemi
Kuartz Yüzey
234 235 236 237 238 239 240 241 242 243
Alandaki azalma, (cm2)
Kuart
zın p
ozi
syonu
a
b
c
Şekilde kuartz yüzey üzerine iki tabaka LB ince filmine ait transfer grafiği
gösterilmektedir.
UV-görünür Spektroskopisi Sonuçları
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Dalga boyu, l , (nm)
Abso
rbsi
yon ş
iddeti
314 nm
382 nm
590 nm
0
0,04
0,08
0,12
250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Dalga boyu, (nm)
Abso
rbsi
yon
Şid
deti
5 tabaka
10 tabaka
15 tabaka
Kuartz kristal mikrobalans sisteminde
metal elektrotlar uygun bir elektronik
devreye bağlandığında kuartzın
piezoelektrik özelliğinden dolayı belli bir
frekans ile rezonans yapar. Rezonans
frekansı denilen bu frekans, elektrotların
alanına ve kuartz kristalin kalınlığına
bağlıdır ve çok küçük kütle değişimlerine
bile duyarlıdır.
Kuartz Kristal Mikrobalans (QCM) Sonuçları
Bu tekniğin, çok küçük kütle değişimlerine hassas olması onun, çok katlı LB
filminin üretilebilirliği ve yapılarının tabaka kontrolü için de kullanılmasına olanak
sağlar.
LB filmlerinde rezonans frekansı değişimi (Df), kuartz kristal üzerine transfer
edilen tabaka sayısına (N) bağlıdır.
Δf N
QCM Sonuçları
Bu grafikteki lineer ilişki, kuartz kristal üzerine her bir tabakada eşit kütle kaplandığını
göstermektedir.
Atomik Kuvvet Mikroskobu
(AFM) Sonuçları
HN29 maddesi ile cam yüzey üzerine üretilen LB filmlerinin yüzey morfolojisi
atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak incelenmiştir. Farklı tabakalarda üretilen LB
filmlerinin AFM görüntüleri alınarak filmlerin düzeni ve tabaka sayısı ile değişen
kalınlık miktarı incelenmiştir.
AFM ölçümleri incelendiğinde üretilen LB filmlerinin düzgün, boşluksuz ve
uniform olduğu görülmektedir.
AFM ölçümlerinden elde edilen sonuçlarda film kalınlığının tabaka sayısı arttıkça
lineer olarak arttığı görülmüştür.
15 Tabaka LB filmi
Organik buhar işlemi
HN 29 maddesi ile QCM kristali üzerine üretin LB filminin çeşitli organik
buharlara karşı tepkisi ölçülmüştür.
Kullanılan organik buharlar: Benzen (C6H6), Toluen (C7H9), Etil alkol
(C2H5OH) ve İzopropil alkol (C3H8O)
Grafikte zamana bağlı frekans değişimi gösterilmektedir. 2 dakikalık
periyotlarla arka arkaya ortama organik buhar ve daha sonra hava verilmiştir.
HN29 maddesi ile üretilen LB filminin benzen buharına karşı diğer organik
buharlardan daha hassas olduğu görülmüştür. Benzen buharına verilen tepki, bu
buharın frekansta meydana getirdiği değişim diğer organik buharlara oranla daha
fazladır.
HN29 maddesi ile üretin LB filmi tüm organik buharlara karşı çok hızlı tepki
vermektedir. Aynı zamanda ortama hava verildiğinde sistem eski halini
almaktadır. Buda sistemin geri dönüşümlülüğünü göstermektedir.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 120 240 360 480 600 720
Zaman, t, (s)
No
rm
ali
ze f
rek
asn
tepk
isi
Benzen
Toluen
İzopropil alkol
Etil alkol
Bu çalışma
Characterization of a Novel 1,3-Bis(p-iminobenzoic acid)indane Langmuir-
Blodgett Film for Organic Vapor Sensing
R. Çapan, M. Evyapan, H. Namlı, O. Turhan, G. A. Stanciu
ismiyle
“Journal of Nanoscience and Nanotechnology” dergisince 2005 yılında basılmak
üzere kabul edilmiş ve şu an basımdadır.