Geri Dön

Shape, size and functionalization dependent raman characterization of graphene quantum dots by DFT method

Grafen kuantum noktalarının YFT yöntemi ile şekil, boyut ve fonksiyonel gruba bağlı raman karakterizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 887665
  2. Yazar: ENES BERKAY GÖNEN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MİNE YURTSEVER
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 65

Özet

Grafen Kuantum Noktaları (GKN'ler), kuantum kısıtlaması ve kenar etkileri nedeniyle benzersiz optik, elektronik ve kimyasal özellikler sergileyen nanoyapılı grafen parçalarıdır. Bu çalışmada, GKN'lerin özellikleri kuantum mekanik yöntemler, özellikle HF ve Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi (YFT) yöntemleri kullanılarak ve Raman spektroskopik karakterizasyonları yapılarak incelenmiştir. Şekil, boyut ve işlevselleştirme varyasyonlarının bu yapıların özelliklerini nasıl etkilediğine odaklanılmıştır. GKN'lerin elektronik davranışını anlamak için bant aralığı değerleri de incelenmiştir. Çalışma, GKN'lerin çeşitli uygulamalarda performansını öngörmek ve optimize etmek için teorik bir çerçeve sağlamayı amaçlamaktadır. GKN'lerin elektronik yapılarını ve Raman spektrumlarını incelemek için elmas, kare ve altıgen şekilli ve farklı boyutlardaki GKN'ler üzerinde çalışılmıştır. Elmas şeklindeki GKN'lerde bant aralığının boyut arttıkça azaldığı gözlemlenmiştir. Örneğin, 26 atom içeren en küçük elmas şeklindeki GKN, 9.07 eV bant aralığına sahipken, 444 atom içeren en büyük elmas şeklindeki GKN'nin bant aralığı 1.38 eV'ye düşmüştür. Bu sonuçlar, elmas şeklindeki GKN'lerin yarı iletken özellikler gösterebileceğini ortaya koymaktadır. Kare şeklindeki GKN'ler ise, zigzag ve koltuk kenarlarının karışımına sahip olduklarından dolayı benzersiz elektronik özellikler sergilemektedir. Bu yapılarda da benzer bir trend gözlemlenmiştir; bant aralığı başlangıçta artmış, ardından boyut arttıkça azalmıştır. Altıgen şeklindeki GKN'ler ise en tutarlı davranışı sergileyerek, boyut arttıkça bant aralığında sürekli bir azalma göstermiştir. İşlevsel grupların GKN'lerin elektronik özellikleri üzerindeki etkisi de ayrıntılı olarak incelenmiştir. Karboksilik asit, hidroksil ve epoksi gibi işlevsel gruplar, GKN'lerin bant aralıklarında önemli değişikliklere neden olmuştur. Bu işlevsel grupların konumu ve tipi, GKN'lerin elektronik özelliklerini büyük ölçüde etkilemektedir. Örneğin, karboksilik asit grubu, GKN'lerin kenarına eklendiğinde bant aralığında belirgin değişiklikler meydana gelmiştir. Benzer şekilde, hidroksil ve epoksi gruplarının da elektronik özellikler üzerinde önemli etkileri gözlemlenmiştir. Bu bulgular, GKN'lerin çeşitli uygulamalarda kullanılabilirliğini artırmak için işlevselleştirmenin önemini vurgulamaktadır. Raman spektrumları, GKN'lerin boyutuna ve işlevselleştirilmesine bağlı olarak büyük farklılıklar göstermektedir. Boyut arttıkça Raman piklerinin yoğunluğu artmakta, ancak piklerin dalga numarası tüm GKN'ler için ~1300 cm⁻¹ civarında kalmaktadır. C-H bağlarına karşılık gelen ~3300 cm⁻¹ civarındaki piklerin yoğunlukları, C-H bağların kenarlarda lokalize olmaları nedeniyle boyutun artmasıyla azalmaktadır. Saf GKN'ler, tek bir merkezden E2g solunum hareketi nedeniyle yoğunluğu yüksek olan D bantları sergilemektedir. İşlevselleştirilmiş GKN'ler, işlevsel grupların neden olduğu bozulmuş solunum hareketi nedeniyle Raman spektrumunda yeni bantlar ve omuzlar göstermekte ve bu da pik yoğunluğunu azaltmaktadır. Karboksilik asit, hidroksil ve epoksi işlevsel gruplar, elektronik özellikleri değiştirmekte olup, etkileri grubun konumuna ve türüne bağlıdır. Raman spektroskopisi, yapısal değişikliklerin anlaşılması bakımından güçlü bir yöntemdir. GKN'lerin boyutu arttıkça Raman bantlarının yoğunluğu artarken, işlevselleştirme yeni piklerin belirmesi ve bant yoğunluklarında düşme görülmüştür. Bu çalışma, GKN'lerin yapısal ve elektronik özellikleri arasındaki ilişkileri anlamak ve bu nanomalzemelerin farklı uygulamalarda kullanımını optimize etmek için önemli bilgiler sunmaktadır. GKN'lerin biyogörüntüleme, algılama ve optoelektronik gibi spesifik uygulamalarda etkin bir şekilde kullanılabilmesi için gerekli teorik temeli sağlamaktadır. Özellikle, GKN'lerin şekil, boyut ve işlevselleştirme parametrelerinin optimize edilmesi, bu malzemelerin performansını önemli ölçüde artırabilir. Grafen kuantum noktalarının farklı şekil ve boyutlara sahip olmalarının yanı sıra, çeşitli işlevsel gruplarla modifikasyonu, bu malzemelerin elektronik ve optik özelliklerini büyük ölçüde etkileyebilir. Bu durum, GKN'lerin belirli uygulamalar için özelleştirilmesini mümkün kılar. Örneğin, biyomedikal uygulamalarda, GKN'lerin yüzeyine belirli işlevsel grupların eklenmesi, hedeflenen hücrelere veya dokulara bağlanmayı kolaylaştırabilir. Benzer şekilde, optoelektronik cihazlarda, belirli bir bant aralığı gerektiren uygulamalarda, GKN'lerin boyut ve şekillerinin dikkatlice ayarlanması, cihaz performansını optimize edebilir. Bu tez, GKN'lerin yapısal özellikleri ve performansları arasındaki ilişkileri kapsamlı bir şekilde inceleyerek, belirli uygulamalar için optimize edilmesini sağlayacak teorik bir temel sunmaktadır. Bu kapsamlı analiz ve bulgular, grafen kuantum noktaları konusundaki bilgi birikimine katkı sağlamakta ve gelecekteki deneysel ve teorik çalışmalara pratik bilgiler sunmaktadır. Ayrıca, bu çalışma, GKN'lerin geniş bir uygulama yelpazesinde nasıl kullanılabileceğini anlamak için önemli bir referans noktası oluşturmaktadır. Bununla birlikte, GKN'lerin farklı uygulamalarda kullanılabilmesi için daha fazla araştırma gerekmektedir. Örneğin, GKN'lerin biyomedikal uygulamalarda kullanımı, biyouyumluluk ve biyodağılım gibi faktörlerin daha iyi anlaşılmasını gerektirir. Benzer şekilde, optoelektronik uygulamalarda, GKN'lerin verimliliğini artırmak için daha fazla çalışma yapılmalıdır. Bu tez, bu tür araştırmalar için sağlam bir temel sunmakta ve gelecekteki çalışmalar için yol gösterici bilgiler sağlamaktadır. Sonuç olarak, bu tez, GKN'lerin şekil, boyut ve işlevselleştirme parametrelerinin, bu malzemelerin elektronik ve optik özellikleri üzerindeki etkilerini detaylı bir şekilde inceleyerek, nanomalzeme bilimine önemli katkılar sağlamaktadır. GKN'lerin biyogörüntüleme, algılama, enerji depolama ve optoelektronik gibi alanlarda etkin bir şekilde kullanılabilmesi için gerekli bilgileri sunmakta ve bu malzemelerin gelecekteki araştırma ve geliştirme çalışmalarında kullanılabilirliğini artırmaktadır. GKN'ların nanomalzeme olarak çeşitli teknolojik alanlarda etkili bir şekilde kullanılmaları için yol gösterici olacaktır. Bu araştırma, GKN'lerin şekil, boyut ve işlevselleştirme parametrelerinin optimize edilmesiyle elde edilebilecek potansiyel faydaları göstermektedir. Ayrıca, bu tez, GKN'lerin farklı uygulama alanlarında nasıl kullanılabileceğine dair geniş bir perspektif sunmakta ve gelecekteki araştırmalar için önemli bir referans noktası oluşturmaktadır. Bu nedenle, GKN'lerin gelecekteki araştırma ve geliştirme çalışmalarında daha yaygın bir şekilde kullanılacağı öngörülmektedir

Özet (Çeviri)

Graphene Quantum Dots (GQDs), unique nanoscale fragments of graphene, are the focus of this study. Their distinct optical, electronic, and chemical properties, a result of quantum confinement and edge effects, are examined through Raman characterization using Density Functional Theory (DFT). The study delves into the influence of variations in shape, size, and functionalization on GQD properties, and also explores band gap values to understand their electronic behavior. The ultimate goal is to provide a theoretical framework for predicting and optimizing the performance of GQDs in a wide range of applications. The research utilizes quantum mechanical methods, particularly HF and DFT, to investigate the electronic structure and Raman spectra of GQDs as a function of shapes such as diamond, square, and hexagonal with varying sizes. The study also explores the effects of different functional groups, including carboxylic acid, hydroxyl, and epoxy, on the electronic properties of GQDs. It is observed that in the diamond-shaped GQDs, the bandgap decreases with increasing size. Square-shaped GQDs have mixed zigzag and armchair edges, leading to unique electronic properties. The bandgap shows a sudden increase, followed by a decreasing trend as the size increases. For the hexagonal-shaped GQDs, the bandgap consistently decreases with increasing size, indicating a stable trend in electronic properties with size. After thoroughly exploring the size and shape effects, we turned our attention to functional groups. The presence and position of these groups significantly impact the electronic properties of GQDs, a crucial finding with direct implications for practical applications. For instance, the bandgap varies slightly depending on the position of the carboxylic acid group, a detail that could be instrumental in designing GQDs for specific uses. The Raman spectrum of GQDs, a key tool for characterizing these changes, is highly dependent on their size and functional groups. The intensity increases with the size of the GQD, but the Raman shift remains around ~1300 cm⁻¹ for all GQDs. Peaks around ~3300 cm⁻¹, corresponding to C-H bonds, diminish with increasing GQD size due to these bonds being edge-localized. Pristine GQDs exhibit intense D bands due to E2g breathing motion from a single center. Functionalized GQDs show new bands and shoulders in the Raman spectrum due to distorted breathing motion caused by functional groups, which also reduce the peak intensity. Functional groups like carboxylic acid, hydroxyl, and epoxy alter the electronic properties, with their effects depending on the position and type of the group. Raman spectroscopy emerges as a useful tool for characterizing these changes, with the Raman spectrum intensity increasing with GQD size, while functionalization introduces new spectral features and reduces peak intensity, a practical insight for future research and development. Understanding these relationships is crucial for optimizing GQDs for specific applications such as bioimaging, sensing, and optoelectronics. This thesis's findings provide a comprehensive theoretical framework for the controlled synthesis and functionalization of GQDs, paving the way for their effective utilization in various technological domains.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    313651

    Synthesis, functionalization and characterization of gold nanoparticles

    Altın nanoparçacıkların sentezi, fonksiyonlandırması ve karakterizasyonu

    ZHANAR SHOLANBAYEVA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. EMREN NALBANT ESENTÜRK

  2. Tez No

    444575

    Innovative hybrid composite nanomaterials

    Yenilikçi hibrit kompozit nanomalzemeler

    ZELİHA SORAN ERDEM

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Biyoteknolojiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR

  3. Tez No

    350392

    Intramolecular cross-linking of polymers by using difunctional acetylenes via click chemistry

    Bifonksiyonel asetilen grubu içeren polimerlerin klik kimyası yoluyla molekül içi bağlanması

    HALİME CENGİZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUSUF YAĞCI

  4. Tez No

    591096

    Development of metal and metal oxide nanoparticles and investigation of their potential applications

    Metal ve metal oksit nanoparçacıkların geliştirilmesi ve potansiyel uygulama alanlarının incelenmesi

    ÖZGE ÇAVUŞLAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    KimyaKoç Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HAVVA YAĞCI ACAR

  5. Tez No

    872333

    Biomimetic synthesis and characterization of calcium phosphate nanoparticles for regenerative medicine

    Rejeneratif tıpta kalsiyum fosfat nanopartiküllerinin biyomimetik sentezi ve karakterizasyonu

    MUSAB ORAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    BiyomühendislikYıldız Teknik Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET MURAT ÖZMEN

    DR. SOFİA DEMBSKI

Geri Dön