Hg2gete4 malzemesinin elektronik, termal taşınım ve termoelektrik özelliklerinin temel ilkeler ile incelenmesi
Investigation of electronic, thermal, transport, and thermoelectric properties of hg2gete4 material from first principles
- Tez No: 1001878
- Danışmanlar: PROF. DR. TANJU GÜREL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Tekirdağ Namık Kemal Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Küresel enerji krizine karşı sürdürülebilir bir çözüm sunan atık ısının geri kazanımı teknolojileri, yüksek verimliliğe sahip yeni nesil termoelektrik malzemelerin keşfini ve teorik olarak incelenmesini zorunlu kılmaktadır. Bu bağlamda, elmas benzeri sıralı boşluklu bileşikler ailesinin bir üyesi olan Hg$_2$GeTe$_4$, düşük termal iletkenliği ve ayarlanabilir elektronik yapısı ile yüksek sıcaklık uygulamaları için stratejik bir potansiyel sunmaktadır. Bu tez çalışmasında, söz konusu bileşiğin yapısal, elektronik ve termal taşıma özellikleri; Spin-Yörünge Etkileşimi (SOC) gibi ileri tekniklerin dahil edildiği Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi (DFT) ve Boltzmann Taşıma Denklemi (BTE) yöntemleri kullanılarak kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Çalışma kapsamında Hg$_2$GeTe$_4$ bileşiğinin denge örgü sabitleri, hacim modülü, elektronik bant yapısı, durum yoğunluğu (DOS), fonon dağılım eğrileri, mod Grüneisen parametreleri, fonon grup hızları ve sıcaklığa bağlı örgü termal iletkenliği ile birlikte taşıyıcı konsantrasyonuna bağlı Seebeck katsayısı, elektriksel iletkenlik ve fayda figürü ($ZT$) değerleri hesaplanmıştır. Dinamik kararlılığı fonon hesaplamalarıyla doğrulanan malzemenin, anharmonik fonon saçılmaları neticesinde oda sıcaklığında $1{,}16$ W/mK gibi oldukça düşük bir örgü termal iletkenliğine ($\kappa_L$) sahip olduğu saptanmıştır. Termoelektrik performans analizleri, SOC etkisinin valans bandındaki yarılmalar nedeniyle p-tipi verimliliği bir miktar baskıladığını, ancak iletim bandındaki değişimler sayesinde n-tipi taşıyıcılar için verimliliği artırdığını göstermiştir. 1000 K sıcaklıkta n-tipi için $ZT \approx 1{,}85$ değerine ulaşılarak malzemenin yüksek sıcaklık atık ısı geri kazanımı uygulamaları için üstün bir performans sergilediği ortaya konulmuştur.
Özet (Çeviri)
The recovery of waste heat offers a sustainable solution to the global energy crisis, necessitating the discovery and theoretical investigation of next-generation thermoelectric materials with high efficiency. In this context, Hg$_2$GeTe$_4$, a member of the diamond-like ordered vacancy compounds, presents a strategic potential for high-temperature applications due to its low thermal conductivity and tunable electronic structure. In this thesis, the structural, electronic, and thermal transport properties of the compound were comprehensively investigated using Density Functional Theory (DFT) and Boltzmann Transport Equation (BTE) methods, incorporating advanced techniques such as Spin-Orbit Coupling (SOC). Within the scope of this study, the equilibrium lattice constants, bulk modulus, electronic band structure, density of states (DOS), phonon dispersion curves, mode Grüneisen parameters, phonon group velocities, and temperature-dependent lattice thermal conductivity were calculated, along with the carrier concentration-dependent Seebeck coefficient, electrical conductivity, and figure of merit ($ZT$) values for the Hg$_2$GeTe$_4$ compound. The dynamic stability of the material was confirmed through phonon calculations, revealing an ultralow lattice thermal conductivity ($\kappa_L$) of $1.16$ W/mK at room temperature due to anharmonic phonon scattering. Thermoelectric performance analyses demonstrated that the SOC effect slightly suppresses p-type efficiency due to valence band splitting, while enhancing it for n-type carriers through changes in the conduction band structure. At 1000 K, a maximum figure of merit of $ZT \approx 1.85$ was achieved for n-type, highlighting the superior performance of the material for high-temperature waste heat recovery applications.