Nano Malzemeler için Üretim Yöntemleri

Nano Malzemeler için Üretim Yöntemleri

Nano teknoloji, milyarda bir birimde atomlar ve moleküller seviyesinde (1 ila 100 nm aralığında) çalışarak, geliştirilmiş ve/veya tamamen yeni fiziksel, kimyasal, biyolojik özelliklere sahip yapıların ortaya çıkarılmasıdır. Genelde malzeme özellikleri ve cihazların çalışma prensipleri geleneksel modelleme ve teorilere (100 nm’den büyük boyutlar temelindeki varsayımlar) dayanmaktadır. Ancak boyutlar 100 nm’nin altına indirildiğinde ise geleneksel teori ve modeller, ortaya çıkan özellikleri açıklamakta yetersiz kalmaktadır.

ÜRETİM YÖNTEMLERİ

Nano malzeme ve yapı üretilmesinde yukardan-aşağıya ve aşağıdan-yukarıya üretim olarak iki genel yaklaşım .Yukardan aşağıya olarak isimlendirilen ilk yaklaşımda bütün halindeki malzeme ile işleme başlanır ve malzeme küçük parçalara ayrılır. Bu ana yaklaşımda özel işleme ve kimyasal aşındırma teknikleriyle litografi, son derece kusursuz yüzey şekillendirmeyle, mikroskobik elementlerin yapısal boyutları nanometre ölçeğine indirilir. Aşağıdanyukarıya üretim yaklaşımında ise malzeme, atomların ve molekülerin kimyasal reaksiyonlarla boyutça büyümesi sonucu sentezlenerek elde edilir.

 

1. Yukarıdan Aşağıya Yaklaşımı

Yukarıdan-aşağıya yaklaşımı, makineler, asitler ve benzeri mekanik ve kimyasal yöntemler kullanılarak nano yapıların fabrikasyonu ve imal edilmesi yöntemlerini ifade eder. Hacimsel malzemelerden nano parçacık üretirken birçok yöntemden faydalanılır. Bu yaklaşımdaki yöntemler yüksek enerjili bilyeli öğütme, mekano-kimyasal işlemler, dağlama, elektro patlatma, sonikasyon, püskürtme ve lazer ablasyonu, litografi (baskı), kimyasal, ısıl ve doğal yöntemleridir.

a- Mekanik aşındırma

Mekanik öğütücülerle boyut küçültme işleminin temelinde numuneye, öğütücü ortam ve numune arasındaki çarpışmalar sonucu enerji uygulamasına dayanır. Şekil 2’de öğütücü ve içindeki işlemler verilmiştir.

b-Elektro patlama

Bu yöntemin temel prensibi, soy ya da reaktif gaz ortamında, çok yüksek sıcaklıkta ve çok kısa zamanda, ince metal tel içinde çok yüksek akım oluşturmaya dayanır.

c- Dağlama

Bu yöntem özellikle mikro-elektromekanik sistemlerde kullanılan başlıca yöntemlerden biridir. Düz yüzeyler üzerinde dağlama yöntemiyle düzenli, nanometre boyutunda yapılar oluşturulabilir.

d- Isıl yöntem

Yukarıdan-aşağıya imalat yöntemlerinde, ilaveten belirlenmiş sıcaklık değerleri uygulanırsa izlenen yönteme ısıl yöntem denir. Buradaki ısıtma, klasik ısıl işlemler olup, lazerle ısıtma gibi yüksek enerji yöntemlerini bu yöntemden ayırmak gerekir.

e-Dönen soğuk yüzeyde katılaştırma yöntemi

Bu yöntemde ergitilen malzeme bir nozul vasıtasıyla dönen soğuk bir yüzeye püskürtülür. Bu işlemde yüksek hızlarda püskürtme ile malzeme küçük boyutlara inerken, dönen yüzeyde de ani soğuma ile katılaşma meydana gelmiş olur. Yüzey üzerinde yoğunlaşan bu malzeme nano boyuttadır.

f-Gaz atomizasyonu

Bu yöntemde yüksek hızlardaki asal gaz, metal ergiyik hüzmesine püskürtülür. Meydana gelen çarpışma sonucu nano boyutta metal parçacıkları oluşur. Katılaşma sonucu nano boyutta taneciklerden oluşan toz elde edilir.

g-Yüksek enerji yöntemi

Yüksek akım arkı, lazer ve güneş enerjisi altında buharlaştırmada, sırasıyla yüksek elektrik akımı, monokromatik radyasyon ve güneş radyasyonu katı bir plakaya yönlendirilerek nano parçacıklar elde edilir.

h-Litografi, aşırı ultraviyole litografi (EUV)

Yeni nesil mikro elektronik endüstrisi için bu yöntemin geliştirilmesi endüstriyel şirket birlikleri ve kamu fon programları tarafından yoğun olarak desteklenmektedir. 13 nm’de EUV litografisi, 45 nm ve altında parça boyutu elde edilmesini sağlamaktadır.

ı-Yumuşak litografi (desenleme), nano-damgalama

Nano damgalama gibi yumuşak litografi teknikleri, laboratuvarlarda uygulanabilen en ucuz ve en hızlı nano litografi tekniklerindendir. Elastomerden oluşan bir damga, tabaka üzerine baskı yapıldığında, kendiliğinden düzenlenebilen tek bir katman oluşturabilen bir mürekkeple kaplanır. Bu tek katman daha sonra, oyma ya da yüzey reaksiyonu gibi sonraki işlemlerde maske işlevi görmektedir. Damganın kendisi, bir kalıptan litografiyle şekillendirilerek dökülmektedir ve elektron- ışınlarıyla oyma gibi yüksek-çözünürlük teknikleri kullanılarak, 10 nm kadar küçük boyutlarda parçalara sahip olabilmektedir.

.2. Aşağıdan Yukarıya Yaklaşımı

Nano teknoloji ’deki üretimlerde aşağıdan yukarıya imalat atomları ve molekülleri tek tek işleyip bir nano yapı meydana getirmektir. Kainattaki doğal nano boyutlardaki işleyişler de hep bu şekilde aşağıdan yukarıya imalat yöntemi ile meydana gelmiştir. Dolayısıyla aşağıdan-yukarıya üretim yöntemleri genellikle organik malzemelerde görülür.

a-Asal gaz yoğunlaştırma yöntemi

Asal gaz yoğunlaştırma yöntemi esnekliği ve kontrollü bir şekilde malzeme üretimi sağlayabildiği için oldukça popüler bir nano parçacık üretim yöntemidir. Yöntemin çalışma prensibi, başlangıç malzemesinin temiz helyum atmosferinde buharlaştırılıp helyum atmosferinde oluşan buharın soğutulmasına dayanır. Bu işlemi atomların yoğunlaşarak nano parçacıklara dönüşmesi izler ve oluşan nano parçacıklar konveksiyonel taşınarak toplayıcıda birikir.

b-Alev sentezi

Alev sentezi diğer nano parçacıkların üretim yöntemlerine kıyasla oldukça az enerjiye ihtiyaç duyar ve üretim maliyeti oldukça düşüktür. Kullanılan yakıtın bir kısmı ısıtıcı kaynağı olarak kullanılırken, artan kısmı reaktant olarak kullanılır. Aynı zamanda alev sentezinde kullanılan reaktör diğer reaktör ve fırınlara göre geometrik olarak çok yönlüdür. Sistem oldukça karışık bir kimyasal reaksiyon akısı göstermektedir ve birçok parametrenin kontrol edilmesi gerekir. Bunlar sıcaklık, kimyasal ortam ve zamandır.

c-Kimyasal buhar yoğunlaştırma yöntemi

Nano parçacık üretilmesinde kimyasal sentezleme yöntemi giderek artan bir önem kazanmaktadır. Kimyasal buhar yoğunlaştırma yönteminin en büyük avantajı hemen hemen her tür malzemeye uygulanabilir olmasıdır. Başlangıç malzemesi olarak pahalı olmayan ve kolay ulaşılabilir malzemeler kullanılabilmekte ve aglomera olmamış parçacıklar üretilebilmektedir.

d-Moleküler huzme (ışın) epitaksi

Moleküler ışın epitaksi metodu (MBE) oksitlerden yarı iletkenlere ve metallere kadar çok çeşitli aralıktaki ince epitaksiyel filmlerin büyüme sürecidir. İlk olarak bileşik yarı iletkenlerin büyümesinde uygulanmıştır. Bu malzemelerin elektronik endüstrisinde kullanımı gibi yüksek teknolojik değerinden dolayı hala yaygın bir kullanımı vardır.

e-Atom tabaka çökeltmesi

Kimyasal buhar çökeltmede olduğu gibi, bu yöntemde de hazırlanmış yüzey üzerine buharlaştırılmış malzemenin çökeltilmesi durumu söz konusudur. Bu yöntemde plaka üzerinde her defasında bir molekül kalınlıkta film tabakası oluşturulur.

d-Yanma

Malzemenin özelliklerine göre yanma işlemi gerçekleştirilirse nano boyutlarda malzeme imalatı gerçekleştirilebilir. Örneğin karbon grafit uygun şartlarda yakılırsa, alevinde tek ve çok duvarlı nano tüpler oluşur. Yanma yöntemi nano kompozit malzemelerdeki çok duvarlı nano tüpleri oluşturmak için oldukça gelişmiş bir üretim yöntemidir.

e-Yaş Kimyasal Sentez

Nano malzeme üretmek için kullanılabilecek, jel-işleme ya da çöktürme metotları gibi, birkaç yaş kimyasal yöntem mevcuttur. Bunlarda nano malzemeler, başlatıcı malzemelerin çözeltilerde ya da kolloidlerde özel yöntemlerle işlenmesiyle elde edilmektedirler. Nano malzemeler, kendine has özellikleri olan nano tozlar ya da nano kaplamalar elde etmek üzere ayrıştırılabilir ve işlenebilirler.

f-Elektro-Patlama

Uzmanlara göre, bu yöntem pahalı ve yavaştır ve yalnızca belirli malzemelerin (tel oluşturabilecek kadar bükülgen olabilenler) kütlesel haline ve belli kullanım alanları için uygulanabilir.

g-Lazer Ablasyonu

Katıların gaz veya vakum altında lazer ablasyonuyla nano parçacıkların oluşumu son yirmi yılda yaygın bir şekilde incelenmektedir. Küme oluşumların mekanizmasının anlaşılması günümüzde geniş olarak değişik bileşiklerin biriktirilmesinde kullanılan darbeli lazer biriktirme (PLD) işleminin kontrolüne bağlıdır. Sıvı bir ortamda, lazer ablasyonunun altında nano küme oluşumu çok daha az araştırılmıştır. Bu yöntem, pahalı bir donanımın kullanımını gerektirmektedir. Kimyasal yöntemlere göre ise çöktürme hızı oldukça düşüktür. Genellikle, enerji dönüşümü etkisizliği nedeniyle de pahalı bir yöntemdir.

h-Sol-Jel yöntemi

Sol-Jel yöntemi metal alkoksit ve inorganik tuz gibi başlangıç çözeltilerin hidroliz ve yoğunlaşma reaksiyonlarına dayanan bir yöntemdir. Sol-jel yönteminin oldukça pahalı ve zahmetli olmasına karşın nano parçacık üretiminde tercih edilmesinde, bu yöntemin üstün bazı avantajları büyük rol oynamaktadır. Bu avantajlar minerallerden ve kimyasallardan, arzu edilen boyutta ve şekilde malzemelerin kontrollü bir şekilde, moleküler göstergede homojen olarak, geliştirilmiş süreç adımlarıyla üretilebilmesi şeklinde sıralanabilir. Ancak sistemin pahalı ve zahmetli olmasının dışında en büyük dezavantajı, elde edilen ürün miktarının giren ürüne göre çok küçük olması yani verimin çok az olmasıdır.

ı-Ultrasonik sprey Piroliz (USP) yöntemi

Toz üretim teknolojisi açısından Ultrasonik Sprey Piroliz (USP) küresel ve aglomere olmamış, çok geniş bir aralıkta değişen kimyasal bileşime, boyuta ve morfolojiye sahip nano boyutlu parçacıkların üretilmesine imkân veren çok yönlü bir yöntemdir. Yöntemde, yüksek safiyette metal tuzlarının veya ikincil hammaddelerin temizlenmiş liç çözeltileri kullanılmaktadır.

i-Diğer Üretim Yöntemleri

Burada örnek olarak verilebilecek mikrodalga teknikleri enerji dönüşüm verimsizlikleri nedeniyle pahalıdırlar. Diğer yöntemler ultrason teknikleri ve elektron biriktirme süreçlerini içerirler. Bunların bilimsel olarak daha iyi anlaşılması, aşılması gereken güçlükler halen çalışılmaktadır. Süper kritik akışkan (SKA) biriktirme işlemi oldukça karmaşık bir işlemdir ve pahalı donanımın kullanımını gerektirmektedir. Bazı uzmanlara göre, yüksek saflıktaki nano parçacıklar için pazar talebi yeterli olduğunda, geliştirme ve iyileştirme sorunları, gelişmekte olan teknik bilgiler kullanılarak çözülebilir.

Kaynak: Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part:C, Tasarım Ve Teknoloji GU J Sci Part:C 3(2):483-499 (2015)

İlk yorum yapan olun

Bir yanıt bırakın