20. yüzyılın sonları ve 21. yüzyılın ilk on beş yılı, yeni ve işlevsel malzemeler konusunda yaptığımız çığır açıcı buluşlara şahit oldu. Ekranlarda kullandığımız LED’lerden (hatta şimdi OLED’lerden) tutun da, askeri amaçlı kullanılan metamateryellere, bütün elektronik teknolojisinin kalbinde yer alan silikondan günlük alışverişimizin ayrılmaz parçası olan plastiklere, hepsi bu süreç içinde hayatımıza girdi. Yaklaşık son on beş yıldır da, daha farklı, daha ince ve daha işlevsel malzemeler kousunda yaptığımız çalışmalar, biraz önce saydıklarımdan biraz daha farklı malzemelere doğru kaydı: tek-katmanlı, yani sadece “bir” atom kalınlığında olan malzemeler. 2010 Nobel Fizik Ödülü’ne layık görülen grafenin ardından, araştırmacılar 2014 Eylül ayı içerisinde germanyumdan oluşan tek-katmanlı bir yapının laboratuvarda üretildiğini duyurdular.
Tek-Katmanlı Malzemeler ve Grafen
Tek-katmanlı (İngilizcesi single-layered) malzemeler, geleneksel olarak kullandığımız plastıik, tahta, metal gibi materyallerden oldukça farklı. Genel olarak kullandığımız malzemeler on binlerce atom kalınlığında olurlar. Haliyle de elektrik ve ısı iletimi, ışığa karşı verilen tepkiler gibi fiziksel özellikler gene bu binlerce katman tarafından ortaklaşa gerçekleştirilir. Bütün bu katmanların tepkisini aynı anda kontrol etmek zordur, değiştirmek veya istediğimiz şekle getirmek daha da zordur. Öte yandan, tek-katmanlı malzemeler, sadece bir atom kalınlığındadırlar ve uygun ortam sağlandığı durumda üzerine yerleştirildikleri levhalar (altın, gümüş gibi, sadece tabak işlevi gören levhalar) kadar özelliklerini yitirmeden bükülebilir. Dahası, kontrol etmeniz gereken sadece bir tane tabaka olduğundan, yapacağınız kimyasal ve fiziksel ufak etkiler sonuçlarınızda büyük değişimler yaratabilir.
Pek çok farklı elementten veya bileşikten tek-katmanlı yapılar yapmak mümkün. Ama periyodik tablonun 4A grubunda bulunan karbon, silikon, germanyum ve kalay elementlerinin oluşturdukları tek-katmanlı yapılar hem elektronik hem de optik açıdan çok büyük öneme sahipler. Bu yüzden, bu yazıda “tek-katmanlı ailesi” isim tamlamasını 4A grubu elementleri için kullanacağım.
Grafen, 2004’te İngiltere’de keşfedildikten sonra, pek çok alışılmadık özelliği ortaya çıkan tek-katmanlı bir malzeme. En basitinden, grafenin ince yapısı sayesinde elektronlar çok büyük hızlarda yüzeyde akabiliyor. Dahası, aynı yapının sık dokusu atomların geçişine izin vermiyor, bu sayede ortamdaki atomları istersek tek tek inceleyebiliyoruz. Grafen hakkında daha geniş bilgiye, Açık Bilim’den Bahadır Ürkmez’in makalesini okuyarak erişebilirsiniz.
Aileye Üçüncü Geldi
Germanen, aynen grafen gibi tek-katmanlı bir yapıya sahip malzeme olarak laboratuvardan daha yeni çıktı. Tek-katmanlı malzemeler ailesinin ortanca çocuğu olan silikenden* sonra Eylül 2014 itibariyle İspanya, Almanya ve Fransa’dan katılan araştırmacı gruplarının yoğun çabaları sonrasında altın bir yüzey üzerinde tek-katmanlı germanyum atomları tarafından oluşturuldu[1]. İlgili çalışmaya bu bağlantıdan ulaşabilirsiniz.
Tek-katmanlı yapıların oluşturulması pek de kolay bir işlem değil. Binlerce katmanı kabuk soyar gibi teker teker kaldırmak ve en sonunda sadece bir sıra atomu bırakmak, yaklaşık olarak metrenin on milyarda biri gibi bir kalınlıktan bahsettiğimiz için pek de mümkün değil (grafen bu durumda biraz istisna kalıyor). Bu sebeple araştırmacılar atomları bir yüzey üzerine teker teker yapıştırmayı denediler. Elbette böyle bir işlem için öncelikle çok yüksek sıcaklıklara ihtiyaç var ki atomlar gerekli enerjilere ulaşıp yüzeye yapışabilsinler. Ayrıca, çok çok düşük basınçlı ortamlar da -basınç düştükçe aslında ortamda bulunan moleküller azaldığı ve bu sayede de iki atomun üst üste yapışma ihtimali çok düştüğü için- germanen üretiminin olmazsa olmazı. Araştırmacılar germanyum atomlarını tutturmak için ilk başta gümüş yüzeyler denemiş olsalar da, istedikleri sonucu alamadıkları için altına yönelmişler. Bu tercih sonucunda da, germanyum atomlarını yüzeye tek atom kalınlığında bir tabaka oluşturacak şekilde tutturmayı becermişler.
Tek-Katmanın Getirdikleri
Aynı grafende olduğu gibi, germanen de tek katmanlı ve bal peteği de denen altıgen bir yapıya sahip. germaneni oluşturan germanyum atomları grafendeki karbon atomlarına kıyasla çok daha büyükler. Bu, grafenin sahip olduğu düz yapıyı biraz bozuyor ve germeneni hafif girintili-çıkıntılı bir yapıya sahip kılıyor. Bu girintiler ve çıkıntılar, elektronların yüzey üzerinde ilerleme hızlarını değiştiriyor ve elektronların hızı grafendekine göre yaklaşık %33 azalıyor. Gene de, elektronlar silikonda olduklarından yaklaşık 65 kat daha hızlı hareket edebiliyor. Grafenden farklı olarak, girdili çıktılı yüzey germanende bir bant aralığı oluşmasını sağlıyor; germanenden yaptığımız bir elektrik devresini açıp kapayabiliyoruz, dahası elektrik alanı uygulayarak bu bant genişliğini de değiştirebiliyoruz. Bu sayede de aslında malzememizin elektrik iletkenliğini kolay yoldan kontrol etmiş oluyoruz. Hızları bir yana, elektronların yüzeyde oluşan fononlarla** etkileşiminin düşük olması onların daha az kayıpla uzun mesafelere taşınmasına imkan veriyor [2]. Biraz daha teknik detay verecek olursak, germanen aynı zamanda topolojik bir yalıtkan, yani yüzeyin iç kısımlarında (bu durumda germanen levhasının kenarlardan uzak kısmında) yalıtkan gibi davranıyor ancak kenarlara geldiğinizde iletken özellik gösteriyor. Dahası, bu durum malzemeyi eğip bükmenizden, ikiye-üçe-dörde bölmenizden, yüzeye başka atomları katmanızdan etkilenmiyor. Böylece hem elektronik anlamda kontrol edilebilen ve pek çok farklı özellik sunan bir malzemenin yanında, oldukça esnek bir yapı da ortaya çıkmış oluyor.
Güzel Günler Göreceğiz
Henüz yeni üretilmiş bir malzeme olsa da, germanen kuramsal olarak yaklaşık on yıldır biliniyor. Bu yüzden aslında kendisinden beklentiler şimdiden oluşmuş durumda. Elektriksel ve optik özellikleri sayesinde germanenin geleneksel devrelere eklenmesi, hatta zaman içerisinde silikonun yerini alması bu beklentiler arasında. Şimdi sıra, tahmin edilen kuramsal özelliklerin deney yoluyla doğrulanmasında. Bu süreç içerisinde hem bildiklerimiz artacak, hem de teorik olarak henüz incelemediğimiz yeni özellikler keşfedebileceğiz.
*Siliken: Silisyum atomlarnın grafen ve germanende olduğu gibi tek katmanlı bir yapı haline gelerek oluşturdukları materyel.
**Fonon: Yoğun madde fiziğinde atomların birlike uyarıldıkları duruma verilen isim. Farklı frekanslarda meydana gelebilen fononlar, aslında birer parçacık olmasalar da zaman zaman “parçacığımsı” olarak adlandırılırlar.
Kaynakça:
1-M E Devila et al 2014 New J. Phys. 16 095002
2-Nathanael J. Roome ve J. David Carey, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 (10), pp 7743–7750
Yorum Ekle