2D oxide dielectric nanosheets structured nanofilms for ultrathin, flexible, transparent capacitor fabrication and biological applications

Abstract

Bu tezde, Dion-Jacobson (DJ) tipi KCa2NaNb4O13 katmanlı malzemeler katı hal yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. KCa2NaNb4O13 katmanlı malzemelerinin kimyasal pullandırma yöntemi ile 2.4 nm kalınlığında ve 3.5 µm yanal boyutlarında Ca2NaNb4O13 nanolevhaları içeren kolloidal solüsyonlar elde edilmiştir. Bu kolloidal solüsyonlar arasında TBA+:H+ oranı 1:16 olan solüsyon nanolevha üretimi için kullanılmıştır. Bu nanolevhalar, Langmuir-Blodgett (LB) kaplama yöntemi kullanılarak indiyum kalay-oksit – polietilen tereftalat (ITO-PET), Si, Ti/Au-Si, Ti/Au-cam ve ITO-cam alttaşları üzerine kaplanmıştır. Ek olarak, 10, 15 ve 20 katmanlı nanofilmler ITO-PET alttaşları üzerine kaplanmış ve optik litografi tekniği kullanılarak desenlenmiştir. Bu desenler, 75 nm kalınlığında ITO ile kaplanarak, 250 x 250 µm2' den 75 x 75 µm2' ye kadar değişen boyutlarda şeffaf ve esnek kapasitörler üretilmiştir. 10, 15 ve 20 katmanlı nanofilmlerini içeren kapasitörlerde, dielektrik katman sayısındaki artış, kaçak akım değerlerini azalttığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, Si, Ti/Au-Si, Ti/Au-cam ve ITO-cam alttaşları üzerindeki nanofilmler, elektron demet litografisi (EBL) ile desenlenmiş ve 15/20 nm kalınlığında Ti/Au ile kaplanmıştır. Ti/Au-Si, Ti/Au-cam ve ITO-cam alttaşlar üzerinde de 20 x 20 µm2' den 250 x 250 nm2' ye kadar değişen boyutlarda Ti/Au elektrotlar da üretilmiştir. C-AFM ölçümleri ile bu elektrotların I-V analizleri yapılmıştır. Öte yandan, Ca2NaNb4O13 nanolevhaları ile üretilmiş nanofilmlerin Si ve ITO-PET alttaşları üzerindeki polar ve apolar yüzey gerilimleri, adezyon çalışmaları, yüzey termodinamiği temelli matematiksel modelleme ile hesaplanmıştır. Böylece, nanofilm ile ITO-PET arasındaki artan polar bağlanma, suda daha güçlü bir adezyona sebep olduğu tespit edilmiştir. Hem kaplanmamış hem de nanofilm kaplanmış Si ve ITO-PET alttaşlar üzerindeki bakteriyel biyofilm oluşumu, kristal viyole (CV) boyama yöntemi ile analiz edilmiştir.

In this thesis, Dion-Jacobson (DJ) type KCa2NaNb4O13 layered materials were synthesized using the solid-state calcination method. KCa2NaNb4O13 materials were chemically exfoliated to produce colloidal solutions containing Ca2NaNb4O13 nanosheets. 2.4 nm thick and 3.5 µm lateral size nanosheets were successfully produced in a solution with a TBA+:H+ molar ratio of 1:16. These nanosheets then deposited on indium tin-oxide – polyethylene terephthalate (ITO-PET), Si, Ti/Au-Si, Ti/Au-glass, and ITO-glass substrates using the Langmuir-Blodgett (LB) deposition technique. Additionally, 10, 15, and 20 layers of nanofilms were deposited onto ITO-PET substrates and patterned with photolithography technique. The patterns deposited with 75 nm ITO thin layer to develop transparent and flexible capacitors with electrodes ranging from 250 x 250 µm2 to 75 x 75 µm2. In capacitors, an increase in the number of dielectric layers led to a decrease in the leakage current values. Furthermore, Ca2NaNb4O13 nanosheets-structured nanofilms were patterned using electron beam lithography (EBL) technique and deposited with 15/20 nm Ti/Au on Si, Ti/Au-Si, Ti/Au-glass, and ITO-glass substrates with dimensions ranging from 20 x 20 µm2 to 250 x 250 nm2. I-V measurements were performed using the c-AFM. On the other hand, the polar and apolar surface tension components, as well as the work of adhesion of Ca2NaNb4O13 nanosheets-structured nanofilms on Si and ITO-PET substrates were investigated through contact angle measurements with surface thermodynamics-based mathematical modelling. Thus, nanofilm adhered more on ITO-PET in water. Bacterial biofilm formation on both bare and nanofilm-deposited substrates was studied and analyzed using the crystal violet (CV) staining procedure.