Size modulation and defects in graphene based ribbons: Magnetism and charge confinement

Abstract

Bu tezde grafin nanoşeritlerin elektronik ve manyetik özelliklerinin ağ örğü deliklereve heterojen kesit oluşumuna göre nasıl değiştiğini pseudo potansiyellidüzlem dalga metodlu yoğunluk fonksiyoneli teorisi ile inceledik. Grafin tabanlımalzemelerin geleceğin teknolojisinde oldukça önemli bir yere sahip olması beklenmektedirve bu yüzden bu malzemenin fiziksel özelliklerini belirleyen faktöleriniyi anlaşılması gerekmektedir. Biz gösterdik ki grafin şeritlerin elektronik vemanyetik özellikleri delik sonucu oluşan dalga durumları yüzünden oldukça fazlaetkilenmektedir. Armchair türü grafin şeritlerin yasak enerji aralıkları hidrojenledoyurulmuş delikler sayesinde modifiye edilebilmektedir. Bu delikler malzemeyemetalik özellik kazandırabilmekte hatta manyetik olmayan armchair şeritlereyerel manyetik özellikler dahi kazandırabilmektedir. Zigzag türü grafin şeritlerdeise kenar durumlarının delik yüzünden oluşan durumlar ile etkileşmesi sonucuantiferromagnetik halden ferrimagnetic hale geçiş gözlemlenmektedir. Dahada ilginci bütün bu etkiler deliğin yapısına ve oluştuğu yere göre değişikliklergöstermektedir. Deliklerden ayrı olarak bizler farklı kalınlıktaki grafin şeritlerinbirleştirilmesi ile oluşturulan grafin yapılarının çoklu kuantum kuyu yapılarınınoluşturduklarını da gösterdik. Yeni yapıyı oluşturan bileşenler aynı malzemeolduğu için bu sistemler geleneksel heterojen yapılardan farklılık göstermektedir.Heterojen sistemi oluşturan şeritlerin kalınlıkları ve boyları, birbirlerine olan konumları,simetrileri heterojen sistemin elektronik özelliklerinin kontrol edilmesindeönemli rol oynamaktadır. Daha ileriki çalışmalarımız, grafin şeritleri ve onlarınfarklı kalınlıklarının birleştirilmesi ile oluşturulan heterojen yapıların yasak enerjiaralıklarının uygulanılan gerilme ile değiştiğini de göstermektedir. Bu tezyukarıda anlattığımız bütün etkenlerin grafin şeritlerine olan etkilerinin incelendiğikapsamlı bir çalışmayı sunmaktadır.

In this thesis, we investigated the effects of vacancy and heterojunction formationon electronic and magnetic properties of graphene nanoribbons (GNRs)by using first principles pseudopotential plane wave method within Density FunctionalTheory. Graphene based materials are expected to be very important infuture technology. Through understanding of all the factors which influence theirphysical properties is essential. We have shown that electronic and magneticproperties of graphene nanoribbons can be affected by defect-induced itinerantstates. The band gaps of armchair nanoribbons can be modified by hydrogensaturated holes. Defects due to periodically repeating vacancies or divacanciesinduce metallization, as well as magnetization in non-magnetic semiconductingnanoribbons due to the spin-polarization of localdefect states. Antiferromagneticground state of semiconducting zigzag ribbons can change to ferrimagnetic stateupon creation of vacancy defects, which reconstruct and interact with edge states.Even more remarkable is that all these effects of vacancy defects are found to dependon their geometry and position relative to edges. We also predicted thatperiodically repeated junctions of graphene ribbons of different widths form multiplequantum well structures having confined states. These quantum structuresare unique, since both constituents of heterostructures are of the same material.The width as well as the band gap, for specific superlattices are modulated indirect space. Orientation of constituent nanoribbons, their widths, lengths andthe symmetry of thejunction are some of the crucial structural parameters to engineerelectronic properties of these systems. Our further studies on nanoribbonsand nanoribbon superlattices showed the strong dependence of band gaps andmagnetic moments on applied uniaxial stress. This thesis presents an extensivestudy of size modulation and defect formation on graphene nanoribbons.