Geri Dön

Functionalization of group V monolayers and their compounds: Alloying, doping and surface modification

Tek tabaka grup V sistem ve bileşiklerinin fonksiyonelleştirilmesi: Alaşım, katkı ve yüzey modifikasyonu

  1. Tez No: 652862
  2. Yazar: MUAMMER KANLI
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ENGİN DURGUN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 102

Özet

Son onbeş-yirmi yıldır dedektor, laser ve LED gibi birçok bilimsel ve teknolojik uygulamalardaki önemli rolleri sebebiyle iki boyutlu (2B) malzemeler artan bir ilgiyle araştırılmaya devam etmektedir. Bu tez çalışmasında grup V ve bileşikleri arasından tek tabaka yapısına sahip birkaç malzeme üzerine teorik bir çalışma yapıldı. İlk ¸çalışmada altıgen örgülü GaxAl1−xN düzenli alaşım tek tabakası üzerinde Al içeriğinin bu alaşımlara ait mekanik, elektronik, termal ve optik özelliklere etkisi araştırıldı. Optimize edilmiş örgü sabiti ve bant aralıkları Vegard kanununa uygun bir şekilde değişmektedir. Düşük bariyer enerjisi ve enerji elverişli Al→Ga değişimi bu alaşımların üretilebileceğini göstermektedir. Karışım enerjisi hesapları yapılarak kristal yapıda ayrışma olmadığı gösterilmiştir. Phonon spektrum analizi ve MD simülasyonları yapılarak alaşımların dinamik olarak stabil kaldıkları gösterilmiştir. GaxAl1−xN alaşımları h-BN veya grafene göre daha düşük düzlem-içi sertlik değerine sahipken birçok iki boyutlu malzemeye göre daha yüksek Poisson oranı göstermektedir. Düşük sıcaklıklarda Al içeriğine bağlı bir düşme gösteren ısı kapasitesi yüksek sıcaklıklarda ise klasik limit değerine yakınsamaktadır. GaxAl1−xN alaşımların absorpsiyon başlangıç değerleri yakın UV bölgesinde kalmakta ve x arttıkça belirgin absorpsiyon tepe noktaları bant aralığı değişimiyle uyum göstererek maviye kaymaktadır. Stabil olmaları ve ayarlanabilir temel özellikleri bu alaşım sistemlerini geniş bir uygulama alanında ümit veren iki boyutlu malzemeler arasında sokmaktadır. İkinci çalışmada alkali metal atomların (Li, Na ve K) tek tabakalı veya periyodik hb-As ve sw-As fazlı yapılarla etkileşimleri incelenmiştir. Arsenene fazlarının ion-pillerde elektrot (anot) olarak kullanılabilecekleri düşünülmektedir. İlk prensiplere dayalı yapılan hesaplarda ortaya çıkan güçlü alkali-elektrot bağları ve elektrot üzerinde alkaliler için düşük difüzyon enerji bariyer değerleri bu pillerin daha iyi döngüsel stabiliteye sahip olduklarını ve daha hızlı difüzyona izin verdiklerini göstermektedir.

Özet (Çeviri)

There has been growing interest during the last decade in two-dimensional (2D)materials due to their important roles in various scientific and technological applications such as detectors, lasers and light emitting diodes. In this thesis we present a theoretical investigation of a couple of such 2D materials from group V monolayers and their compounds. Firstly, ordered alloys of GaxAl1−xN hexagonal monolayer are studied and the effect of Al content on mechanical, electronic, thermal and optical properties are investigated. The optimized lattice constants and band gaps change in accordance to Vegard's Law. Low barrier energies and favorable substitution of Ga by Al may show feasibility of fabrication. Segregation is also checked with mixing energy calculations. The dynamical stability of alloys is shown by phonon spectrum analysis and MD simulations. GaxAl1−xN alloys give lower in-plane stiffness than h-BN or graphene, but higher Poisson's ratio than most realized 2D systems. Heat capacity of alloys delivers a decrease with Al content at low temperatures but it converges to the classical limit at high temperatures. The absorption onset of GaxAl1−xN alloys remain in the near UV range and prominent absorption peaks blue-shifts with increasing x in compliance with the variation of the band gap. The considered systems, in regard to their stability and tunable fundamental properties seem to be very promising 2D semiconductors for wide range of applications at reduced scales. Then, the interaction of alkali metal atoms (Li, Na, and K) with single layer and periodic structures of hb-As and sw-As phases are revealed by first-principles methods. Arsenene phases are considered to be used as electrodes (anode) for ion-batteries. Strong alkali-electrode binding and low diffusion energy barriers gives out better cycling stability and faster diffusion, respectively. hb-As shows better storage capacity than sw-As. However, deviations from ordered pattern and decline of formation energy with increasing doping level point out a possible structural transformation. By MD calculations, crystalline to amorphous phase transition is seen even for low concentrations level at ambient temperature. The average open-circuit voltages of 0.68-0.88 V (0.65-0.98 V) with specific capacity up to 715 mAhg−1 (358 mAhg−1) are calculated for single layer (periodic) configurations. Overall, non-crystalline phases are calculated to offer more favorable structures than crystalline configurations and they provide more coherent results when compared with experimental data. The obtained voltage profile together with low diffusion barriers and strong metal-electrode binding suggests arsenene as a promising anode material to be used in for alkali-ion battery applications. Lastly, the formation of dumbbell (DB) geometry upon adsorption of Ga, N adatoms to GaN monolayer is investigated. While Ga-N DBs are unstable, Ga-Ga and N-N DB geometries are predicted to form in an exothermic and spontaneous scheme. Cohesive energy of hexagonal GaN monolayer decreases when a DB is formed on its surface. Electronic structures for Ga-Ga DBs for 2×2, 3×3, 4×4 and 5×5 phases show spinpolarized and degenerate bands mainly contributed by p-orbitals of the atoms in impurity zone. Degenarated bands are not observed for N-N dumbbell for HDP, TDP, 2×2 and 3×3 phases. Upon DB formation, semiconductor GaN monolayer become spin-polarized semiconductor with varying band gap, where this functionalization allows electronic structure to be tuned substantionally. This would be highly desired for nanoscale electronic and optical devices. These Ga-Ga and N-N DB geometries may also be used for the synthesis of layered GaN structures.

Benzer Tezler

  1. Nükleozidlerin zwitteriyonik monolitik kolonlar ile kapiler elektrokromatografi sisteminde ayrımı

    Separation of nucleosides by zwitterionic monolithic columns in capillary electrochromtography systems

    SİSEM EKTİRİCİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    KimyaHacettepe Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ADİL DENİZLİ

    DOÇ. DR. FATMA YILMAZ

  2. Formation and functionalization of boron phosphide monolayers

    Tek atomik katmanlı boron fosfor yapılarının oluşturulması ve işlevselleştirilmesi

    LÜTFİYE HALLIOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ENGİN DURGUN

  3. Novel organic redox materials and their applications in rechargeable batteries

    Yeni organik redoks malzemeleri ve şarj edilebilir pillerde uygulamaları

    SÜMEYYE BAHÇECİ SERTKOL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Kimyaİstanbul Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLTEN ATUN

  4. Development of novel thermal conductive polymer nanocomposites

    Yeni nesil termal iletken polimer nanokompozitlerin geliştirilmesi

    ELİFTEN SEMERCİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLGÜN KIZILCAN

    DOÇ. DR. TUBA ERDOĞAN BEDRİ

  5. Development of novel aflatoxin B1 biosensors by carbon nanotube integrated microfluidic systems

    Karbon nanotüp entegre edilmiş mikroakışkan sistemlerin kullanımıyla yeni aflatoksin B1 biyosensörlerinin geliştirilmesi

    NAGİHAN OKUTAN ARSLAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEVENT TRABZON