Production of diamond-like carbon films and modelling of piezoresistance/optical properties
Elmas benzeri karbon filmlerin üretimi ve piezodirenç/optik özelliklerinin modellenmesi
- Tez No: 989539
- Danışmanlar: PROF. DR. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Metallurgical Engineering, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Film kaplama, Fiziksel buhar biriktirme, Optik malzemeler, Yüzey kaplama malzemeleri, İki boyutlu malzemeler, Film coating, Physical vapour deposition, Optical materials, Surface coating materials, Two dimensional materials
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Karbon elementi doğada birçok farklı atomik düzende bulunmaktadır ve birbirinden farklı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir. Dünya'daki yaşamın temel taşı olan karbon, eşsiz özelliğini apolar yapısına ve çok sayıda bağ yapabilmek kabiliyetine borçludur. Karbon atomunun sahip olduğu dört değerlik elektronu başka elementlerle olduğu kadar diğer karbon atomlarıyla yaptığı bağ konfigürasyonlarında da kritik bir role sahiptir. Karbon atomları birbirleriyle yaptığı kovalent bağlarda üç farklı hibritleşme tipine sahip olur. Elektronların ortak kullanım şekline göre isimlendirilen sp, sp2 ve sp3 hibritleşmeleri karbon atomunun özelliklerini doğrudan etkilemektedir. Örneğin sp3 hibritleşmesi yapmış bir karbon atomu dört farklı karbon atomuna güçlü kovalent bağlarla (σ) bağlanmaktadır. Elmas yapısında görüldüğü için bu isimle anılan sp3 hibritleşmesi karbon atomuna bilinen en sert malzeme olma özelliğini kazandırmaktadır. Mekanik sertlik ve mukavemetin yanı sıra serbest elektron bulunmayışı elmas-benzeri karbon yapısının elektriksel olarak yalıtkan olmasına neden olmaktadır. Öte yandan sp2 hibritleşmesi yapan karbon atomlarında ise karbon atomu diğer bir karbon atomu ile ikili bağ yapısını kurar. Bu bağlanma biçiminde bağlardan birisi σ bağı iken diğeri π bağıdır. Bu bağ yapısı grafitte görüldüğü için aynı isimle bilinmektedir ve sp2 hibritleşmesi yapmış karbon atomları mekanik olarak sp3 hibritleşmesine göre daha düşük mekanik özelliklere sahiptir ancak yapısında bulundurduğu π bağları sayesinde elektriksel olarak iletkendir. Ayrıca atomik bağ konfigürasyonları karbon yapılarının optik bant genişliklerini de etkilemektedir. Elmas-benzeri karbon, sp2 ve sp3 hibritleşmesi yapmış karbon atomlarının meydana getirdiği hibrit amorf karbon yapısıdır. Genellikle sp3 hibritleşmesi yapan karbon atomu matrisi içerisinde sp2 hibritleşmesi yapmış karbon atomu kümeleri dağılmaktadır. sp2 hibritleşmesi yapan karbon adacıklarının büyüklüğü, dağılımı ve birbirine olan uzaklığı nihai yapının mekanik, optik ve elektriksel özelliklerini belirlemektedir. Elmas-benzeri karbon yapılarının mekanik bir yüke maruz kaldığında yapısındaki sp2 hibritleşmesi yapan kümeler arası mesafe değişmektedir. Çekme ve basma yüklerine bağlı olarak bu mesafeler artar ya da azalır. Atomik düzeydeki bu değişim elmas-benzer karbon yapısının elektriksel iletkenliğini değiştirmektedir. Elektriksel direncin mekanik gerinime bağlı değişimine piezodirenç etki denilmektedir. Bu çalışmada plazma-destekli kimyasal buhar biriktirme tekniğini kullanılarak elmas-benzeri karbon filmler üretilmiştir. Kaplama parametrelerinden RF gerilimi ve kaplama basıncı kontrolü olarak değiştirilerek üretim parametrelerinin elmas-benzeri karbonun kimyasal yapısına, optik özelliklerine ve elektriksel davranışına etkisi araştırılmıştır. Farklı bias gerilimi, basınç ve sürelerde elmas-benzeri karbon filmler çeşitli altlıklar üzerine tek-katmanlı yapılar olarak biriktirilmiştir. Çalışmanın optik ve piezodirenç fazına uygun olacak şekilde her bir deneysel çalışma için (100) yönelimli tek-kristal silikon, farklı tipte cam (Zerodur, K9, fused silika ve Corning-2945) ve germanyum altlıklar kullanılmıştır. Üretim parametrelerinin elmas-benzeri karbonun kimyasal yapısına etkisinin incelenmesi ve amorf karbonun üçlü faz diyagramında yerinin tespit edilmesi adına X-ışını fotoelektron spektroskopisi ve Raman spektroskopisi analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu analizler sayesinde elmas-benzeri karbon filmlerin sp2/sp3 oranı, sp3 hibritleşmesi yapan karbon atomu boyutu, ID/IG oranı yapıya katılan hidrojen miktarı gibi yapısal özellikler ortaya çıkarılmıştır. Ek olarak yüzey pürüzlülüğü ve kalınlık ölçümleri ile elmas-benzeri karbon filmlerin kaplama parametrelerine bağlı olarak birikme trendi de anlaşılmıştır. Birikme hızı gibi üretim sistemine bağlı parametreler optik ve piezodirenç özelliklerin modellenmesinde girdi olarak kullanılmıştır. İlk olarak çalışmanın optik fazına ilişkin fiziksel temellerden yola çıkılarak kurulan optik model ile elmas-benzeri karbon filmlerin optik özellikleri modellenmiştir. Biriktirilen tek-katmanlı filmlerin optik sabitleri ellipsometri ölçülmüş ve Herzberger dispersion eşitliği benzetimi yapılmıştır. Elmas-benzeri karbon yapıların optik modeli Python ortamında oluşturulmuştur. Tek-katmanlı DLC filmlerin optik modelinde DLC film optik kırılma indisi, soğurma katsayısı ve film kalınlığı girdi olurken; optik yansıtıcılık ve geçirgenlik değerleri model çıktısı olmuştur. Daha sonra tek-katman filmlerin optik özellikleri (yansıtıcılık ve geçirgenlik) elektromanyetik tayfın görünür, yakın kızılötesi ve orta kızılötesi bölgeleri için spektrofotometre ve Fourier-dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi kullanılarak ölçülmüştür. Deney sonuçlar ile model sonuçlar farklı altlıkla ile kıyaslanarak model doğrulaması yapılmıştır. Bu aşamada DLC filmlerin üretim parametrelerine bağlı olarak bant aralığı ve Tauc eğrileri belirlenmiştir. Böylece üretim parametrelerine bağlı olarak DLC film yapısında meydana gelen değişimlerin optik özelliklere yansıması ortaya çıkarılmıştır. Bu etkilerde özellikle sp2/sp3 oranı ve hidrojen miktarına bağlı olarak optik davranışta meydana gelen değişimler incelenmiştir. Daha sonra sadece karbon atomlarından oluşan ve sadece üretim parametrelerinin değişimi ile elde edilebilecek çok katmanlı elmas-benzeri karbon yapıları modellenmiştir. Çok katmanlı modellemede DLC filmlerin optik sabitleri ve kalınlık bilgileri tek-katmanlı filmlerin incelemesi sonucu elde edilen Herzberger benzetimi ve birikme hızı bilgileri kullanılmıştır. Farklı merkez dalgaboyuna sahip çok katmanlı yapılar model parametrelerine göre üretilmiştir. Parametre kontrolü ile istenilen özelliklere sahip çok katmanlı yapıların tasarlanabilirliği ispatlanmıştır. Çalışmanın ikinci fazında ise, elmas-benzeri karbon atomlarının piezodirenç özelliklerinin belirlenmesine yönelik bir test çalışması yürütülmüştür. Özel olarak tasarlanan ve üretilen 3-nokta eğme test mantığı üzerine kurulan elmas-benzeri karbon filmler için piezodirenç özelliklerini belirleme test sistemi kullanılarak farklı parametrelerle üretilen elmas-benzeri karbon filmlerin ölçü faktörü ve direncin sıcaklık katsayısı parametreleri belirlenmiştir. Öncelikle, silikon malzemesi bir yarı iletken olduğu için çalışmanın elektriksel fazında silikonun altlık olarak kullanılabilmesi için elektriksel olarak pasifleştirilmesi gerekmiştir. Bu nedenle (100) yönelimli tek-kristal silikon altlıklar DLC kaplama öncesinde kuru termal oksidasyon işlemine tabi tutularak kaplama yüzeyinde bir SiO2 katmanı oluşturulmuştur. SiO2 katman kalınlığının altlık yüzey direncinde kritik bir öneme sahip olduğu için oksidasyon parametrelerine bağlı olarak elektriksel direnç ve kalınlık incelemesi yapılmıştır. Bu aşamada termal oksidasyon sıcaklığı ve oksidasyon süresine bağlı olarak deneysel çalışmalar yapılmıştır. SiO2 kalınlığı ile silikon malzemesinin 300 nm - 2000 nm aralığındaki optik yansıtıcılığı incelenerek belirlenmiştir. Bu aşamada optik fazda kullanılan tek-katmanlı optik modelden faydalanılmıştır. Kalınlık - elektriksel direnç incelemesinin ardından optimum oksidasyon parametreleri belirlenmiştir. Piezodirenç çalışmalarında kullanılan silikon altlıklara DLC film kaplama işlemi öncesinde kuru termal oksidasyon işlemi uygulanmıştır. Elmas-benzeri karbon filmler için eğme test sistemi DLC film kaplı silikon ve fused kuvars numuneleri eş zamanlı gerinime maruz bırakıp ve elektriksel dirençlerini ölçebilecek şekilde tasarlanmıştır. Gerinimin hassas olarak ölçümü ise lazer deplasman ölçer ile sağlanmıştır. Ek olarak sadece statik değil aynı zamanda dinamik yükler de test sistemine entegre edilen aygıtlar ile uygulanabilmiştir. Test sisteminin üretimi ise eklemeli imalat ile gerçekleştirilmiştir. Elmas-benzeri karbon filmler için eğme test sisteminin kendi ağırlığı altında eğilmemesi adına üretimde kullanılacak filamanların tipi ve oryatasyonuna yönelik bir çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada 5 farklı (0°, 30°, 45°, 90° ve hibrit) filaman yönelimine sahip numuneler üretilerek mekanik dayanım testlerine tabi tutulmuştur. Bu numunelerin dinamik ortamdaki davranışlarını görmek adına modal test ve analiz çalışmaları da yapılmıştır. Bu çalışmada CFRP ve GFRP malzemeleri incelenmiştir. Bulgular neticesinde hem mekanik hem de dinamik olarak istenilen özelliklere hibrit yönelimli numunelerin sahip olduğu anlaşılmıştır. Böylece elmas-benzeri karbon filmler için eğme test sisteminin mekanik parçaları 3-boyutlu yazıcı kullanılarak hibrit yönelimli filaman konfigürasyonunda üretilmiştir. Elmas-benzeri karbon filmler için eğme test sistemi ile elde edilen deneysel sonuçlar kullanılarak COMSOL Multiphysics 6.1 programında üretim parametrelerine bağlı bir elmas-benzeri karbon malzeme kütüphanesi oluşturulmuştur. Bu malzeme kütüphanesinde DLC filmlerin sıfır-gerilim direnci, film kalınlığı ve piezodirenç matrisi yer almıştır. Simülasyon sonuçları ile deney sonuçları birbiri ile karşılaştırılmıştır. DLC filmlerin ölçü faktörü değerleri ölçülmüştür. Ek olarak farklı üretim parametrelerine bağlı olarak DLC filmlerin direncin sıcaklık katsayısı da sıfır-gerilimde ölçülmüştür. Bu katsayı ölçümü -20°C ile +80°C arasında gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmasının optik fazının sonunda, farklı optik davranışlara sahip elmas-benzeri karbon filmler kullanılarak, sadece karbon atomundan oluşan ve elektromanyetik tayfın farklı dalgaboyu aralıklarında çalışabilecek çok katmanlı optik eksiltme tipi filtreler tasarlanmıştır. Bu filtreler Zerodur cam ve germanyum altlıklar üzerinde modellenmiştir. Tasarlanan filtrelerin temel özellikleri derlenmiş ve potansiyel uygulama alanları değerlendirilmiştir. Tez çalışmanın piezodirenç fazının sonunda ise basit bir geometriden yola çıkılarak elde edilen malzeme bilgileri kullanılarak sonlu elemanlar analizleri gerçekleştirilmiştir. Farklı üretim parametrelerine sahip elmas-benzeri karbon yapılarına ait piezodirenç katsayıları kullanılarak karmaşık geometrideki sensör tasarımları yapılmıştır. Tasarım alternatifleri için tamamlanan analizlerde geometri ve elmas-benzeri karbon özelliklerine bağlı olarak farklı sensör performansına sahip ivmeölçerler ortaya çıkarılmıştır. Tasarım alternatiflerinin hassasiyet, orantı katsayısı, orantı katsayısı sıcaklık bağımlılığı ve ölçüm aralığı gibi özellikleri incelenerek potansiyel kullanım alanları değerlendirilmiştir.
Özet (Çeviri)
Carbon is a unique element that occurs naturally in various atomic configurations, each exhibiting distinct physical and chemical properties. As the fundamental building block of life on Earth, carbon owes its versatility to its nonpolar nature and exceptional ability to form multiple covalent bonds. The presence of four valence electrons enables the carbon atom to form a wide range of bonding configurations, both with other elements and with other carbon atoms, playing a crucial role in determining the resulting structural and functional characteristics. Carbon–carbon covalent bonds are characterized by three primary types of hybridization: sp, sp2, and sp3. These hybridization states directly influence the electronic structure and, consequently, the physical, chemical, and optical properties of carbon-based materials. For instance, a carbon atom exhibiting sp3 hybridization forms four strong σ bonds with neighboring atoms. This tetrahedral bonding arrangement, observed in diamond structures, imparts exceptional mechanical hardness and strength to the material. Furthermore, the absence of free electrons renders diamond-like carbon electrically insulating. In contrast, carbon atoms with sp2 hybridization form double bonds consisting of one σ bond and one π bond. This bonding configuration, characteristic of graphite, results in lower mechanical strength compared to sp2-bonded structures. However, the presence of delocalized π-electrons enables significant electrical conductivity. Additionally, the atomic bonding configurations determined by the hybridization state of carbon atoms have a direct influence on the optical band gap of the resulting carbon materials. Diamond-like carbon (DLC) is an amorphous hybrid carbon structure composed of both sp2 and sp3 hybridized carbon atoms. Typically, clusters of sp2-hybridized carbon atoms are dispersed within a matrix predominantly formed by sp2-hybridized carbon. The size, distribution, and inter-spacing of these sp2-bonded carbon islands critically determine the mechanical, optical, and electrical properties of the final DLC structure. When subjected to mechanical loading, the inter-cluster distances between sp2-hybridized regions in the DLC structure can change. These distances increase or decrease depending on whether the material experiences tensile or compressive strain. Such atomic-scale structural modifications directly affect the electrical conductivity of the DLC, giving rise to variations in electrical resistance as a function of mechanical strain—a phenomenon known as the piezoresistive effect. In this study, DLC thin films were deposited using the plasma-enhanced chemical vapor deposition technique. The influence of deposition parameters on the chemical structure of DLC films was systematically investigated. DLC films were deposited as single-layer structures onto various substrates under different combinations of bias voltage, pressure, and deposition time. Depending on the intended characterization phase—optical or piezoresistive—substrates such as silicon, different types of glass, and germanium were employed. In order to examine the influence of deposition parameters on the chemical structure of DLC films and to position them within the ternary phase diagram of amorphous carbon, X-ray photoelectron spectroscopy and Raman spectroscopy analyses were conducted. These analyses provided key insights into the sp2/sp3 bonding ratio, cluster size of sp3-hybridized carbon atoms, ID/IG ratios, and the hydrogen content within the films. Additionally, surface roughness and film thickness measurements were performed to evaluate the deposition trends as a function of the process parameters. In the first phase of this study, the optical properties of DLC films were modeled based on a physically grounded optical model. The optical constants of the deposited single-layer films were measured using spectroscopic ellipsometry, and the data were fitted using the Herzberger dispersion equation. After establishing the optical model for DLC structures in Python, the optical characteristics of the films were further evaluated across different regions of the electromagnetic spectrum using Visible-NIR spectrophotometry and FTIR spectroscopy. Experimental results were compared with the modeled outputs across various substrates to validate the developed model. Subsequently, multilayered DLC structures, composed solely of carbon atoms and differing only by variations in deposition parameters, were theoretically designed and modeled. Multilayer structures tuned for specific central wavelengths were generated by adjusting model parameters. The results demonstrate that it is feasible to design DLC-based multilayer structures with targeted optical properties via only the control of process parameters. In the second phase of the study, a dedicated test setup was developed to investigate the piezoresistive behavior of DLC films. Using a custom-designed three-point bending test system, DLC films fabricated under varying deposition parameters were evaluated in terms of gauge factor and gauge factor stability. The system was specifically designed to simultaneously subject DLC-coated silicon and fused quartz substrates to mechanical strain while monitoring their electrical resistance in real time. High-precision strain measurements were achieved using a laser displacement sensor. In addition to static loading, the system was also equipped to apply dynamic mechanical loads using integrated actuators. The three-point bending apparatus was manufactured using additive manufacturing techniques. To prevent structural deformation under the self-weight of the system, an optimization study was conducted on the selection and orientation of printable materials. In this context, CFRP and GFRP materials were evaluated. Based on the results, the mechanical components of the test system were produced using 3D printing technologies. Experimental data obtained from the bending tests were then used to construct a DLC material property library within COMSOL Multiphysics 6.1, parameterized by deposition conditions. The numerical simulations were compared against experimental results for validation and refinement of the material models. After the optical phase of the thesis, multilayer optical notch-type filters composed solely of carbon atoms were designed using DLC films with different optical properties. These filters were tailored to operate within specific wavelength ranges across the electromagnetic spectrum. The fundamental characteristics of the designed filters were compiled, and their potential application areas were evaluated. In the final part of the piezoresistive phase, FEA were performed based on material properties extracted from simplified geometries. Using piezoresistive coefficients obtained from DLC structures fabricated under different deposition conditions, complex geometry sensor designs were developed. The simulation results for various design alternatives revealed accelerometer configurations with diverse performance metrics, depending on the geometry and material properties of the DLC layers. Key performance indicators such as sensitivity and measurement range were examined for each design, and their potential application areas were assessed accordingly.
Benzer Tezler
- Çimentonun sertleşmesi üzerinde kimyasal komponentlerin etkisi
Başlık çevirisi yok
NACİYE TÜRKEL
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Kimya MühendisliğiUludağ ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA CEBE
- Bazı esterlerin kinetik incelenmesi ve termodinamik parametrelerin belirlenmesi
Kinetic study and detesmination of thermodnamic parameters of some esters
İBRAHİM TAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Kimya MühendisliğiUludağ ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA CEBE
- Sivas-Kangal yöresinde kırsal gelişme ve pazara açılma sürecindeki farklılaşmalar (bir örnek olay incelemesi)
Başlık çevirisi yok
FAHRİ ERCEM
Yüksek Lisans
Türkçe
1984
SosyolojiCumhuriyet ÜniversitesiSosyoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. A. VAHAP SAĞ
- Kam yapma aparatı
Cam milling attachment
ORHAN UZUN
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FEVZİ ERCAN