Experimental and theoretical investigation of 2d materials

Abstract

Bu tez çalışmasında, tek katmana sahip MoS2'in Kimyasal Buhar Biriktirme (KBB) yöntemi ile üretilmesi üzerine kapsamlı bir çalışma yürütülmüş ve Raman, Foto ışıma ve Işıma Ömrü spektroskopisi kullanılarak üretilen yaprak ve filmler incelenmiştir. Büyütme bölgesi geometrisi, öncül oranları, gaz akış kompozisyonu ve çeşitli alttaşların büyütme üzerine etkisi incelenmiştir. Buna ek olarak, üretilen yaprakların zamana bağlı yapısal değişimleri gözlenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda Mo ve S konsantrasyonunun alttaş yüzeyindeki değişiminin, MoS2 yapılarının şekil, büyüklük ve homojenliğini belirleyen anahtar parametre olduğu tespit edilmiştir. Homojen bir büyütme için Mo ve S oranının yüzey üzerindeki dağılımının belirli bir oranda tutulması önerilmiştir. Geniş alanda homojen büyütme (3 cm x 4 cm) cam alttaşlar üzerinde, Si/SiO2 alttaşına göre MoS2 yapraklarında daha az stres içerecek şekilde gerçekleştirilmiştir. Zamana bağlı yaprak yapısındaki gözlemler, yaprakların çatlama davranışı ile büyütme bölgesi geometrisi ve stres birikimi arasında bir ilişki olduğunu göstermiştir. Tezin teorik kısmında ise, Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (YFT) hesaplamaları kullanılarak yeni `electrene` sistemleri araştırılmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda, dinamik olarak kararlı ve yapraklarına ayrılabilir Ba2As, Ba2P, Ba2Sb, Sr2P and Sr2N sistemleri `electrene` ailesine eklenmiştir. Na, Ca ve K' un bu sistemler üzerindeki adsorpsiyon enerjisi ve enerji bariyerleri oldukça düşük çıkmıştır. Dolayısıyla bu sistemlerin pil uygulamalarında mükemmel bir anot malzemesi adayı olduğu gösterilmiştir.

In this thesis, a comprehensive study of monolayer MoS2 growth by Chemical Vapor Deposition (CVD) has been carried out and investigated by Raman, Photoluminescence and Fluorescence lifetime spectroscopy. Several aspects of CVD growth parameters have been investigated: growth zone geometry, precursors ratio, H2 utilization, and effect of different substrates. Moreover, structural integrity of the flakes grown in these experiments has been studied. It has been found that local changes of the S to Mo vapor ratio in the growth zone is a key factor for the change of shape, size and uniformity of the resulting MoS2 formations. Therefore, in order to obtain continuous monolayer films, the S to Mo vapor ratio is needed to be kept within a specific range throughout the substrate. Large area homogeneous growth of MoS2 film (3 cm x 4 cm) and flakes is achieved by using glass substrates with minimal stress contribution. Moreover, observations on the flakes revealed that growth zone geometry and hence residual stress accumulation has a profound effect on the fracture behavior of the flakes and their stability with time. Another 2D material family has been investigated using Density Functional Theory (DFT) calculations to find new electrene materials, which are 2D counterparts of electrides. Therefore, dynamically stable exfoliatable electrene family has been extended beyond Ca2N to Ba2As, Ba2P, Ba2Sb, Sr2P and Sr2N. Adsorption energies of Na, Ca, and K on these new electrenes have been found to be extremely low with very low diffusion energy barriers making these electrenes excellent candidates for ultrafast charging battery anode applications.