Yüzey Atomlarının Dizilişleri ve Bunların Deneylerle Saptanması

Yüzey Atomlarının Dizilişleri ve Bunların Deneylerle Saptanmas|

Cisimlerin ve yüzeylerinin elektronik özellikleri, atomlarının dağı] lışiarındaki düzene bağlıdır. Katı hal fiziğinin hedeflerinden biri, bu dağılışlardaki simetriyi saptayarak yüzeylerin makroskopik davranışı hakkında bilgi edinmektir. Bu yazıda, atomların yerle-\ rini bulmada bize bilgi veren yeni bir deneysel yöntem tanıtılmakta ve iki uygulama örneği sunulmaktadır.
TÜBİTAK

Bilim Ödülü

Prof.Dr. Mehmet Erbudak

“Elektron-katı etkileşmelerini inceleyerek, yüzeylerin atom dağılımlarını göstermede geliştirdiği yeni yöntem ile özellikle yüzey fiziği alanındaki uluslararası düzeyde üstün nitelikli çalışmaları” nedeniyle bilim ödülü verilmiştir.

1945 yılında Şam’da doğan Dr. Erbudak, 1964 yılında Alman Lisesi’nden, 1968 yılında Robert Koleji’nden mezun olmuş, Yale Üniversitesi’nde (ABD) 1970 yılında Yüksak İhtisasını tamamlamış, 1972 yılında Yüzey Fiziği alanında Doktora derecesini almış, 1979 yılında ODTÜ’de Doçentliğe, 1984 yılında İsviçre Federal Teknik Okulu’nda (ETH) Profesörlüğe yükselmiştir.

versitesi’nde çalışmalarda bulunan Prof. Dr. Erbudak 1975 yılından bu yana İsviçre Federal Teknik Okulu’nda görev yapmaktadır.

1979 TÜBİTAK Teşvik Ödülü sahibi olan Prof. Dr. Erbudak, Türk, İsviçre ve Avrupa Fizik Derneklerinin üyesidir. ETH Çevre Bölümü’nün kurucu üyesi olan Prof. Dr. Erbudak “Europhysics News” ve “Turkish Journal of Physics” dergilerinin danışma kurulu üyeliği, UNDP danışmanlığı ve ETH Malzeme Bölümü Koordinatörlüğü görevlerini de yürütmektedir.

Prof. Dr. Mehmet Erbudşk’ın Uluslararası Science Citation lndşx’çe taranan hakemli dergilerde çıkmış 90 yayını vardır ve bu yayınlara Mayıs 1997 itibarıyla 573 atıf yapılmıştır.
Bilim ve Sanat

Bilini adamı doğayı gözler, görüp öğrendiklerini bir mouel şekline sokar, sonra da bunları her zaman ve herlerde geçerli olacak kurallar haline getirir. Sanatkâr da doğayı gözler, duygularının önderliğinde görüp algıladıklarını kendi kaleminden.
Irı^nHı fıtv’aemric

ıvvı ıuı ıııyuüiııuu
ya çalışır. Böylece doğa, bilim ve sanatı besler, bilim adamıyla sanatkârı uğraşılarında birbirine yaklaştırır [1], Bu fikirler, bilim ve sanatın birçok, belki de her dalı için geçerlidir. Ancak bazı dallarda bu bağ çok belirgindir. Katı hali oluşturan atomların nasıl ve ne şekilde sıralandıkları ve bu sıraların nasıl bir düzen ortaya çıkardıkları, kristalografi bilim dalının
uğraşısıdır. Ortaya çıkan şekiller mİH marivi, mimari süsleri, mimariaet geometrik düzenleri anımsatır. Seki l’ae İstanbul’da Topkapı Sarayı müzesinde bulunan, 15. yüzyılda yapılmış bir kapı resmediliyor. Kapınınj üzeri, klasik kristalografiye ayku-z gelen aperiyodik (periyodik olmayan) bir motifle bezenmiş, işte b,

uıumuvaı ajııııuıaı, L«yj. yuz>yjuill ov?-

nuna doğru kristalograflar tarafından I tekrar yaşatılmaktadır, insan resmi I yapmayı yasaklayan toplumlarınj yüzyıllar önce yarattıkları sanat şaheserleri, ancak son yıllarda kristalograflar tarafından tekrar keşfedilmiş durumdadır. Bu olgu, sanatın bilimden çok daha önce doruğa kavuşabileceğini kanıtlıyor. Buna karşılık, sanat da sapık yönetimlerde si-
Şekil 1: Topkapı Sarayı müzesinde aperiyodik süslerle bezenmiş bir kapı.

Yüzey Atomlarının Dağılımlarını Saptayan Deneyler

a. Bugün Uygulanmakta Olan Y öntemler

Yüzey atomlarının dağılımlarını ölçebilecek ve simetrilerini saptaya-

Kırr>rvl?’ \rr\n fPm
.isimler atomlardan olu-

— mnli-rnçk’nnik rizellik-
leri de vardır. Birçok yöntemin temeli, elektron dalgalarının girişimi-
7 aaq:r _ ı biri, -:opik
<. brom ise pis kokuludur, irislerinin yanı sıra, atomla-ımları ve sıralanışları da ci-eîle tutulur gözle görülür elliklerini dolaysız ve etkin ae değiştirir. Atomlar, sıcakla yerlerinde duramaz, ha-iisrler, sonunda katı cisim atomlar da, düzenli örgü—ördüğü yerlerden saparlar. . tuttuğumuz zaman, atomlar yerlerini alabilir ve kris-.-ranırlar. Bu kristal örgü il–arklı ise, maddenin özellik-rarklı olur. Farklı yapılarda farklı özelliklere örnek üzere karbon atomlarını in-~tl. Eğer karbon atomları, aa bir yarı-iletkendeki gibi ;?:t bağlar yapıyorlarsa, kris–‘rrin diamant, yani elmas de-r:vı oluştururlar. Elmas keli-

– -îökii “atomos” dur; Yunan-^raalanmaz demektir. Elmas aktrik akımını yalıtan, şeffaf

– „dir. Aynı atomlardan oluşan -e yumuşak ve siyah renkli raidir; karbon atomları arala-^bakalar halinde birleşir, bu ar da zayıf kuvvetlerle birbi-âtanır. Elmas, ender ve paha-rafıtin ise ancak teknolojik vardır. Elmasın bağ yapan “..arını bir atomdan diğerine içirmek üzere hareket ettir-k enerji gerektirir. Grafitte „-oranlar özellikle tabakalar kendiliğinden hareket eder-r- hal fiziği deyimi ile, bu iki

elektronik özellikleri birbi-çok farklıdır. Bu farklılığın “iTilusu da atomların kristal
Şekil 2: hep ve fcc kristal yapılarında atom tabakalarının sıralanışı.

örgüde farklı dizilmeleridir. Bu örnekten aldığımız ders, atomların geometrik dizilmelerindeki düzenlerini değiştirerek, elektronik özelliklerini çarpıcı bir şekilde etkiliyebilme-mizdir [2]. Son yıllarda, grafit ve elmasın yanı sıra, 60 atomdan oluşan karbon kümeleri bulunmuştur. Bunlar, yalın veya diğer başka bir atomla yüklü olarak, elmas ve grafitten çok daha farklı ilginç özellikler göstermektedirler.

Katı hal fiziğinin yoğun bir uğraşısı, cisimlerin makroskopik özellikleri ile atomlarının dağılımları arasındaki bağıntıyı bulmak, atomların dağılımlarını değiştirip, cisimlerin özelliklerini etkilemektir. Hedef, cismin atom dağılımını saptayıp bundan cismin özelliklerini öğrenmek ve hatta cismin aranan bir özelliğe kavuşabilmesi için atomlarının yerlerini değiştirebilmektir. Bu nedenlerle, Katı hal fiziği araştırmalarının temel uğraşılarından biri, katilardaki atom dağılımlarını saptamak amacı ile yapılan mikroskopik yapı analizidir.

Cisimler, dış dünya ile yüzeyleri vasıtasıyla etkileşirler; birçok olay veya süreç ancak yüzeyde gerçekleşir. Kataliz, oksitlenme, sürtünme banlardan ancak birkaçıdır. Dolayısıyla, yüzey özelliklerini saptamak ve yüşsylerin davranışlarım etkileyebilmek de ancak yüzey atom dağılımlarını araştırıp öğrenmekle gerçekleşebilir [2].
gibi (low-, medium-, and high-ener-gy eleetron diffraction) [2]. Bu yöntemlerde, yüzey atom simetrisi ve yüzey birim hücre büyüklüğü bir ekran üzerinde görüntülenir. Ancak, bütün kırınım deneylerinde olduğu gibi, sonuçlar Bragg noktaları halinde görülür; yani, sonuçlar beynimizin algılamaya alışmış olduğu uzayda değil, momentum (Fourier) uzayında elde edilir. Bragg noktaları, kristal örgüdeki atomlardan seken elektron dalgalarının eşfazlı (coherent) olarak toplanmalarıyla ortaya çıkar. Dolayısıyla, sonuçları kullanılabilecek hale getirene kadar uzun süren bir bilgisayar işleminden geçirmek gerekir; üstelik bu sonuçlar momentum uzayının özelliğinden dolayı her zaman tekdeğerli değildir. Bütün bunların yanı sıra, bu yöntemlerden başarılı sonuçlar alabilmenin temel koşulu yüzeylerde uzak erimli bir düzenin varolmasıdır.

Yüzey atomlarının yerlerini incelemek için kullanılan en güçlü deneylerden biri elektrik alan iyon mikroskobu (electric field ion mic-roscope)dur [3]. Bu deneyde örnek, sivri bir uç şekline getirilir ve vakum içinde artı yükle beslenir. Deney odacığına doldurulan He gazının atomları yüzey tarafından çekilir, iyonize edilir ve böylece yüzeyden uzaklaşıp yüzeyin karşısına yerleştirilmiş bir ekranda görüntülenir. Örnek, elektrik alanının yüksek olması için nanometre seviyesinde sivriltilmiş olmalıdır. Yüzeydeki atomların ve kristal yapının keskin kenarlarının olduğu yerlerde elektrik alanı daha yüksek olacağından,

ları bu gibi yerlerde daha etkince iyonize olurlar; sonuç olarak da bu yerler ekranda daha aydınlık görünür. Böyiece ortaya çıkan kontrast, yüzey atomlarının dağılışını gösteren görüntüdür; gerçek uzayda (real space) ve gerçek zamanda (real time) seyredilir. Deneyin başarıyla yapılabilmesi için yüzeyde uzak erimli düzene gerek yoktur. Bu yöntemin tek sakıncası, örneklerin sivri bir uç şekline getirilmesi zorunluluğudur.

“Taramalı tünelleme mikroskobu” (scanning tunneling microscope) [4] yüzeyleri gerçek uzayda, özellikle yüzeye dik boyutta daha önce rastlanmamış çözünürlükte etkin bir şekilde görüntüler. Deneyin temeli, elektron dalgalarının örneğin yüzeyi üzerinde gezdirilen sivri bir uç ile örnek atomları arasında tünellenmele-rine dayanır. Tünel akımı, uç ile örnek atomları arasındaki mesafeye çok duyarlı bir şekilde bağlıdır. Bu olgu, bir taraftan çözünürlüğün çok duyarlı olmasını sağlarken, diğer taraftan yüzey atomlarının altındaki tabakalardan gelebilecek sinyalin algılanmasına engel olur. Bundan dolayı bu yöntemle, alt tabakalardan sinyal alınmaksızın ancak en üst tabaka yüzey atomları ölçülebilir.

Ne kadar güçlü olurlarsa olsunlar, ne elektrik alan iyon mikroskobu ne de taramalı tünelleme mikroskobu bazı gözlemleri yapmamıza yardımcı olabilirler. Kobalt (Co) metalinin kristal yapısında sıcaklığın değişmesiyle meydana gelen faz dönüşümü bunlardan biridir. Co, iki değişik kristal yapıya sahiptir: alçak sıcaklıklarda yoğun hekzagonal (hep) yapı, yüksek sıcaklıklarda ise yüzey merkezli kübik (fcc) yapı, hcp-fcc faz dönüşümü 1. derece olup, arka arkaya ve iki yönde de gözlenebilir. Faz dönüşümü sırasında atomların uzaklıkları değişmez, maddenin hacmi sabit kalır, atomların komşu sayısında, Öa bir değişme olmaz; değişen ancak (111) atom tabakalarının birbirleri üzerine sıralanmalarıdır. Bu tabakaları, konumlarına göre A (kırmızı), B (mavi) ve C (yeşil) diye adlandıralım. Şekil 2’de görüldüğü gibi, hep yapı, ABAB… şeklindeki sıralanmanın sonucu ortaya çıkar, ABCABC… sıralanması da fcc yapısını oluşturur. Bu sıralanma farklılığı elektronik
Şekil 3: Kristal yüzeyini terkeden ikincil elektronların genliklerinin dağılışı.

özelliklerin değişmesine yeterli: Örneğin elektrik direncinin değeri, dönüşüm sıcaklığı olan 695 K’de bir atlama yapar. Isıtma ve soğutma sırasındaki faz dönüşümlerinde 50 K’in biraz üzerinde bir dönüşüm gecikmesi (hysteresis) gözlenir.

Bir kaç yıl önce, “ikincil elektronlarla görüntüleme” diyebileceğimiz, secondary-electron imaging (SEI) adlı bir yöntem geliştirildi [5], Bu yöntem, katı cismin yüzeydeki ve yüzeye yakın tabakalarındaki atomların geometrik dizilişlerini gerçek uzay ve gerçek zamanda görüntülemektedir. Yöntemi gerçekleştirmek için yüzey, 1-2 keV arası enerjideki elektronlarla uyarılır; geri seken ikincil elektronlar ise iki boyutta, örneğin etrafına yerleştirilmiş yarım küre şeklindeki toplayıcı/görüntüleyici sistem tarafından ışığa çevrilir. Ortaya çıkan görüntü, yüzey atomlarının geometrik (dolaysız) projeksiyonunu simgeler ve böyiece dağılımlarındaki simetriyi ortaya çıkarır. Sinyal genliği yeterli olduğundan ortaya çıkan görüntü oldukça aydınlıktır; gözle görülür, fotoğrafı çekilebilir veya”videoya alınabilir. Bu son olanaktan yararlanarak, zamana göre değişen yüzey süreçleri incelenebilir. ilerdeki bölümlerde, bu güne kadar alınmış sonuçlardan ikisine örnek verilmezden önce, SEI tekniğinin ilkesi ve deney düzeneği anlatılacaktır.

b. İkincil Elektronlarla Görüntüleme (SEI) Nedir?

SEI deneyinin çalışma ilkesini iki adımda özetleyebiliriz: (1) yüzey altı tabakalarda ikincil elektronların uyarılması, (2) bu elektronların yü-
zeye hareketi ve yüzeyden vakum, yayılmaları, ilk adım değişik uyarım larla gerçekleştirilebilir, foton vey. elektron kullanılabilir. Elektronlar!, uyarmanın yararları vardır. Elektronlar, küçük bir alana odaklanabilirle: değişik bölgelerin ölçülebilmesi içir yüzey taranabilir, genlikleri genelcfc fotonlarınkinden daha yüksek olduğundan elde edilecek sinyal de yük sek olur ve böyiece deneyler gerçe’ zamanda yapılabilir. Üstelik, elekt ron yaratmak da oldukça ucuzdur. Yüzeye doğrultulan elektron deme di, yüzeydeki ve yüzeyin altında ka lan değişik tabakalardaki atomla uyarır. Yani, kristal örgünün yüzey yakın bütün noktalarında yer ala atomların bulunduğu yerlerde ikin cil elektronlar doğar. Böyiece yaratı lan ikincil elektronlar, küresel bire dalga olarak yerel kaynak atomların dan etrafa yayılır ve komşu atomlar dan saçınırlar. Önemli olan, bir at” mun bulunduğu yerde yaratılan ikin cil elektronlardan, diğer bir atomu etrafında oluşanların haberinin olma masıdır. Böyiece ortaya çıkan ikine: elektronlar ne dalgaboyu, ne de fa olarak bir diğerine bağımlı değildin ikincil elektronların yaratılması ej fazlı olmayan bir olaydır. Sonuç ola rak, yanyana iki atomdan salına elektronlar girişim yapamazlar; SE deneyi de bir kırınım deneyi değil dir. Özetle, başarılı sonuçların alına bilmesi için ölçülen örnek yüzeyind ancak tekkristallerde rastlanan uza erimli örgü düzenine gerek yoktur.

ikinci adımı modellemek için, atomlardan yayılan küresel elektron dalgalarını, değişik yönlere giden birer düz dalga olarak kabul edebiliriz. Düz dalgalar, komşu atomlardan sa-çınırlar. Bu saçınım, alçak elektron enerjilerinde her yöne, yüksek enerjilerde ise daha çok elektronun geldiği yöne olmak üzere gerçekleşir. Başka bir deyimle, yaklaşık î keV’un üstündeki enerjilerde elek-tron-atom etkileşmesi, saçınımdan sonra elektronların genliklerini ilen yöne doğru odaklar. Yani atomlar, üzerlerine çarpan bir elektron dalgasına bir yakınsak mercek gibi davranırlar. Bu etkileşmenin sonucu, ikincil elektronların genlikleri, kaynak atomları ile onların etrafındaki komşu atomları birleştiren yönlerde