Düşük Maliyetli Taramalı Tünelleme Mikroskobu

Ahmet Çağrı Arlı, Furkan Karaaslan, Celal Zaim Çil, Göknur Cambaz Büke, Ziya Burhanettin Güvenç, Çankaya Üniversitesi, Öğretmenler Cad. No:14, Yüzüncüyıl 06530 Balgat, Ankara, Türkiye,

cagriarli@gmail.com, furkankrsln@gmail.com, czaimcil@cankaya.edu.tr, goknur@cankaya.edu.tr,guvenc@cankaya.edu.tr,

Münir Dede, Nanomanyetik Bilimsel Cihazlar, Hacettepe, Teknokent, Ankara, Türkiye, Munir.dede@nanomagnetics-inst.com

A. Mithat Ertuğ, EMGE, Ahi Evran Cad. 1211. Sk. No.14, 06370 Ostim, Ankara, Türkiye, mithat@emge.com.tr

İletken malzemelerin yüzeylerini incelemek üzere düşük maliyetli bir taramalı tünelleme mikroskobu (TTM) geliştirilmiştir. TTM bir iletken uç ile iletken bir malzemenin yüzeyi arasında oluşan tünelleme akımının kontrolü ve ölçümü ile yüzeyin karakterizasyonunu sağlayan bir ölçüm sistemidir. İletken uç ile yüzeyi taranacak örnek malzemenin kaba yaklaştırması mekanik ve elektromekanik yöntemlerle yapılmakta daha sonra örnek yüzeyinin uç tarafından taranması için piezoelektrik dönüştürücüler kullanılmaktadır. TTM’yi oluşturan Manyetik alan kuvveti kullanan mekanik bir kaba yaklaştırma sistemi, hassas yaklaştırma ve taramayı sağlayan piezoelektrik dönüştürücülü elektromekanik sistem, iletken ucun tarama yapmasını sağlayan ve tünel akımını kontrol eden elektronik devreler, elde edilen verileri sayısal işarete dönüştürüp, bunları bilgisayarda analiz eden ve değerlendirip sergileyen arayüz ve ilgili yazılımlar geliştirilmiştir.

Anahtar kelimeler: Taramalı tünelleme mikroskobu, tünel akımı, yaklaştırma sistemi, piezoelektrik dönüştürücü

1. Giriş

Taramalı tünelleme mikroskobu (TTM) yüzey arazi bilgisini nanometre seviyesinde görüntüleyebilen birmikroskop çeşididir. Gerçek anlamıyla bir mikroskop olmayıp, direk görüntü alınması mümkün olmayan, yüzey arazi bilgisinin tarama ve değer işleme yöntemleri ile oluşturulduğu bir sistemdir [1]. İlk Taramalı tünelleme mikroskobu Binning ve Rohrer tarafından 1982 yılında üretilmiş ve kullanılmıştır. Bu başarımucitlerine 1986’da Nobel Fizik Ödülünü kazandırmıştır [2].

Taramalı tünelleme mikroskobunda tarayıcı üzerine yerleştirilen metal uç (Pt-Ir) ile yüzey bilgisi elde edilmek istenen örnek arasında bir gerilim (voltaj) oluşturulur. Uygulanan bu gerilim sayesinde uçtan örneğe bir elektron geçişi sağlanır ve bunun sonucunda bir tünel akımı oluşur. Tünel akımı kullanılarak yüzeyin arazi bilgisi (topoğrafyası) elde edilir. Tünel akımı örnek ile uç arasındaki mesafeye bağlı olduğundan yüzey üzerindeki tepe ve çukurlar görülebilir. Yüzey topoğrafyası incelenecek örnek ile tarama ucu arasında bir tünel akımı akabilmesi için örneğin iletken bir malzeme olması gerekir. Bu nedenle TTM sadece iletken örneklerin yüzey arazi yapısını incelemekte kullanılır. Yalıtkan örneklerin topoğrafyası ise atomik kuvvet mikroskobu ile incelenebilir [3].Yaklaştırma mekanizması örnek ile uç arasında tünel akımının başladığı mesafeye kadar örneği uca yaklaştırır. Buna kaba yaklaştırma denir. Bu nanometre mertebesinde olan yaklaşmayı gerçekleştirmek içinadımlayıcı motorlar, mikro hareket ettiriciler, manyetik sürücüler kullanılabilir. Kaba yaklaştırma sonunda tünel akımı elde edilince bu defa uç piezoelektrik dönüştürücüler tarafından hareket ettirilerek örneğin seçilen bir bölgesinin (pencere) yüzeyi hassas olarak taranır.İstenilen örnek yüzey penceresinin taranması amacıyla tarama ünitesinde x ve y eksenlerinde hareket için gerekli sinyaller üretilir. Bu sinyaller piezoelektrik dönüştürücüye aktarılarak ucun x-y yönlerinde hareketetmesi sağlanır. Nanoamper-pikoamper seviyesinde olan tünel akımının elektriksel gürültüden etkilenmemesi için bu akım bir ön yükselteç devresinde kuvvetlendirilir.

Genel olarak TTM’ler iki ayrı modda çalıştırılabilir:

Sabit yükseklik modu

Sabit akım modu.

Sabit yüseklik modunda uç yüzeye belirli bir mesafede tutulur ve elde edilen tünel akım değerleri kaydedilir.Bu akım değerleri yüzeyin arazi bilgisi hakkında bilgi verir. Yüksek akımda uç malzemeye daha yakın olur yani yüzeyde bir yükselti vardır. Düşük akımda ise uç yüzeye daha uzak olur yani yüzeyde bir çukur vardır. Bu modda yapılan ölçümlerde, yüzeyi olabildiğince düz olan malzemelerin seçilmesi gerekir. Aksi halde yükseltileri 5-10 Å’dan daha fazla olan yüzeylerde ucun çarparak kırılması kaçınılmaz olacaktır .Bu modelde z kontrolü (ucun örneğe yaklaşıp uzaklaşması hareketi) uygulanmaz. Bu sayede tarama işlemi daha hızlı gerçekleşir.

Sabit akım modundaki ölçümlerde geribesleme ünitesi, tarayıcı yüzey tarama işlemini gerçekleştirirken, tünel akımını sabit tutar. Yüzeydeki arazi değişimlerine göre ucu z ekseni yönünde hareket ettirecek uygun bir sinyal piezoelektrik dönüştürücüye uygulanır, böylece uç z kontrolü vasıtası ile yüzeye yaklaştırılır veya uzaklaştırılır ve geçen tünel akımının sabit kalması sağlanır. Bu durumda ucu yüzeye yaklaştırıp uzaklaştıran z kontrol sinyaline ait değerler her bir ölçüm alınan noktada (piksel) kaydedilir. Z kontrol verileri yüzeyin arazi bilgisine göre değişir. Yani tünel akımını sabit tutmak için, yüzeyde çıkıntı varsa uç geri çekilir, yüzeyde çukur varsa uç ileri hareket ettirilir.Her iki modda da yüzeyin topografyası elde edilir. Sabit yükseklik modunda her bir piksele karşı gelen akım değeri, sabit akımda ise her bir piksele karşı gelen z-kontrol gerilimi değeri yüzey topoğrafyası hakkında bilgi verir.Bu çalışmada laboratuvarda kullanılabilecek düşük maliyetli bir TTM tasarlanmış, bir İskoç izole bandı kullanılarak inceltilen grafin örneğin yüzey arazi bilgisinin bu TTM ile incelenmesi hedeflenmiştir.

2. TTM Tasarımı

Tasarım dört ana bölümden oluşmaktadır. Bunlar Tünel Akımının Kontrolünü Sağlayan Altsistem, x-y Yönündeki Taramayı Sağlayan Altsistem, Kaba Yaklaştırma Altsistemi ve verileri alıp bunları işleyerek bir bilgisayar ekranında sergileyen İnsan Makine Arayüzü Altsistemidir.

2.1 Tünel Akımının Kontrolünü Sağlayan AltsistemTünel akımı nanoamper-pikoamper seviyelerinde olduğu için düşük giriş kutuplama akım değerleri pikoamper seviyesinde olan işlemsel yükselteçlerin (op-amp) tünel akımı-gerilim dönüşümü için kullanılması uygun olacaktır. Piyasadan kolaylıkla temin edilebilen LM11C (17pA), LF356 (30pA) , CA3140 (10pA) gibi işlemsel yükselteçler bu amaçla kullanılabilir. Tünel akımı çok çok küçük olduğundan ve elektriksel gürültüden çok kolay etkilenebildiğinden akım-gerilim yükselteci-çevirici devresi ölçüm alınan noktaya yakın konulmalı ve sinyal bir eşeksenli (coaxial) kablo ile uçtan alınmalıdır [4].

Şekil 1: Tünel akımını gerilime dönüştüren ön yükselteç devresi [3]

Eşeksenel kablonun iç kısmı işlemsel yükseltecin faz çeviren girişine, dış kısmı toprağa ve faz çevirmeyen girişine bağlanmalıdır.Kontrol ünitesi geri beslemeyi gerçekleştirmek için kurulmuştur. Devre, bütünleme (integrator) ve fark(differential) devrelerinden oluşur. Uçtan alınıp yükselteç tarafından üretilen tünel gerilim sinyali daha önceden belirlenen bir referans sinyalinden çıkarılarak fark sinyali oluşturulur. Fark sinyali pozitif ise hareket geriye (yüzeyden uzağa) doğru, fark sinyali negatif ise hareket yönü ileri (yüzeye doğru) doğru gerçekleşir.Bütünleme devresi oluşturulan sinyalin kararlı bir hale dönüştürülmesini sağlar.

Şekil 2: Tünel akımının sabit kalmasını sağlayan z-kontrol devresi

Şekil 1’ deki ön yükselteç devresinde tünel akımı yükseltilip gerilime dönüştürülür ve bu sinyal Şekil 2’de verilen kontrol devresinin girişine uygulanır. Kontrol devresinin çıkışında üretilen gerilim de ucu z yönünde hareket ettiren piezoelektrik dönüştürücünün uygun terminaline uygulanır. Kontrol devresi tünel akımı azaldıkça piezoelektrik çeviriciyi z yönünde hareket ettirecek gerilim sinyalini artırır ve ucun örneğe yaklaştırılmasını sağlar.

Kontrol devresinin istenilen şekilde çalışıp çalışmadığının testi ve doğrulanması bir benzetim yapılarakgerçekleştirilmiştir. Bu benzetim ışık yayan bir diyodun (Light Emitting Diode-LED) aynı zamanda foto-diyot olarak da kullanılabilme özelliğinden faydalanarak oluşturulmuştur [5]. LED’lerden birisi iletim yönünde kontrol devresinin çıkışına (z kontrol), diğeri ters yönde kutuplanarak tünel akımı benzetimi için kontrol devresinin girişine bağlanmıştır. LED’lerin biri ışık vermekte diğeri de fotodiyot gibi ondan ışık geldiğinde bunu hissetmekte ve uygun dalga boyundaki bu ışığın şiddeti ile orantılı bir elektrik akımı (fotoakım) üretmektedir. Düzenek LED’lerin birbirini doğrusal olarak görebileceği ve fotodiyot olarak kullanılan LED’in üzerinde bulunduğu bölümün hareket ettirilebileceği bir mekanik sistem üzerinekurulmuştur. Bu benzetimde fotodiyot olarak kullanılan LED’de oluşan nanoamper seviyesindeki akım tünelakımına, bu LED’in ışık yayan diyot modundaki LED’e yaklaşacak-uzaklaşacak şekilde ileri-geri hareketi arazi bilgisi alınacak yüzeydeki tepe ve çukurlara, ışık yayan diyoda iletim yönünde uygulanan gerilim ise TTM’deki piezoelektrik dönüştürücüye ucu z yönünde hareket ettirmesi için uygulanan z kontrol sinyaline karşılık gelmektedir. Işık yayma modunda iletim yönünde kutuplanan LED’e uygulanan z-kontrol sinyali küçüldüğünde yani bu LED fotodiyot olarak ters yönde kutuplanan LED’den uzaklaştırıldığında, fotodiyot LED’in aldığı ışık şiddeti azalacak ve bunun sonucunda ürettiği fotoakım (yani tünel akımına karşı gelen akım) azalacak ve kontrol devresi sabit akım için kurulduğundan, tarama ucu z yönünde örneğe yaklaşacak,yani LED modunda iletim yönünde kutuplanan LED’e uygulanan gerilim artacak ve bu LED’in parlaklığı artarak daha yüksek şiddette ışık vermeye başlayacaktır. Bu şekilde ucun z yönündeki ileri geri hareketinin Şekil 1 ve Şekil 2 deki devreler tarafından doğru olarak kontrol edildiği test edilmiş ve doğrulanmıştır. Bu benzetimin yapıldığı devrenin şeması Şekil 3’te verilmiştir.

Şekil 3: TTM’nin z-kontrolünun test ve doğrulanmasını sağlayan devre

2.2. X-Y Yönündeki Taramayı Sağlayan AltsistemUcun üzerine yapıştırılacağı tarama kafası için piyasada kolayca ve bol miktarda bulunan, düşük maliyetli elektrikli zil olarak adlandırılan, pul şeklinde tek eksenli piezoelektrik dönüştürücü (buzzer) kullanılmıştır. Buzzer hareket için yüksek gerilim (100V’dan büyük) uygulanması gereken piezoelektrik tüpün aksine, artı ve eksi yönde en çok 15V’luk gerilim ile çalışabilir. Buzzer, her 1V gerilim başına 200 nm’lik hareket (bükülme) yeteneğine sahiptir [6]. Yüzey arazi bilgisinin, ucu x ve y yönlerinde hareket ettirerek elde

edilebileceği düşünüldüğünden, buzzerın bu hareketi yapabilmesini sağlamak üzere buzzerı 4 eş parçaya bölecek sınırlar çizildikten sonra belirlenen bu bölümlerdeki piezoelektrik malzeme, bulunduğu metal yüzey üzerinden matkapla dönen aşındırıcı uçla kazınmıştır (Şekil 4).

Şekil 4: 4 eş parçaya bölünmüş pul piezoelektrik dönüştürücü (buzzer)

Bu şekilde buzzer üzerindeki piezoelektrik kısım 4 eş parçaya bölünmüştür. Bu dört bölümün ortasına her birine eşit şekilde oturacak bir kaide üzerine yerleştirilmiş olan tarama ucu yapıştırılır. Şekil 5’te görüldüğü gibi bu durumda 4 bölüme uygulanan uygun gerilim kombinasyonlarıyla ucun hareketi sağlanır.

Şekil 5: 4 eş parçaya bölünmüş pul piezoelektrik dönüştürücü ve hareketi

Uç buzzer üzerine her bir parça üzerinde eşit bir alan üzerine oturacak şekilde yapıştırılmıştır. x ve y sinyalleri karşılıklı olarak ters yönde eş parçalara uygulandığında uç sağa sola, yukarı aşağı hareket ederken, 4 eş parçanın hepsine birden aynı yönde gerilim uygulanırsa uç ileri geri (z yönünde) hareket eder.

Buzzer 4 eş parçaya bölündükten sonra tarama sinyalleri üretilmeden önce, öngörülen hareketinin (doğrusal hareket) istenilen şekilde olup olmadığı bir lazerle test edilmiştir. Belli bir açıdan buzzerin tam ortasına tutturulmuş aynaya gönderilen lazer ışını 3-4m uzaktaki bir duvar üzerine yansıtıldıktan sonra buzzerazamana göre genliği üçgen ve kare şeklinde değişen gerilimler uygulanarak buzzer hareketinin varlığı, yönü, miktarı ve doğrusallığı gözlemlenmiştir. Gözlem sırasında lazer, buzzer ve yansıtıcı yüzey kısımları sabitlenerek titreşimler engellenmiştir.

Örnek üzerinde yüzey topoğrafya bilgisi alınmak istenen bölgenin (pencerenin) boyutlarının 3,2 µm x 3,2 µm olmasının uygun olacağı belirlenmiştir. Bu boyutların seçilmesinde etkili olabilecek etmenlerden birincisi buzzerın birim gerilim başına hareket miktarı, ikincisi buzzera uygulanacak x ve y yönündeki tarama sinyallerini sayısal olarak üretmek üzere kullanılan sayısal–analog çeviricinin (DAC) çözünürlüğü, üçüncüsü ise ölçüm ucunun boyutlarıdır. Çalışmamızda kullanılan piezoelektrik dönüştürücünün ölçüm ucunun uygulanan her 1V gerilim başına çok büyük adımları (200nm) olduğu düşünüldüğünde, üçüncü etmenin etkisi olmadığı kabul edilmiştir.

Belirlenen pencerenin x ve y yönlerinde taranabilmesi için, bu iki yönde taramayı sağlayabilecek birbirine bağımlı olarak belirli bir şekilde zamana göre değişen eş zamanlı iki farklı sinyalin üretilmesi gerekmektedir. Genelde TTM’lerde x-y yönlerinde tarama elde etmek için kullanılan üçgen veya testere dişi sinyallerinden farklı olarak, geliştirdiğimiz sistemde tarama ucunun izlemesi istenen yol önceden belirlenmiş (Şekil 6), x ve y yönleri için kullanılacak sinyaller bu taramayı sağlayacak şekilde alanda programlanabilir bir kapı dizisi (field programmable gate array-FPGA) kullanılarak sayısal olarak oluşturulmuş ve bir sayısal analog dönüştürücü (digital to analog converter-DAC) (DAC0800) vasıtası ile analog sinyallere dönüştürülmüştür. Bu şekilde tarama sinyallerinin istenildiği şekilde oluşturulabilmesi, gerektiğinde kolayca değiştirilebilmesi mümkün hale getirilmiştir.

Şekil 6: Örnek üzerinde belirlenen pencerenin taranması (tarama yolu)

Kaba yaklaştırma altsistemi ile örnek tünel akımı oluşuna kadar tarama ucuna yaklaştırılır. Bu sırada tarama sinyalleri başlatılmamıştır. Tünel akımı oluştuğu andaki ucun yeri, taranmak istenen pencerenin tam ortası olarak belirlenir ve ortası bu nokta olan 3.2 µm x 3.2 µm’lik pencereyi Şekil 6’dakine uygun olaraktarayabilecek olan ürettiğimiz tarama sinyalleri başlatılır. Tarama için öngörülen yol Şekil 6’da ve bu yolun alınmasını sağlayacak sinyaller Şekil 7’de gösterilmiştir. Bu şekilde tarama ucunun her yöne eşit şekilde eğilerek tarama yapması ve piezoelektrik dönüştürücünün doğrusal bir tarama yapması hedeflenmiştir.

Şekil 7: Sayısal olarak üretilip analoga çevrilen ve örnek üzerindeki pencereyi Şekil 6’daki yönteme göretarayacak olan x-y (satır-üstteki resim ve sütun-alttaki resim) tarama sinyallerinin sayısal osiloskop ekranında

elde edilen görünümleri

Şekil 7’de görüldüğü gibi, x sinyali yükselirken y sinyali sabit kalmıştır. Böylece satır taranmış, bir yöne doğru 1.6 µm gidildiği zaman x sinyali sabit kalmış ve satır atlanmış, bu sayede tarama ucu bir satır aşağıya inmiştir. Satır uzunluğu (x yönünde) 3.2 µm, satırlar arası mesafe (y yönünde) 100 nm olacak şekilde tasarım yapılmıştır. Satırlar arası bu sırayla 3.2 µm x 3.2 µm’lik pencere iki kere taranmaktadır. 3 boyutlu arazi bilgisi (yüzey topoğrafyası) çizdirilirken de izlenen bu tarama yolu esas alınmıştır.

Tarama sinyallerinin frekansı mikro denetleyici üzerindeki analog -sayısal dönüştürücünün (analog to digital converter-ADC) örnekleme hızına ve görüntüsü alınmak istenen yüzeyin boyutlarına bağlıdır. Çalışmamızda3.2 µm x 3.2 µm’lik kare şeklindeki bir pencerenin 128x128 noktada (piksel) tünel akımı ölçümü alınacak şekilde taranması öngörülmüştür. Buna göre tarama ucu her bir adımda 25 nm hareket edecektir (3.2 µm/128=25nm). Ayrıca bu alan x ve y sinyalleri (yatay tarama ve düşey tarama sinyalleri) arasındaki frekans

bağıntısını da verir. Buna göre x sinyalinin frekansının y sinyalinin frekansının 64 katı olması öngörülmüştür. Yani örnek üzerindeki bir pencere içinde 1 düşey tarama tamamlandığında, birbirinden 100 nm uzaklıkta olan 64 satır taranmış olacaktır. Bu tarama esnasında 128x128 = 16384 noktada (piksel) ölçüm alınmakta, bu ölçümler ADC vasıtası ile 10 bitlik sayısal işarete çevrilip, seri iletim yolu ile (RS-232) gönderilerek bir kişisel bilgisayarın hafızasına kaydedilmektedir. Bu frekansı belirlerken DAC ve ADC’nin hız sınırları ile birlikte buzzerin en etkin şekilde sapma sağlayacağı frekanslar içinde kalmaya da özen gösterilmiştir.

Tarama sinyalleri oluşturulurken 8 bitlik çözünürlüğe sahip 2 adet sayısaldan analoğa dönüştürücü (DAC0800) kullanılmıştır. Şekil 6’da belirtilen yönteme uygun olarak, örnek üzerindeki bir pencereyi ucun x-y yönünde taraması için gerekli olan ve sayısal şekilde oluşturulan sinyaller için belirli sıklıkta oluşturulması gereken 8 bitlik sayısal kodlarını, VHDL (yüksek hızlı tümleşik devreler için donanım programlama dili) kullanılarak, Digilent Basys Evaluation Board değerlendirme ve test etme ortamı üzerinde bulunan Xilinx Spartan 3E FPGA ile sayısaldan analoğa uygun şekilde çevirerek üretir. Sinyal üretiminde FPGA kullanılmasının nedenlerinden biri yüksek frekansta çalışabilmesi (50-300 MHz) ve böylece istenilen frekansa bu yüksek değerli sayacı bölerek ulaşılabilmesidir. Diğer neden ise istenen dalga şekli algoritmasının esnek bir şekilde yazılabilmesidir. Sayısal olarak oluşturulan bu sinyaller Şekil 8’deki devreler ile analog sinyale dönüştürülür.

Şekil 8: x-y yönündeki tarama sinyallerini oluşturan devre

Oluşturulan her iki sinyal daha sonra Şekil 9’da verilen analog devreler vasıtası ile piezoelektrik dönüştürücüye uygulanmadan önce birbirine simetrik, eşzamanlı +x,-x ve +y,-y sinyallerine çoğullanır. Şekilde görüldüğü gibi, bunu sağlamak için gerilim kazancı 1 olan, ve sadece 180º faz kaydıran işlemsel kuvvetlendirici (opamp) devreleri kurulmuştur [6].

Şekil 9: +x, -x ve +y, -y tarama sinyallerini oluşturan opamp devreleri

2.3. Kaba Yaklaştırma AltsistemiKaba yaklaştırma sistemi manyetik olarak sürülen bir mikrohareket ettirici düzeneği kullanılarakhazırlanmıştır [7]. Şekil 10’da görüldüğü şekilde bu sistem; bir kare dalga ile akım verilen bobin etrafında oluşan manyetik alan sayesinde bir Lorentz kuvveti oluşturarak, cam zemin üzerinde küçük tekerlekler üzerinde hareket edebilen ve örneği taşıyan mıknatısı ileri geri küçük adımlarla hareket ettirir. Örnek,mıknatısa iletken yapıştırıcı ile yapıştırılmış olup, elektrik teması ise örneğe tutturulan iletken tel ile sağlanmıştır. Mıknatısın zemine olabildiğince yakın olması durumu göz önünde bulundurularak mıknatısın alt tarafına uygun boyutlarda demir bilyeler yerleştirilmiştir. Cam yüzey mıknatısın hareketini kolaylaştırmak amacıyla tercih edilmiştir. Bobin 400 turdan oluşan 0.25 mm çapında bakır tel kullanılarak hazırlanmıştır. Bobin, Lorentz kuvvetinin etkisini artırmak için mıknatısın alt kısmına 3 mm mesafede konumlandırılmıştır.

Şekil 10: Kaba yaklaştırma sistemi

Bu altsistemde bobine uygulanan 200 mikrosaniye genişliğindeki 1.5 A tepe değerindeki tek bir akım darbesimıknatısın cam üzerinde yaklaşık 5 nm yer değiştirmesini sağlayacak bir kuvvet oluşturabilmektedir [7].Çalışmamızda tünel akımı oluşana kadar 200 µs lik darbeyi 5 Hz de kullanarak yaklaştırmayı sürekli ve düzenli bir hale getirmek amaçlanmıştır. Uygulanacak akım darbesinin değeri 1.5 A olarak öngörülmüştür. PIC’ten üretilen sinyalin akım değeri çok düşük olduğundan akım L293D entegre devresi tarafından yükseltilmiştir. Kaba yaklaştırma sürücü devresi Şekil 11’de gösterilmiştir. 5 Hz de 200 µs lik görev çevrim yarı periyoduna (duty cycle) sahip kare dalga akım sinyali PIC16F84A mikro denetleyicisinde Assembly dilikullanılarak üretilmiştir.

Şekil 11: Kaba yaklaştırma sistemi bobin sürücü devresi

Kaba yaklaştırma sisteminin hareket yeteneği, öngörüldüğü gibi çalışıp çalışmadığı, 5nm’lik hareket gözle görülmediğinden, 200µs olan görev çevrim süresi 5 Hz’te 2 milisaniyeye çıkarılarak denenmiştir. Böylece gözle görülebilecek bir hareket sağlanmıştır ve sistemin düzgün ve doğrusal çalıştığı gözlenmiştir.

2.4. İnsan Makine Arayüzü AltsistemiUçtan her bir piksel için alınan tünel akımı değerleri (sabit yükseklik modunda) veya o piksele karşılık gelen z yönündeki kontrol sinyali değerleri (sabit akım modunda) mikrodenetleyicide gömülü olarak bulunan analog sayısal dönüştürücü (Analog to Digital Converter-ADC) tarafından 10 bitlik sayısal değerlere dönüştürülür. Bu sayısal değerler yine mikrodenetleyicide bulunan ve seri iletişimi sağlayan seri iletim (universal asynchronous receiver/transmitter-UART) modülü kullanılarak RS-232 standardında, bir MAX232 entegre devresi aracılığı ile Şekil 12’de görüldüğü şekilde kişisel bilgisayara aktarılmaktadır [8].Projede mikrodenetleyici olarak PIC16F877A kullanılmıştır. Bu mikrodnetleyici 20 MHz’e kadar hızlarda çalışabilmektedir,10 bitlik analog sayısal dönüştürücüye (ADC) sahiptir ve içinde seri iletişim sağlayabilecek bir UART modülü barındırmaktadır. Mikrodenetleyicinin programlanması C programlama dili ile yapılabilmektedir. Bu da programlamada kolaylık sağlamaktadır.

Şekil 12: Mikroişlemci ile bilgisayar arasındaki seri iletişim devresi ( RS-232)

Analog-sayısal dönüştürücü kullanılarak sayısallaştırılan tarama sonrası elde edilen değerler RS-232 data iletişim kablosu kullanarak bilgisayara aktarılır ve bir metin dosyasına depolanır. Yazılım olarak MATLAB programı kullanılmıştır. MATLAB’da hazırlanan algoritma ile metin dosyasında depolanmış değerler işlenerek yüzeyin topoğrafyası bilgisayar ekranında oluşturulur. Farklı çizdirme teknikleri kullanarak yüzeyi 3 veya 2 boyutlu görüntülemek mümkündür. Hazırlanan algoritma Gaussian, sinc vb. desenli yüzeyler çizdirilerek denenmiştir.

2.5.Elektronik ve Mekanik Gürültülerin ÖnlenmesiTünel akımı çok düşük seviyelerdedir (nanoamper-pikomper). Bu akım elektronik gürültülerden kolaycaetkilenir. Mekanik titreşimlerin olmadığı bir ortamda sıcaklık değişimleri, çeşitli temas problemleri ve kaçak akımlar gibi elektronik gürültü yaratan etkiler nedeniyle tünel akımının mümkün olduğu kadar uca yakın bir yerde yükseltilmesi gerekir. Ayrıca dış elektromanyetik gürültü etkilerinden korunmak için tünel akımının bir eşeksenel kablo ile önyükselteçe verilmesi uygun olmaktadır. Elektromanyetik gürültüleri önlemek için tüm elektronik sistemin bir metal hazne içine yerleştirilmesi gerekebilmektedir. İstenmeyen mekanik titreşimler de elektriksel gürültü yaratabilmekte ve tünel akımının yanlış ölçülmesine sebep olmaktadır. Mekanik etkileri önlemek için mekanik tedbirlerin alınması gerekmektedir.

Elektriksel gürültülere ek olarak, ortamdan kaynaklanan titreşim, ses, sistemin performansını düşüren mekanik etkilerdir. Ölçüm esnasında ucun 3.2µm lik bir mesafe içinde 128 noktada (piksel) ölçüm alınmasını sağladığı, ölçülebilecek seviyede bir tünel akımının oluşması için örnek yüzeyine angströmler seviyesinde yaklaştırıldığı düşünüldüğünde, mekanik titreşimlerin ve sıcaklık değişimlerinin, ortamdaki kirliliğin (havadaki tozlar, su buharı vb.) sistem performansını önemli ölçüde etkileyeceği açıktır. Sonuçta ölçülen pikselin yeri yanlış olacak veya düşük olan tünel akımı kaybolabilecek veya uç örneğe değdiği taktirde hasar görecektir. Mekanik titreşimlerden sistemi korumak için tüm mekanik ve elektronik aksamın gürültü önleyici bir kutunun içerisine yerleştirilmesi düşünülmüştür. İç kısmı metal olarak tasarlanan bu kabin ses ve elektriksel gürültülerden devreyi korur. Titreşimlerden korumak için mikroskobun viton pullarla birbirinden ayrılmış metal plakaların üstüne konulması Gerber tarafından 1986 yılında önerilmiştir [1]. Kütle yay sistemi alternatif olarak kullanılabilir ama metal-viton sistemi yüksek frekanslarda daha etkili bir sistemdir. Sarsıntı yalıtımı için sistemin yerleştirileceği masanın ayakları kum dolu kutulara yerleştirilecektir. Titreşim yalıtımı için verilen bir örnekte, sistem bir mermer bloğu üzerine konulmuş, bu blok şişirilmiş bir bisiklet lastiği üzerine yerleştirilmiş ve onun da altında tekrar bir mermer blok konulmuştur [2]. Gürültü yalıtımı için tarama sistemi ve örneğin bulunduğu kısmın, elektronik devrelerden ve havadan gelebilecek etkenlere karşı bir kabin içinde tutulması faydalı olacaktır. Havadaki yabancı maddelerin etkilerinden ve sıcaklık değişiminden korunmak için tüm sistemin yüksek seviyede bir vakum ortamı içine yerleştirilmesi en uygun çözümdür. Bu çözüm oldukça kapsamlı ve pahalı olduğundan, düşük maliyet gözeten sistemimizde kullanılması düşünülmemektedir.

TTM’de uç ile örnek arasında bir tünel akımı elde edilmektedir. Tünel akımının oluşabilmesi için uç ve örneğin iyi iletkenler olması gerekmektedir. Bu nedenle örnek olarak düzgün bir yüzeye sahip olduğu ve yüksek bir iletkenliğe sahip olduğu bilinen HOPG (Highly Ordered Pyrolytic Graphite) iskoç bandı ile üretilmiş olan grafin yüzeyler kullanılacaktır.

3. Sonuç

Bu çalışmada laboratuarlarda iletken malzemelerin yüzey topografyası ölçümü için düşük maliyetli bir taramalı tünelleme mikroskobu (TTM) geliştirilmiştir. TTM yüzey topografyasını çıkarmak için sabit akım ve sabit yükseklik modlarında çalışabilmektedir. Örnek üzerindeki 3.2µmx3.2µm’lik bir pencerenin topoğrafyasını ölçebilmek için yatayda ve düşeyde (x-y) 64 satır ve 64 sütunluk tarama yapabilecek ve 128x128 noktada (piksel) ölçüm alabilecek bir tarama ve kontrol sistemi geliştirilmiştir. Ucu hareket ettirebilmek için ucuz ve yaygın bir şekilde piyasada bulunabilen bir zil (buzzer) piezoelektrik dönüştürücü olarak kullanılmıştır. Uç metal telden bir falçata ile kesilerek oluşturulmuştur. Örneği tünel akımı elde edebilecek şekilde uca yaklaştırmak için manyetik olarak sürülen bir mikrohareket ettirici düzeneği oluşturulmuş ve kullanılmıştır. Örnek üzerindeki ölçüm yapılacak pencerede x-y tarama sinyalleri sayısal olarak oluşturulup, analoğa dönüştürülmüş böylece taramanın etkin bir şekilde kontrolü sağlanmıştır. Ölçülen tünel akımları veya ucu örneğe yaklaştırıp uzaklaştıran z kontrolu değerleri sayısal işarete dönüştürülerek bir kişisel bilgisayara seri olarak gönderilmiş ve bu veriler MATLAB içinde geliştirilen bir programla alınarak işlenmiş ve istenilen şekilde bilgisayar ekranında gösterilmiştir. Örnek malzeme olarak iletkenliği yüksek ve yüzeyi nispeten düzgün olan grafin malzeme kullanılması gerekmektedir. Elektrik ve mekanik gürültüleri önleyecek temel tedbirler alınmalıdır. Geliştirilen TTM ile yüzey 25nm hassasiyetle ölçülebilecektir. Bu da atom seviyesinde bir çözünürlüğe inilmesini engellemektedir. Atom seviyesinde (0.1 nm’den daha düşük)çözünürlükte ölçümler yapabilmek için titreşimi önleyecek sistemler, daha hassas uçlar ve piezoelektrik dönüştürücüler, yüksek seviyede bir vakum sistemi gibi sistem maliyetini üssel olarak artıracak yatırımlara ihtiyaç vardır. Daha hassas ölçümleri optimum bir maliyetle yapabilmek amacıyla mevcut TTM sistemini geliştirme çalışmalarımız devam etmektedir.

4. Kaynakça

[1] G. Binnig and H. Rohrer, Scanning Tunneling Microscopy, Physica, vol.127B,1984.[2] G. Binning and H. Rohrer, Scanning Tunneling Microscopy-From Birth to Adolescence, Nobel Lecture, 1986.[3] S. H. Cohen, M. T. Bary,M. C., Lightbody, Atomic Force Microscopy/Scanning Tunneling Microscopy, Springer, 1995.[4] A.Oral, Construction of a Scanning Tunneling Microscope and First Results, Yüksek Lisans Tezi, Physics, Bilkent University, Ankara, 1990. [5] E.Musayev, LED – LED Sisteminin Araştırılması ve Uygulamaları, Eleco 2002, Bursa, p.118-122,2002.

[6] Ç.Çırak, Taramalı Tünelleme Elektron Mikroskop Yapımı ve Temel Bilimlere Uygulamaları, Yüksek Lisans Tezi, Fizik Anabilim Dalı, Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, 2005.[7] İ.İ.Kaya, Construction of a Scanning Tunneling Microscope and Its Application to Graphite Surface in

Air, Yüksek Lisans Tezi, Physics, Middle East Technical University, Ankara, 1990.[8] Yeh.Tai-Sheng and Tseng. Shih-Shin, A Low Cost LED Based Spectrometer, Journal of the Chinese Chemical Society , vol.53, 1067-1072,2006.