Density functional theory investigation on thickness and load dependency of friction force between graphene and Au interfaces
Grafen ve Au arayüzleri arasındaki sürtünme kuvvetinin katman sayısı ve yüke bağlı değişiminin yük yoğunluğu fonksiyoneli teorisi ile incelenmesi
- Tez No: 489547
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HANDE TOFFOLİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 94
Özet
Günümüzün gelişen teknolojisinin materyallerin nano boyutlarda incelenmesini mümkün kılmasıyla, atomistik boyutlarda önem kazanan kuantum mekaniksel etkilerin sürece dahil olmasıyla birlikte makro ölçektekinden daha farklı işleyen fiziksel süreçler araştırılabilmeye başlamıştır. Bahsi geçen değişikliklerden biri de sürtünme kuvveti üzerinde gözlemlenmiştir. Örneğin; Amontons-Coulomb kanunlarına göre temas alanı ve hareket hızından bağımsız olması beklenen sürtünme kuvveti daha küçük ölçeklerde, temas alanı, yük, hız ve sıcaklık gibi parametrelere bağlı olarak değişmektedir. Bizim çalışmamız da nano boyutlardaki sürtünme kuvvetini inceleyen nanotriboloji hesaplarını kapsayacaktır. Malzemeler arasındaki yanal manipulasyona bağlı sürtünme davranışı deneysel anlamda Atom Kuvvet Mikroskobu(AKM) prensibine dayanan Sürtünme Kuvveti Mikroskobu(SKM) kullanılarak araştırılabilmektedir. Teorik anlamda sürtünme yapısının Yük Yoğunluğu Fonksiyoneli Teorisi(DFT) aracılığıyla atomik düzeyde incelenmesinin mümkün kılınması ise hem incelenebilen materyal çeşidi konusunda sağladığı esneklik hem de deneysel açıdan test edilmesi zor olan sistemlerin araştırılabilmesini kolaylaştırması sebebiyle nanotriboloji çalışmaları konusunda nümerik uygulamaların önemini artırmıştır. Grafen, hegzagonal boron nitrat(h-BN), $MoS_2$ gibi iki boyutlu malzemeler, sahip oldukları güçlü elektronik, mekanik ve optik özellikler sayesinde katı kayganlaştırıcılar olarak iyi bir performans gösterdiklerinin keşfedilmesiyle nanotriboloji alanında en çok dikkat çeken ve araştırılan materyallerden olmuşlardır. Çalışmamızda metal kaplı iğne ucu ile iki boyutlu yüzey arasındaki yanal manipülasyona bağlı sürtünme kuvvetini ölçen bir SKM'nin nümerik olarak modellenmesi hedeflenmiştir. Bu amaçla yüzey merkezli kübik kristal(FCC) bir yapıya sahip olan altın(Au) materyalinin Au(100), Au(110) ve Au(111) gösterimleriyle tanımlanan yüksek simetri arayüz konfigürasyonları ve tek katmanlı grafen yüzeyi arasındaki etkileşim DFT hesaplamaları ile ele alınmıştır. Hesaplamalarımızda öncelikle yüzeyler arasındaki zayıf van der Waals etkileşimlerini en iyi tanımlayan değiş-tokuş fonksiyonellerinin belirlenmesini takriben bahsi geçen altın yüzeyleri ve tek katmanlı grafen yüzeyi birbiri üzerinde tek yönde paralel olarak kaydırılarak elde edilecek yanal sürtünme kuvveti ve sonrasında bu kuvvetin yüzeye dik olarak uygulanacak bir kuvvete bağlılığı incelenmiştir. Bu tezden elde edilecek sonuçlara göre sürtünme kuvvetinin hangi yüzey etkileşimlerinde daha düşük olduğu ve kullanılan parametrelerin sürtünme davranışını hangi boyutta azaltabileceği anlaşılabilecek ve bu bilgiler endüstriyel anlamda sürtünme etkisiyle kaybedilen enerji miktarının azaltılması amacıyla kullanılabilecektir.
Özet (Çeviri)
As the investigation of materials at nano scale become possible with today's technology it is observed that some physical phenomenons have different characteristics at atomistic scale than macroscopic one because of the quantum mechanical effects. One of these physical processes that differs at nano scale is the friction force. While it is expected that the friction force to be independent of contact area and velocity according to Amontos-Coulomb laws, it was observed that it changes by the effect of some parameters such as contact area, velocity, load and temperature at smaller scales. This study will include nanotribological calculations which analyzes the friction force between objects at atomic level. The lateral friction force that arises from the relative sliding motion of materials can be investigated in experimental manner using the Friction Force Microscopy (FFM) which is modified version of the Atomic Force Microscopy (AFM). It is also possible to obtain a detailed understanding of friction in atomic scale by modelling the mechanism of FFM using computational methods. The ab initio Density Functional Theory (DFT) is one of these methods that one can perform accurate calculations for the relative sliding motion of FFM probe tip and the surface. The importance of these kind of numerical methods is the convenience of investigating the wide range of material interactions that are not achievable with experimental methods. As it was observed that the two dimensional materials such as graphene, hexagonal boron nitride(h-BN) , $MoS_2$ provides good performance as dry lubricants, the scope of the nanotribology studies shifted into the frictional behaviors of these systems and their effects on other type of materials. In this thesis, we focus on the lateral friction force between two dimensional graphene sheets and three high-symmetry surfaces of gold. Our aim is to understand the results of FFM experiments by modelling the friction mechanism between Au coated probe-tip and graphene surface by implementing static calculations based on Density Functional Theory. As the Au coated probe slides over graphene, Au surfaces with different orientations would interact with graphene surface and three of them namely Au(100), Au(110) and Au(111) are reviewed as the subjects of this study. The effects of physical variables such as an external load applied to structures and increasing the thickness of the surfaces were interpreted. Results of this thesis can provide useful informations about minimizing the friction between objects with the help of different parameters which would be beneficial in industrial manner about reducing the loss of energy arises due to friction.
Benzer Tezler
- Plato honlanmış silindirlerin tribolojik özelliklerinin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of plateau honed cylinder bore tribological characteristics
DORUKHAN GÜNGÖR
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGEN AKALIN
- Geogrid-donatılı kum zemine oturan temellerin taşıma kapasitesi
Bearing copacity of footings on geogrid-reinforced sand
TEMEL YETİMOĞLU
- Mxene kristalleri tabanlı iki boyutlu malzemelerin fiziksel özelliklerinin yoğunluk fonksiyoneli teorisiyle (DFT) incelenmesi
Density functional theory (DFT) investigation of the physical properties of Mxene crystals based two dimensional materials
ERDEM BALCI
Doktora
Türkçe
2019
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SAVAŞ BERBER
- Grafin-alttaş etkileşimlerinin ilk prensiplerden hesaplanması
First-principles investigation of graphene-substrate interactions
AHMET ÇİÇEK
Doktora
Türkçe
2012
Fizik ve Fizik MühendisliğiAkdeniz ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BÜLENT ULUĞ