PROF. DR. GÜLAY DERELİ

Karbon nanotüplerin elektronik yapısının bilgisayar simülasyonları Computer simulations of electronic structure of carbon nanotubes

Bu tez çalışmasında, mekanik kusurların zigzag tek duvarlı karbon nanotüplerin (TDKNT) elektronik ve fiziksel özellikleri üzerindeki etkisi N mertebe paralel sıkı bağ moleküler dinamik (O(N) ? SBMD) simülasyon yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Tezin birinci kısmında, sıcaklığa göre TDKNT’lerin enerjilerin, elektronik durum yoğunluklarının (eDOS), enerji bant aralıklarının (Eg), radyal dağılım fonksiyonlarının, bağ uzunluğu ve bağ açısı dağılım fonksiyonlarının değişimi incelenmiştir. Tezin ikinci kısmında, düşük / yüksek sıcaklıklarda eksenel gerinim etkisindeki TDKNT’lerin elektronik ve fiziksel özellikleri incelenmiştir. Eksenel gerinime bağlı olarak TDKNT’lerin elektronik özelliklerinde metal ? yarıiletken ve yarıiletken ? metal geçişleri gözlemlenmiştir. Gerilim gerinim grafikleri kullanılarak zigzag TDKNT’lerin Young modülü ve Poisson oranları belirlenmiştir. Tezin üçüncü ve dördüncü kısmında düşük / yüksek sıcaklıklarda boşluk ve burulma kusurlarının, TDKNT’lerin elektronik ve fiziksel özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir.

Burkmanın karbon nanotüplerin fiziksel ve elektronik yapılarına etkisi

Tek Duvarlı Karbon Nanotüpler (TDKNT), nano-boyutlu malzemeler arasında sağlamlıkları ve ayarlanabilir elektronik özellikleri nedeni ile en avantajlı malzemelerden biridir. TDKNT’ler çaplarına, boylarına ve simetrilerine bağlı olarak yüksek esneklik ve dayanıklılığa sahip, eksenleri boyunca yüksek gerinimler altında yapısal kararlılıklarını koruyan malzemelerdir. Bu tezde, G. Dereli tarafından burkma deformasyonlarını da içerecek şekilde geliştirilen N-mertebeli Sıkı-bağ Moleküler Dinamik Simülasyon (SBMD) yöntemi kullanılmıştır (Özdoğan, Dereli ve Çağın, 2002; Dereli ve Özdoğan, 2003a, 2003b). Algoritmalar, YÜLAP 29-01-01-YL02 projesi kapsamında oluşturulan 5 PC kasası üzerinde paralelleştirilerek koşulmuştur. Denge konumunda (8,0) TDKNT, sanal ortamda elde edildikten sonra belirlenen açılarda burkma uygulanmıştır. Karbon Nanotüpün burkmadan önce ve sonra toplam enerji değerleri elde edilmiştir. Değişik burkma açıları altında tüpün toplam enerji değerleri hesaplandıktan sonra, atomların radyal dağılım fonksiyonları, bağ uzunluğu dağılım fonksiyonları ve bağ açısı dağılım fonksiyonları çizilerek fiziksel özellikleri elde edilmiştir. Burkmanın TDKNT’lerin elektronik yapısına olan etkisi, Fermi enerji seviyesi etrafındaki elektronik durum yoğunluğu fonksiyonlarının belirli açılarla uygulanan burkma altındaki değişimleri incelenerek tespit edilmiştir. Burkmanın TDKNT’lerin enerji bant aralıklarını dolayısıyla TDKNT’lerin iletkenliklerini nasıl etkilediği araştırılmıştır.

Karbon nanotüplerin elektronik yapısına sıcaklığın etkisi

Sıkı Ba Moleküler Dinamik Simülasyon (O(N) SBMD) yöntemi kullanılarak farklı yapılardaki tek duvarlı karbon nanotüplerin (TDKNT) fiziksel ve elektronik yapıları incelenmitir. TDKNT’lerin elektronik yapısı tüpün çapına ve simetrisine balıdır ve chiral vektörüyle belirlenmektedir. Tek Duvarlı Karbon Nanotüpler yapısal parametrelerine balı olarak hem metalik hem de yarıiletken olabilirler. Tek Duvarlı Karbon Nanotüplerin yapısal ve elektronik özelliklerini incelemede (O(N)) Sıkı Ba Moleküler Dinamik Simülasyon yöntemin kullanırız. Order “N” algoritmaları paralel hesaplamaya uygun algoritmalardır. Klasik sıkı-ba yöntemi Shrödinger denklemini direk matris köegenletirmesi ile çözer ve atom sayısının kübü ile orantılı simülasyon zamanı kullanır. O(N) metodu band enerjisini gerçek uzayda çözer ve balanmaya yalnız yerel çevrenin katkısı olduu yaklaımını yapar. O(N) yöntemi, atom sayısıyla lineer orantılı simülasyon zamanı kullanır. Bu da simülasyonlarda hesaplama zamanını kısaltır. Bu çalımada (9×0) dan balayarak (21×0)’a kadar olan Zigzag TDKNT’lerin, 0.1 K düük sıcaklıklardan 2100 K yüksek sıcaklıklara kadar (0.000008 eV ve 0.175 eV) elektronik sıcaklıklarda, her bir karbon nanotüp için Fermi enerji seviyeleri, bant aralıı enerjileri, Elektronik Durum younluu (eDOS) grafikleri, Fermi-Dirac Daılım Fonksiyonu ve tüplerin yarıçapları hesaplanmıtır. Tek Duvarlı Karbon Nanotüplerin elektronik yapılarının incelenmesi için Zigzag karbon nanotüplerin Elektronik durum younluu ve bant aralıı enerjileri karılatırılmalı olarak incelenmitir ve bu sonuçların literatürdeki sonuçlarla kıyaslaması yapılmıtır. Anahtar kelimeler: Karbon nanotüp, N-mertebe, sıkı ba, moleküler dinamik simülasyonu, elektronik özellik, durum younluu, enerji band aralıı, sıcaklık, daılım.

Nanomalzemelerin bilgisayar simülasyonu Computer simulation of nanomaterials

Tek duvarlı karbon nanotüpler (TDKNT), 1-10 nm çapına ve bu çapa kıyasla daha uzun bir boya sahip, karbondan üretilen içi boş silindir şeklindeki yapılardır. TDKNT’lerin yapısı kiral vektörüyle tanımlanır. TDKNT’ler yapısal parametrelerine bağlı olarak metalik veya yarı iletken olabilirler. Tezin ilk bölümünde, (18,0), (19,0), (20,0) ve (22,0) zigzag TDKNT’lerin germe ? sıkıştırma etkisi altında elektronik (Fermi enerji seviyesi, elektronik durum yoğunluğu, enerji bant aralığı) ve fiziksel özellikleri (atomik koordinasyon sayısı, bağ-açısı, bağ-uzunluğu ve radyal dağılım fonksiyonu) Paralel N-Mertebe Sıkı-Bağ Moleküler Dinamik (SBMD) simülasyon yöntemi kullanılarak gerçek uzayda sıcaklık etkisini içerecek şekilde incelendi. Germe ? sıkıştırma etkisi altında (18,0), (19,0), (20,0) ve (22,0) zigzag TDKNT’lerin elektronik özelliklerinde metal ? yarıiletken, yarıiletken ? metal geçişleri gözlendi. İkinci bölümde, 300K sıcaklık değerinde farklı boylardaki (18,0), (19,0), (20,0) ve (22,0) zigzag TDKNT’lerin elektronik özellikleri incelendi. Bu çalışmada, TDKNT’ler nanokuşak (5 katman), 8, 20 ve 80 katmanlı yapılar olarak seçildi. Üçüncü bölümde, düşük ? yüksek sıcaklıklarda (18,0), (19,0), (20,0) ve (22,0) zigzag TDKNT’lerin elektronik ve fiziksel özelliklerinin değişimi incelendi. Tezin son bölümünde, yüksek sıcaklıklarda, germe ? sıkıştırma etkisi altında, yüksek sıcaklıklarda germe ? sıkıştırma etkisi altında (18,0), (19,0), (20,0) ve (22,0) zigzag TDKNT’lerin dayanıklılıkları incelendi. Çalışmalarımda, Tek duvarlı karbon nanotüp simülasyonu için Prof. Dr. Gülay DERELİ tarafından geliştirilen Paralel N-Mertebeli Sıkı-Bağ Moleküler Dinamik programı kullanıldı.