Development of force fields for novel 2d materials for temperature dependent vibrational properties
Yeni 2b malzemeler için etkileşim potensiyellerinin geliştirilmesi: Sıcaklığa bağlı titreşim özellikleri
- Tez No: 594773
- Danışmanlar: PROF. DR. OĞUZ GÜLSEREN, PROF. DR. CEM SEVİK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 124
Özet
Grafen üretimi sonrası yeni bir aygıt mühendisliği dönemi başlamıştır. Bu, 2B malzemeleri öngörmek, üretmek ve kullanmak için yapılan çok sayıda araştırmayı tetiklemiştir. Sıcaklığa bağlı özellikler cihaz uygulamaları için önemlidir. Hassas yoğunluklu fonksiyonel teori temelli yaklaşımlar, elektronik ve mekanik özellikleri doğru bir şekilde tahmin edebilmelerine rağmen, çoğunlukla sıfır derece sıcak- lıkla sınırlıdır ve ab initio bazlı moleküler dinamik hesaplamalar hala pahalıdır. Klasik moleküler dinamik çok güçlü bir alternatiftir, ancak doğruluğu temel olarak, dikkate alınan sistemi tanımlamak için kullanılan atomlar arası potan- siyele bağlıdır ve bu nedenle doğru kuvvet alanları oluşturmak, özellikle ekstra sıradan özelliklere sahip yeni çıkan 2B malzemeler için her zaman açık bir prob- lemdir. Tek katmanlı geçiş metali diklorojenitler (TMD), termoelektrik uygula- malar, esnek elektronik ve optoelektronik aygıtlar için iyi aday olduğu gösterilen 2B malzeme sınıfıdır. TMD'lerin termal özelliklerini araştırmak için, ilk olarak, parçacık sürüsü optimizasyonu kullanılarak Stillinger-Weber tipi potansiyeller geliştirilmiştir. Bu potansiyeller, elde edilen fonon dağılım eğrileri ve termal iletkenliklerin mevcut ilk prensip ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılmasıyla doğru- lanmıştır. Ek olarak, oluşturulan kuvvet alanlarının dayattığı anharmonik etki- leri anlamak için, sıcaklık değişimleri ile Γ noktasındaki optik fonon frekanslarının kayma eğilimleri mevcut deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Her durumda, op- timize edilmiş potansiyellerin ürettiği sonuçlar, hedef verilerle uyumludur. İkinci adımda, fonon modu ayrışımı ile birlikte spektral enerji yoğunluğu metodu, Brillouin bölgesinin tamamında sıcaklığa bağlı fonon frekansları ve ömürleri elde etmek için kullanılmıştır. Her fonon dalının ısıl iletkenliğe katkısı, elde edilen fonon yaşam süreleri ve gevşeme süresi yaklaşımı çerçevesinde grup hızları kul- lanılarak tahmin edilmıştır. Sonunda, 2B ve hacimsel yapıları tanımlamak için aktarılabilir potansiyeller oluş- turmak amacıyla çok hızlı ve güvenilir bir optimizasyon yöntemi sunulmaktadır. Yerel ve küresel optimizasyon yöntemlerini birleştirerek ve ilk prensip yönte- minden elde edilen enerji eğrilerini kullanarak grafen, silisen ve grup III nitridler için yeni Stillinger-Weber tipi potansiyeller geliştirilmiştir. Önerilen yaklaşım, parametre seçimi ve elde edilen fonon dağılım eğrilerindeki her parametrenin rolünün araştırılması için sağlam bir çerçeve sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
A new era of nanodevice engineering has been started after fabricating graphene. This motivated vast number of researches for predicting, fabricating and utilizing 2D materials. Temperature dependent properties are essential for device appli- cations. Although rigorous density functional theory based approaches are able to predict electronic and mechanical properties accurately, but they are mostly limited to zero temperature and ab initio based molecular dynamics are com- putationally very demanding. Classical molecular dynamics is a very powerful alternative, however its accuracy is basically depend on the interatomic potential used for describing the considered system and therefore constructing accurate force fields is always an open problem, especially for the emerging 2D materi- als with extra ordinary properties. Single-layer transition metal dichalcogenides (TMDs) are new class of 2D materials which are shown to be good candidates for thermoelectric applications, flexible electronic and optoelectronic devices. In order to investigate thermal properties of TMDs, Stillinger-Weber type potentials are developed using particle swarm optimization method. These potentials are validated by comparing the resulted phonon dispersion curves and thermal con- ductivities with available first principle and experimental results. In addition, for understanding the anharmonic effects imposed by the generated force fields the trends of the shifts of the optical phonon frequencies at Γ point with variation in the temperature are compared with available experimental data. In all cases, op- timized potentials generate results which are in agreement with the target data. In the second step, spectral energy density method together with phonon mode decomposition is used for obtaining temperature dependent phonon frequencies and lifetimes in entire Brillouin zone. The contribution of each phonon branch in thermal conductivity is predicted utilizing the obtained phonon lifetimes and group velocities within the framework of relaxation time approximation. Eventually, with the aim of constructing transferable potentials for describing 2D and bulk structures, a very fast and reliable optimization method is presented. Combining local and global optimization methods and utilizing the energy curves obtained from first principle method, novel Stillinger-Weber type potentials for graphene, silicene and group III nitrides are developed. The proposed approach provides a solid framework for parameter selection and investigating the role of each parameter in the resulted phonon dispersion curves.
Benzer Tezler
- Origami tabanlı eklem tasarımı ve tasarımın nümerik ve deneysel analizi
Numerical and experimental analysis of A novel origami robotics based hinge design
BÜŞRA DALKILINÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZEKİ YAĞIZ BAYRAKTAROĞLU
- Küt cisimlerde sürüklenme kuvvetinin azaltılması için kilitlenmiş girdap oluşumlarının deneysel yöntemlerle araştırılması
Başlık çevirisi yok
ŞEREF ERKARA
Doktora
Türkçe
1997
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. ZEKİ ERİM
- Developing CHARMM compatible force fields for novel drug
İlaç adayları için CHARMM uyumlu kuvvet alanı geliştirme
EMRE GÜRSOY
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
BiyofizikTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NURDAN DEMİRCİ SANKIR
PROF. DR. TURGUT BAŞTUĞ
- Development of a novel evolutionary algorithm specialized for crystal structure prediction of molecular systems: MCaSP-Evo
Moleküler sistemlerin kristal yapı tahmini için özelleştirilmiş bir evrimsel algoritmanın geliştirilmesi: MCaSP-Evo
DENİZHAN TUTAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiHesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADEM TEKİN
- Preparation and characterization of carbon nanofiber added mesophase pitch based carbon foam
Karbon nanofiber ilave edilmiş mezofaz zift bazlı karbon köpüğün hazırlanması ve karakterizasyonu
AYŞENUR GÜL
Doktora
İngilizce
2012
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. FERHAT YARDIM