Çeşitli blok kopolimer/grafen nanodizinlerinin mikrofaz ayrımlarının incelenmesi
Investigation of microphase separation in various block copolymer/graphene nanoarrays
Yazar: HANDE YÖNDEMLİ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ERSÖZ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Kimya = Chemistry ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Blok kopolimerlerin kullanım alanları her geçen gün daha fazla artmaktadır. Mikroelektronik endüstrisi bu kullanım alanlarından sadece bir tanesidir. Aygıt boyutlarının da teknolojik gelişmelerle uyumlu olarak gün geçtikte daha fazla küçülmesi hedeflenmektedir. Blok kopolimerlerin yanı sıra, grafen de sahip olduğu üstün özellikleri sayesinde elektronik endüstrisi için umut veren bir malzemedir. Bu sebeple, aygıt boyutlarını 20 nm'nin altına düşürebilmek adına grafen kullanılmaktadır. 
Doktora tezinde çeşitli fırça ve blok kopolimer kombinasyonları ile çalışmak amacıyla, öncelikle polimer fırçaları ve blokları atom transfer radikal polimerizasyonu (ATRP) tekniği ile sentezlenmiştir. Hem sentezi gerçekleştirilen hem de ticari olarak temin edilen farklı bileşimlere sahip blok kopolimerler (BCPler) kullanılmıştır. 
Çözücü tavlama tekniği ile desenleme çalışmalarına başlanmış, toluen gibi çözücülerin varlığında yüzeylerde meydana gelen değişiklikler raporlanmıştır. Çalışmalara ısıl tavlama ile devam edilmiş ve mikrofaz ayrımları elde edilmiştir. Polimer fırçası kullanımının mikrofaz ayrımı üzerine etkisi ayrıntılı olarak çalışılmıştır. Polimer fırçaları kullanımına ek olarak; tavlama yöntemleri, tavlama sıcaklıkları ve süreleri ile farklı polimer fırçası-BCP ikililerinin mikrofaz desenleri üzerindeki etkileri de incelenmiştir. Elde edilen mikrofazlar, desen transferi gerçekleştirmek amacıyla asetik asit ile aşındırılmış ve bir dizi ara basamağın ardından aşınma kontrastını arttırmak adına sert maske olarak görev yapan aluminyum nanotelleri sentezlenmiştir.
Yüzey temizleme tekniğinin elde edilen mikrofaz desenleri üzerindeki belirleyici etkisi tez çalışmaları kapsamında araştırılan başlıklar arasındadır. UV/ozon tekniğinden hem substrat temizliği hem de kuru aşındırma basamağında yararlanılmıştır. Islak aşındırma basamağında ise asetik asitin yanı sıra diklorometanın da substratlarla etkileşmesi sağlanmıştır. Karbon tetraflorür (CF4) gazının aşındırıcı etkisi de araştırılmıştır. 
Si yüzeylerde ve SiO2 kaplı Si yüzeylerde ön çalışmalar yapılıp parametrelerin optimizasyonu gerçekleştirildikten sonra, deneyler grafen kaplı SiO2 substratlarda sürdürülmüştür. En son basamakta ise grafen nanoşeritleri elde edebilmek için substratlar hidroklorik asit (HCl) ile muamele edilmiştir.
Mikrofaz görüntüleri ve aşınma etkisini incelemek amacıyla atomik kuvvet mikroskobu (AFM) kullanılarak karakterizasyonlar yapılmıştır.
Trenç ismi verilen hazır kalıplar kullanılarak farklı derişimlerde hazırlanan BCP çözeltilerinin yönlendirilmiş kendiliğinden toplanma çalışmaları yapılmıştır.
Grafen kaplı yüzeylerin iletkenliğinde meydana gelen değişiklikleri gözlemlemek adına, akım-potansiyel (I-V) ve döngüsel voltametri (CV) ölçümleri yapılmış; elde edilen eğrilere bağlı olarak yüzeylerin iletkenlik değişimleri yorumlanmıştır.

Abstract:
Application areas of block copolymers have been increasing more and more day by day. Microelectronics industry is only the one of them. Device dimensions, in accordance with the technological developments, are aimed to get smaller each day. In addition to block copolymers, due to its superior properties, graphene is also a promising material for applications in the electronics industry. Therefore, in order to decrease device dimensions below 20 nm scale, graphene has been utilized.
In this PhD thesis, with the aim of studying various brush and block copolymer combinations, initially, polymer brushes and blocks have been synthesized using atom transfer radical polymerization (ATRP) technique. Both synthesized and commercially-obtained block copolymers (BCPs) with different compositions have been used. 
Patterning studies were started with solvent annealing technique, changes formed on the surfaces in the presence of solvents such as toluene have been reported. Studies continued with thermal annealing, and microphase separation has been obtained. Effects of polymer brush application on the microphase separation have been investigated in detail. In addition to the use of polymer brush, annealing methods, annealing temperatures and periods, effects of different polymer brush-BCP pairs on the microphase patterns have also been studied. Obtained microphases were etched using acetic acid in order to transfer the pattern, and after a series of steps, aluminium nanowires which act as hard mask for increasing the etch contrast have been synthesized. 
Determining effect of the surface cleaning technique on microphase patterns formed is among the titles investigated within the context of the thesis. UV/ozone technique has been used both in substrate cleaning and dry etching steps. At the wet etching step, dichloromethane was made into contact with the substrates beside acetic acid.  Etching effect of carbon tetrafluoride (CF4) gas has also been investigated. 
After pre-studies were carried out and parameters were optimized on Si surfaces, and SiO2 coated Si surfaces, experiments have been conducted on graphene coated SiO2 substrates. At the last step, substrates were treated with hydrochloric acid (HCl) in order to obtain graphene nanoarrays.
Characterizations were conducted mainly by atomic force microscope (AFM) for investigating microphase images and etching effects.
Directed self-assembly studies of BCP solutions prepared in various concentrations were done using molds which are called trenches.  
Current-voltage (I-V) and cyclic voltammetry (CV) measurements have been made in order to observe the conductivity changes on graphene coated surfaces. Conductivity changes of the surfaces have been discussed depending on these curves.