nanobilim ve nanoteknolojimaycalistaylari.comu.edu.tr/maycalistaylari/phoca...metu department of...

Nanobilim ve Nanoteknoloji

[email protected]

http://erkoc.physics.metu.edu.tr

27 Ocak 2014

Şakir Erkoç

Fizik Bölümü; ODTÜ, 06800 Ankara

1

METU Department of Physics, ANKARA

2


Teknolojide ölçmek önemlidir.

İlk hassas ölçüm aleti: Kumpas

3


Teknolojide ölçmek önemlidir.

Daha hassas ölçüm aleti: Mikrometre

4


Teknoloji adı ölçüm hassasiyeti ile anılır:

Mikrometre hassasiyette: Mikron teknolojisi

Nanometre hassasiyette: Nanoteknoloji

5


6


YIL7


Nanoteknolojinin ilgilendiği büyüklükler

ortalama 100 nanometre mertebesindedir.

Nanoteknoloji ürünü olarak geliştirilen

aygıtların ve/veya cihazların büyüklükleri

ortalama 100 nanometre mertebesindedir.

Nanometre (nm) ne kadar büyüktür veya

küçüktür?8


Nanometrenin küçüklüğünü kavrayabilmek için 10‟un

kuvvetlerinde bir gezinti yapalım:Aşağıdaki resmin bir kenarının uzunluğu 1 metre.

1 metre = 1 milyar nanometre ; 1 m = 109 nm

9


Aşağıdaki resmin bir kenarının uzunluğu 0.1 metre.

0.1 m = 10-1 m = 100 milyon nanometre = 108 nm

10




11




12



0.0001 m = 10-4 m = 100000 nanometre = 105 nm

13



0.00001 m = 10-5 m = 10000 nanometre = 104 nm

14



0.000001 m = 10-6 m = 1000 nanometre = 103 nm

15



0.0000001 m = 10-7 m = 100 nanometre = 102 nm

NANOTEKNOLOJĠ ÜRÜNLERĠNĠN BÜYÜKLÜKLERĠ BU MERTEBEDE!..

16



0.00000001 m = 10-8 m = 10 nanometre = 10 nm

17



0.0000000001 m = 10-10 m = 0.1 nanometre = 10-1 nm

18


Karınca Kan hücreleri AtomDNA molekülü

Bazı nesnelerin büyüklüğü

19


“Nano” Zaman Şeridi

• 1959: Richard Feynman’ın meĢhur konuĢması.

• 1974: İlk moleküler elektronik aygıt patenti verildi.

• 1981: Binnig ve Rohrer’in TTM’u icatları.

• 1985: Curl, Kroto, Smalley’in C60’ı keĢifleri.

• 1986: AKM’nun icadı.

• 1986: Drexler‟in “Engines of Creation” kitabı yayınlandı.

• 1987: Elektrik iletkenliğinin kuantlaşma özelliği ölçüldü.

• 1987: İlk tek elektron transistor yapıldı.

• 1988: İlk suni protein yapıldı.

• 1989: IBM yazısı 35 Xe atomu ile kristal yüzeyine yazıldı.

20


35 Xe atomu ile IBM yazısı kristal yüzeyine yazıldı; 1989.

21


“Nano” Zaman Şeridi (devam)

• 1991: Iijima’nın çok duvarlı karbon nanotüpleri keĢfi.

• 1993: Iijima’nın grubu ilk tek duvarlı karbon nanotüpü

izole etti.

• 1993: İlk nanoteknoloji laboratuvarı ABD‟de kuruldu.

• 1997: Nanomekanik aygıtlarda ilk defa DNA kullanıldı.

• 1998: Dekker grubunun TUBEFET‟i yapması.

• 1999: İlk moleküler elektronik anahtar yapıldı.

• 2000: Nanoteknoloji araştırmaları için ABD‟de 422 M$

kaynak ayrıldı.

• 2001: Nanotüplerden ilk mantık devreleri yapıldı.

• 2001: ZnO nanotel lazeri yapıldı.

• 2002: Superörgü nanoteller yapıldı.

• 2005: Nanoaraba yapıldı.22


Tek bir molekülden nanoaraba yapıldı. Y. Shira/Rice University (2005)23


Karbon nanotüp devresi ve insan saçının mukayesesi.

IBM http://nanotetchweb.org 23 Mart 2006

24


Nanofiber ile insan saçının mukayesesi:

25


“AĢağıda daha çok yer var:

Yeni bir fizik alanına davet”

Richard P. Feynman

29 Aralık 1959 „da yaptığı bir konuşma

ile nanoteknolojinin ilk habercisi oldu.

American Physical Society

California Institute of Technology (Caltech)

http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html

26

http://www.aps.org/

http://www.aps.org/

http://www.aps.org/

http://www.aps.org/

http://www.aps.org/

http://www.caltech.edu/



















Richard P. Feynman‟ın 1959‟daki öngörüleri:

• 24 ciltlik bir ansiklopediyi bir topluiğnenin baĢına neden yazamayalım?

• Küçük ölçekte bilgi depolama

• Daha iyi elektron mikroskopları

• Fevkalade biyolojik yapılar

• Bilgisayarları minyatürleĢtirme

• BuharlaĢtırma yolu ile minyatürleĢtirme (nano üretim)

• Sürtünme problemleri

• Yüzlerce minik el (nano üretim)

• Atomları düzenlemek

• Küçük dünyada atomlar 27


Feynman, liselerde yarıĢmalar düzenleyerek

öğrencilerin merakı çekilebilir diyordu.

ġöyle hayali bir yarıĢma önermiĢti:

A lisesinin öğrencileri bir toplu iğnenin başına ”Nasıl, iyi mi?”

yazısını yazarlar, B lisesine gönderirler.

B lisesinin öğrencileri de “i”nin noktasının içine “O kadar da

değil!” yazısını yazıp gönderirler....

Hatta “belki paralı ödüller daha etkili olabilir” diyerek kendisi

para ödüllü bir yarışma önerdi. Dünyanın en küçük çalışan

elektrik motorunu kim yaparsa 1000 $ para ödülü vereceğini

söyledi.28


Dünyanın en küçük ilk elektrik motoru

Richard Feynman, William McLellan (soldaki) tarafından

yapılan ilk mikromotora optik mikroskopla bakıyor. (1960).

Resimde mikromotor topluiğne başı ile mukayese ediliyor. (Caltech. arşivi)29


Günümüzde Feynman‟ın öngörülerinin çoğu gerçekleşmiş durumda, örneğin

“Dip-Pen Nanolithography” yöntemi ile yazılmış bir yazı örneği görüntüsü

aşağıda görülüyor. (Kaynak: http://www.nanotech-now.com/basics.htm)

30


31


Bilgisayar disklerinin inanılmaz küçülmesi(Bilgisayar teknolojisinin 45 yılda geldiği nokta!..)

1956 IBM Ramac 305 2000 IBM MicrodriveKapasitesi: 5 MB 1 GB

Büyüklüğü: 50 x 24 inç disk 1 x 1 inç disk

Ağırlığı: yaklaĢık “bir ton” 1 oz (yaklaĢık 450 gram)

Değeri: $50,000 $500

Nanoteknoloji sayesinde bu geliĢme daha da ileriye gidecek!..32


Elektronik devre

elemanlarının

boyutlarının

zamanla

değiĢimi

33


Neden “Nano”ya hücum?

Nanometre ölçeğinde fizik ve kimyada yapılan

çalışmaların sonucunda:

- daha küçük ve daha hızlı elektronik cihazlar,

- daha çok işlevli, daha sağlam ve daha hafif malzemeler,

- biyolojik ve tıbbi araştırmalarda kullanılabilecek daha hızlı ve güvenilir aygıt yapımı ve tümörlerin tesbitinde yeni kimyasal malzeme üretimi,

- bir kütüphane dolusu kitap bilgisini bir kesme şeker

büyüklüğündeki hacim içine sığdırma,

- yeni malzeme tasarımları

yapılabilir.34


“Nanoteknoloji”ye gidiĢi sağlayan etmenler:

• Cihazların fiziki boyutlarını küçültmek;

• Malzemede yüzey/hacim oranını büyüterek

yüzey etkisini arttırmak (kataliz‟de olduğu gibi);

• Biyolojik nesnelerin inorganik nanoyapılar içine konmasıyla

çeşitli algılayıcılar ve işlevli nanoyapılar oluşturmak;

• Düşük boyutlu yapılarda yeni özelliklerin oluşması;

• Fizik kanunlarının nanoyapılarda doğrudan gözlenebilmesi.

35


Nanoölçekte ölçme daha da önemlidir!

Bu maksatla çeĢitli mikroskoplar geliĢtirilmiĢtir:

TTM: Taramalı Tünellemeli Mikroskop

TEM: Taramalı Elektron Mikroskobu

TEM: Tünellemeli Elektron Mikroskobu

AKM: Atomik Kuvvet Mikroskobu

Mikroskopları

icat eden

bilim adamları.

36


Taramalı Tünellemeli Mikroskop

TTM şematik gösterimiVerdiği görüntüler

37


38


Atomik Kuvvet Mikroskobu

AKM şematik gösterimi

Verdiği görüntüler

39


Nanoteknoloji alanları

• Nanoelektronik cihazlar– nanoelektronik,

nanotüpler, tek-molekül anahtarlar

• Manyetik kayıt uygulamalar için büyük

manyetodirenç

• Nanokompozitler: nanoparçacık katkılı

polimerler / fiberler

• Nanoyapılı katalizler

• İlaç taşıyıcı yapılar

• Biyoalgılayıcılar

• Su arıtmak için nanogözenekli filtreler

Nanoteknoloji alanları bunlarla sınırlı değil!.. 40


Nanoteknolojinin günümüzdeki değişik uygulamaları:

4141


Nanoteknolojinin etkileyeceği alanlar:

M. Bayındır42


“Nano Ġmalât”

Nanoyapıları imal etme yöntemleri:

Nanoüretim

Yukarıdan-AĢağıyaYöntemi

Nanoyapıların

makroyapılardan

üretilmesi

AĢağıdan-Yukarıya Yöntemi

Nanoyapıların atomların veya

moleküllerin dizilmesiyle

oluşturulması43


44


45


M. Bayındır

46


ĠĢin Bilim Tarafı

• Nanoyapılar (< 30 nm) ilgi çekici bir araĢtırma alanı oluĢturuyor:

– Bu ölçekte yeni fiziksel olaylar olur

– Yeni yapılar (büyüklüğe bağlı özellikler gözlenebilir)

– Yeni uygulama alanları olabilir (optik, elektronik, termoelektrik, manyetik kayıt, vs.)

• Nanoyapıların oluĢturulmasıyla düĢük-boyutlu yapıların ilginç fiziksel özellikleri farkedildi, bu yapılar 3B yapılarından farklı fiziksel özellikler gösterir

47


Malzemelerde “boyut”

Malzemenin boyutuna göre elektronik özellikleri değişiklik gösterir.48


(a) Bi Nanotel (b) Bi Nanotüp (c) Bi Atom-dizisi

Bir-boyutlu (1B) Nanoyapılar ÇeĢitli Olabilir:

Herbiri farklı yapı ve özelliklere sahip, dolayısı ile seçim önemli

K. Miki

ETL, JapanPeidong Yang

UC Berkeley

Dresselhaus Grubu

(MIT)49


Altın; normal halinde hiçbir madde ile

etkileĢime girmez, zaten bu özelliğinden

dolayı mücevher olarak kullanılır.

Ancak altın nanoparçacıkları hemen

hemen her madde ile etkileĢime girer!..

Nano ölçekte maddenin özellikleri

değiĢiyor!

50


51


KATALĠZ

ĠġLEMĠNDE

PARÇACIK

(KATALĠZÖR)

BÜYÜKLÜĞÜ

ÖNEMLĠ

Yüzey atomlarının

hacim atomlarına

oranı parçacık

büyüklüğüne bağlı

Yüzey atomlarının

çok olması kataliz

iĢlemini hızlandırır 52


ZnO (çinko oksit) Nanoteller ile yapılan Nano-Lazer

VSL ile büyütülmüş ZnO nanoteller

ZnO nanotelin yayılma

tayfı (emisyon spektrumu)Peidong Yang et al

Wavelength (nm)370 380 390 400

Inte

nsi

ty (

a.u

.)

Nanotel UV Nanolazeri

UV Lazer Çıktısı

Uyarılma

53


Nanotel Hafıza

(Duan et al., Nano Lett. 2, 487) 54


Nanotel Mantık Devreleri2(p-Si) ile

1(n-GaN)

kesişen nanotel

eklemi ile

oluşturulmuş

VEYA mantık

devresi

1(p-Si) ile

3(n-GaN)

kesişen nanotel

eklemi ile

oluşturulmuş

VE mantık

devresi

Ölçek: 1m(Huang et al., Science 295, 1313)

55


Moleküllerden oluşturulmuş hafıza elemanı örneği:

56


Karbon Nanoyapılar3B: elmas; 2B: grafit; 1B: nanotüp; 0B: nanotop

57


Karbon Nanotoplar (“Fullerene”ler):

C8 C20

C4

0

C6058


Karbon nanotopları (özellikle C60)

ilk sentezleyen bilim adamları:

59


C60

C540

C70

Coranulene - C60

Karbon topları farklı

büyüklüklerde olabilir.

En çok C60 oluşuyor.

“Coranulene” molekülü

karbon toplarının bir

parçası gibi görünüyor.

60


Karbon nanotoplardan oluĢturulmuĢ

kristal yapılar, iĢlevsel yapılar.

61


Nanotoplardan oluşmuş kristal yapı modelleri:

62


Karbon nanotüpü ilk (1991)

sentezleyen bilim adamı.

KARBON NANOTÜPLER:

Sumio Iijima

63


Grafit plakaların

kıvrılması ile

oluĢurlar.

64


Karbon nanotüpler grafit plakanın

kıvrılma yönüne göre adlandırılırlar:

65


Tek duvarlı karbon nanotüpler:

66


67


68


Grafit

plakanın

kıvrılma

yönüne

göre

oluşan

farklı

karbon

nanotüp

(KNT)

modelleri.

69


Karbon nanotüp eklem modelleri:

Y Ģekilli eklemler.

70


71


Karbon nanotüp (KNT) eklem modelleri:

72


Karbon

nanotüp

(KNT)

yapıları

çok

Sağlam

ve

esnektir.

73


Karbon nanotüp

(KNT) yapıları

çok sağlam ve

esnektir.

Bükülerek,

kıvrılarak

yapıları

bozulmaz.

74


Nanotorus Nanohelis

Nanotorus

Karbon nanoyapıların farklı örnekleri:

75


Çeşitli silisyum (Si) nanoyapı örnekleri.

76


(İki zincir halkası arasındaki mesafe 50 mikron. İnsan saçının çapı yaklaşık 100 mikron.)

Dünyanın en küçük zincirli diĢli takımı (Sandia’da üretildi)

77


78


Çeşitli

nanoyapı

modelleri:

Nanotüpler

Nanoeklem örnekleri.

Nanotüp yapılar sadece

karbondan oluşmaz,

başka atomlar da tüp

yapı oluşturabilir.

Nano elektromekanik

sistem (NEMS) örnekleri.

79


Nanorulman modelleri

80


Nanorotor modelleri:

81


Karbon nanotüp ve nanodişliden

oluşturulmuş nanoçark modeli:

82


Nano diĢli kutusu modeli:

83


Çeşitli nano makine parçası modelleri:

84


Nanomıknatıs (molekül mıknatısı) örnekleri:

85


Nanotüplerin Uygulamaları: Tarama iğneleri (uçları) ve Elektronik

• TTM/AKM iğneleri (uçları)

• DNA‟nın doğrudan incelenmesi

• Yarıiletken aygıtlar

• Alan Yayıcıları

S.J. Tans et al. Nature, 393, 49 (1998)

Immunoglobulin

G’nin nanotüp

iğneli AKM

görüntsü

Alan Yayıcılar

Transistor

Biyolojik moleküllerin görüntüsü

Yeni Malzemeler

Nanotüp içinde Fullerene C60

86


87


• Diğer karbon nanoyapılarına göre daha fazla hidrojen depolama kapasitesi:

- tek duvarlı yapı

- çoklu tutunma yerleri

- muntazam dizilmişse büyük paketleme yoğunluğu

- 80 K‟da saf malzemelerde 8 wt%

- oda sıcaklığında 7 wt%

• Önemli hususlar:

- ürünlerde çok çeşitlilik

- ucuz maliyetle çok miktarda saf malzeme (nanotüp) üretimi

- işlemlerde belirsizlikler az

• Hidrojeni yerleştirmede ve çıkarmada az enerji gerektirir.

B. Pradhan, et al 2001

Hidrojen depolamak için

karbon nanotüpler:

Karbon nanotüplerde tekrarlanabilirlik

önemli bir husustur. 88


ĠĢlevsellik kazandırılmıĢ tek duvarlı karbon nanotüp örnekleri:

89


Katot ışını tüpleri (CRT) yerine alan yayıcı diyotlar (FED)

Phosphor

Screen

Anode

Cathode

Phosphors

Anode

Cathode

CRT Display FED Display

Çok yer kaplar,

çok enerji harcar. Az yer kaplar, az enerji harcar.90


91


Karbon nanotüpler su arıtmada da kullanılabilir:

92


Karbon nanotüpler molekül dedektörü olarak da kullanılabilir:

Nanoteknoloji

ürünü

dedektörler

ile tek bir

molekülü bile

algılamak

mümkün!..

93


Nanoteknoloji ürünü robotların hastalıkların tedavisinde

kan damarlarında işe yarayacakları hayal edilmektedir.

94


95


M. Bayındır

96


TÜRKĠYE’DE ARAġTIRMA ĠÇĠN PARA KAYNAKLARI:

• Üniversitelerde araştırma ve tez projeleri

(BAP1, BAP2, vs.)

• TÜBİTAK projeleri

(araştırma, kariyer, vs.)

• DPT projeleri

• TTGV projeleri (Türkiye Teknoloji Geliştirme Vakfı)

• AB projeleri

(FP6, FP7, EUREKA, vs.)

• Uluslararsı işbirliği ile sağlanan projeler

• Diğer Kamu Kuruluşlarının desteklediği projeler

(Milli Savunma, Havacılık, Haberleşme, vs.)

• Özel sektör Ar-Ge kurumları97


M. Bayındır

TÜRKİYE‟DE AR-GE YATIRIMLARI

98


ODTÜ’DE NANOBĠLĠM VE NANOTEKNOLOJĠ ÇALIġMALARI

•Nanoyapıların kararlılığı, bilgisayar modellemeleri

•Algılayıcı uygulamaları için ferroelektrik ince filmlerin

mikronaltı boyutlarda üretimi

•Nano yapılı çok katmanlı hibrid yüzey kompozitlerin üretimi

•Nanokristal çalıĢmaları

•Hidrojen depolama çalıĢmaları

•Mikroelektromekanik sistem (MEMS) çalıĢmaları

•Nanobiyoteknoloji çalıĢmaları

•Kataliz çalıĢmaları 99


SON SÖZ

“NANOBĠLĠM VE NANOTEKNOLOJĠ”

DĠSĠPLĠNLER ARASI BĠR SAHA

TEMEL BĠLĠMLERĠN

FĠZĠK , KĠMYA , BĠYOLOJĠ

VE

UYGULAMALI BĠLĠMLERĠN

MALZEME & METALÜRJĠ MÜHENDĠSLĠĞĠ

ELEKTRĠK & ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ

KĠMYA MÜHENDĠSLĠĞĠ

MAKĠNE MÜHENDĠSLĠĞĠ

BĠLGĠSAYAR MÜHENDĠSLĠĞĠ

ORTAK ÇALIġMASI ĠLE GELĠġTĠRĠLEBĠLĠR VE UYGULANABĠLĠR!100


İlginiz için teşekkürler!..

101

nanobilim ve nanoteknolojimaycalistaylari.comu.edu.tr/maycalistaylari/phoca...metu department of...

Documents