Nano-teknolojik üretim yöntemleri

Nano fizik kanunları 21’inci yüzyılın siyasetini, ekonomisini, sosyolojisini belirleyecek yeni bir endüstriyel devrimin alt yapısını oluşturmakta ve küreselleşmenin yeni bir dünya düzeni olarak ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Yüz yıl önce koskoca olan dünyamız şimdilerde küçük bir köye dönüşmüştür. Bilgi çağı olarak bilinen bu değişim süreci, dünyayı eski ideolojilerden kopararak bilenler ve bilmeyenler olarak ikiye ayırmaktadır. Bilenler kazanacak bilmeyenler kayıp edeceklerdir. Daha önceleri bu ekrana yansıttığımız nano teknolojiye ait notlarımıza okuyuculardan gelen yoğun istek üzerine devam edeceğiz.

Nano teknolojik üretim prensip olarak fotoğrafçılıkta negatif bir filmden çok sayıda resim çıkartmaya benzer. Burada negatif filimin yerini özel amaçlı devre şemaları, yani maskeler alır. Önce belli bir fonksiyonu yerine getirecek makro boyutta bir akım devresi tasarlanır ve bu devre lazer demeti ile ince metal film üzerine sürülmüş ışığa hassas polimere kazılır. Büyük boyutlarda üretilen maskeler, kromdan yapılmış opak metal ve üzerine sürülmüş şeffaf ince silisyum filmden meydana getirilir. Fotoğrafçılıkta karanlık odada nasıl negatif film resme dönüştürülürse, litografide de, yani nano-teknolojik üretim-yöntemi, maske bir elektrik devresine dönüştürülür. Maske cıva lambasından çıkan ultraviyole ışık ile aydınlatılır ışık merceklerden geçirilerek ışığa hassas özel bir polimer üzerine odaklanır. Böylece silikon tabaka üzerindeki ince polimer filme maskenin resmi çıkarılır. Maskeden geçen ışığın merceklerde daraltılarak polimer üzerine düşürülmesi ile maske Nanoboyutlarda kopyalanır.

Bunlara silikon chip, yani yonga denir.

Maske kopyalamakta kullanılan cıva lambasından elde edilen ışığın dalgaboyu 250 nanometredir. Nanometre bir metrenin milyarda biridir bundan sonra nanometre n.m ile gösterilecektir. Nano herhangi bir fiziksel büyüklüğün milyarda biri anlamına gelir. Bu boyut mikro-elektronik için yeterlidir. Ancak nanoteknolojide 250 n.m den daha küçük aralıklarda sıralanmış atomların kontrol altına alınması söz konusu olduğundan; dalgaboyu 250 n.m olan mor ötesi ışık nanoteknoloji için yeterli hassasiyeti sağlayamaz. Yukarıda belirtilen teknik güçlüklerin nedeni ışığın yeteri kadar küçük dalgaboyuna sahip olmamasıdır. Litografi yöntemi ile nano boyutta fabrikasyon yapabilmek için değişik seçenekler denenmektedir. Ticari olarak seri üretilen devre elemanlarının büyüklükleri 100 n.m civarındadır. Özel amaçlı karmaşık devrelerde büyüklük 70 n.m ye kadar düşürülür. Ancak atomları tek tek kontrol altına almayı amaçlayan nanoteknoloji için bu boyutlar çok büyüktür.

Boyutu nano mertebesine düşürmenin yolu, ultraviyole ışık yerine madde ile etkileşme sürecinde saçılma yapmayan elektron demetleri kullanmaktır. Günümüzde yaygın olarak kullanılan bu yönteme elektron demet litografisi denir. Bu teknikle akım devresi ince polimer film üzerine bir kaç nanometrelik hata ile kazınabilir. Elektron demet enerji artıkça elektrona tekabül eden De Broglie dalgaboyu küçüldüğünden hassasiyet artar. Ancak aletlerin karmaşık ve pahalı olması ve uzun işgücü istemesi nedeni ile bu yöntem yaygınlaşmamıştır.

Diğer bir seçenek ise, mor ötesi ışık yerine dalgaboyu daha küçük olan X-ışınları kullanmaktır. X-ışınlarının dalgaboyları 0;1 n.m ile 10 n.m. arasında değişir. Ancak X-ışınları yayılırken bir dalga gibi davranmasına rağmen madde ile etkileşirken bir parçacık gibi davranır. Kopyalama ise ışığın dalga özelliğinden yararlanılarak yapılır. X-ışını madde ile temas ettiğinde bir parçacık karakteri gösterdiğinden taşıdığı yüksek enerji kopyalamanın yapılacağı malzemeyi tahrip eder.

Yukarıda belirtildiği gibi yüzey fiziği araştırmalarında kullanılmak üzere geliştirilen Tunelleme taraması yapan mikroskobun keşfi nanoteknoloji fabrikasyonunun başlangıcı olmuştur. Çıplak gözle görünmeyen cisimleri optik merceklerle büyüterek görünür hale dönüştüren düzeneklere mikroskop denir. Optik mikroskoplar ancak kullanılan ışığın dalgaboyu boyutunda olan cisimleri algılayarak büyütebilirler. Bir metrenin on binde biri boyutunda olan bir cismi görünür hale getirebilirler. Şayet cisimler aydınlatıcı ışığın dalgaboyundan daha küçükse mikroskop cismi sadece bir nokta gibi görür ve içyapısına ait bir bilgi aktaramaz. Elektron demeti kullanılarak geliştirilen mikroskoplar ise optik mikroskopların algılayamadığı boyutları görüntüleyebilirler. Tunelleme tarama mikroskobu bu amaçla tasarlanmıştır. Elektronun klasik fizik kanunlarının aksine kuantum fizik kanunlarına uyarak, kararlı bulunduğu bir enerji seviyesinden, potansiyel enerji engeline rağmen, Tunelleme yaparak başka bir enerji seviyesine geçebilmesi olayına dayanır. Bu ilginç mikroskobun tungstenden yapılmış sivri ucu, yapısı araştırılan yüzey üzerinde gezdirilirken, yüzey üzerine yerleşik atomların oluşturdukları enerji seviyelerine Tunelleme yapan elektronlar bir akım oluşturur. Mikroskop Tunelleme sonucu meydana gelen bu akımdaki değişimleri ölçerek atomların konumlarını belirler. Yüzeyi, akım gibi bir fiziksel büyüklüğün değişimini ölçerek inceleme, nanoteknolojide kullanılabilecek yeni aletlerin keşfine yol açmıştır. Buna örnek olarak zorlayıcı atomik (Atomic forced Mikroscop) mikroskobun keşfi gösterilir. Mikroskobun 30 n.m. genişliğindeki fiber ucu, yüzey ile temas ettirilir. Lazer ışınlarının yansıması ile yüzeyin dikey geometrisi belirlenir. Böylece, nanometre boyutundaki yüzey üzerine yerleşik atomların tek tek incelenmesi mümkün olur. Ayrıca mikroskop ucu ile atomların sıralanışları ve konumları değiştirilebilir, yüzeydeki ince filmler üzerine atomik boyutlarda iz kazılabilir.

Tarama mikroskobundan çıkan elektron demetinin akım şiddeti artırılarak elektronlara tekabül eden Broglie dalgaboyu nanometre boyutlarına kadar düşürülür. Mikroskobun ucu ile yüzey üzerindeki atomların yerleri değiştirilerek dairesel veya doğrusal geometriler elde edilir. İnce altın varaklar, zorlayıcı atomik mikroskop kullanılarak, sadece tek tabaka organik boya molekülleri ile kaplanır. Bu tekniğe derin kalem litografisi (Dip-Pen Litography) denir. Bu teknik şekilde gösterilmiştir. Yakın gelecekte nanoteknoloji fabrikasyonlarında baş aktör olmaya namzet bir tekniktir.

Nanoteknoloji boyutlarına inmenin diğer bir yolu ise iki tarafından çekilen metal telin içinden geçen akım değişikliklerini ölçerek kopmak üzere olan uçlarda tek bir atomun kaldığı durumu yakalamaktır. Tel çekme kuvvetinin etkisi altında uzar, uzadıkça kesit alanı küçülür. Çekme kontrollü olarak tel bir noktasından kopma aşamasına getirilene kadar sürdürülür. Kopmadan önce, ayrılmakta olan telin her iki ucunda kalan tek atomlar arasında temas devam ederken telden geçen akım kuantize olur, yani makroskopik boyutlardaki süreklilik özelliğini kayıp eder. Akımın bu eşik değeri, kopmakta olan telin iki ucunun son noktalarında sadece tek bir atomla temasın olduğu gösterir. Makroskopik büyüklüklerde akımın kuantizasyonu söz konusu olamaz. Resimde tek bir atomik boyutlara kadar çekilerek küçültülmüş bir işlem gösterilmiştir.

Telin her iki tarafındaki çekme işlemi, metalin kopmadan hemen önce her iki tarafın en uç noktalarında bulunan atomlar arasında bir nanometre kadar uzaklık kalana kadar kontrol altına alınır. Telin her iki taraftan çekilme işlemi organik bir madde içinde yapıldığında iki ileri uç arasında haliyle organik bir köprü oluşur. Nanometre boyutlarındaki organik köprüden geçen akımın özellikleri, bir transistörün veya bir diyot lamba ile aynıdır. Bu teknik de nano teknolojik üretim sürecinde yaygınlaşmaktadır.