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
- Tez No: 652862
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ENGİN DURGUN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- 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
- 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
2019
KimyaHacettepe ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADİL DENİZLİ
DOÇ. DR. FATMA YILMAZ
- Formation and functionalization of boron phosphide monolayers
Tek atomik katmanlı boron fosfor yapılarının oluşturulması ve işlevselleştirilmesi
LÜTFİYE HALLIOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ENGİN DURGUN
- Novel organic redox materials and their applications in rechargeable batteries
Yeni organik redoks malzemeleri ve şarj edilebilir pillerde uygulamaları
SÜMEYYE BAHÇECİ SERTKOL
- Development of novel thermal conductive polymer nanocomposites
Yeni nesil termal iletken polimer nanokompozitlerin geliştirilmesi
ELİFTEN SEMERCİ
Doktora
İngilizce
2021
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN KIZILCAN
DOÇ. DR. TUBA ERDOĞAN BEDRİ
- 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
2024
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON