P bloğu elementlerini içeren düşük boyutlu nanoyapıların ilk prensiplere dayalı dizaynı

Abstract

Bu tez, ilk prensiplere dayalı malzeme dizaynı çalışmaları üzerinedir. Laboratuarda sentezlenmeden önce bilgisayarda dizayn edilen malzemelere, yine laboratuarda sentezlenecekleri ana kadar hipotetik malzemeler denilir. Hipotetik malzemeler için en önemli soru kararlı olup olmadıklarıdır. Bu tezde kararlılık, statik ve dinamik kararlılık olarak iki kısımda incelenmiştir. İlk çalışılan problem, statik kararlılığın ilk prensiplere dayalı hesaplamalarda nasıl belirleneceği olmuştur. Bu konuda çalıştığımız problem GaN nanokafesler olmuştur. Altı dörtgenle kapanan GaN nanokafeslerin, kararlılığını anlamak için literatürde hali hazırda kullanılan bağlanma enerjisi, HOMO-LUMO enerji aralığı, bağ uzunlukları, izole dörtgen kuralı gibi bilinen kriterlerin yanında, zorlanmanın yapıya homojen dağılıp dağılmadığı da incelenmi?tir. En kararlı yapılarda zorlanmanın en homojen dağılım gösterdiği ve homojen olmayan zorlanma dağılımının yapıları kararsız kıldığı bulunmuştur. Dinamik kararlılık için ise iki problem çalışılmıştır. İlk problemimiz C60 fullerenin yer seçici hidrojenlenmesi olmuştur. Yer seçiciliği anlamak için sadece öncü orbitallerin yerleşimine dayalı bir modelin yeterli olmadığı görülmüştür. Fulleren üzerinde hidrojen göç bariyerleri hesap edilmiş ve dış hidrojenlerin göç bariyerlerine etkisi araştırılmıştır. Dinamik kararlılık için seçtiğimiz diğer problem, hipotetik bir malzeme olan silisyum fullerenlerin birleşme reaksiyonu olmuştur. Farklı araştırmacılar tarafından kararlı oldukları öngörülen içten metal katkılı silisyum fullerenlerin, doymamış yüzey bağlarından ötürü bariyersiz bir şekilde birbirlerine yapıştıkları, kendi tipinde moleküllerle etkileşim altında kararsız oldukları gösterilmiştir. Dıştan hidrojenle kaplanmış silisyum fullerenlerin ise, polimerle?me isteğinin bulunmadığı, fakat kararlılıklarının, en kararsız karbon fulleren olan C20?den oldukça düşük olduğu gösterilmi?tir. Anahtar Kelimeler:Kararlılık, yer seçici hidrojenlenme, fulleren, nanokafes, öncü orbitaller vi

This thesis is on first principle materials design. Materials designed on a computer but have not been synthesized on a laboratory yet is called as ?Hypothetical materials? until a successful synthesis. The most important question about a hypothetical material is whether they are stable or not. In this thesis, stability is analyzed in terms of static and dynamical stability. The first problem that we studied is the first principles determination of static stability of GaN nanocages. In order to understand the stability of GaN nanocages that are enclosed by six tetragons, we used the homogeneity of strain as a new stability criterion beside the widely used stability criteria such as binding energies, HOMO-LUMO energy gaps, bond lengths, isolated tetragons rule. We observe that the strain distributed the most homogenously, in the most stable structures and any inhomogeneous distribution of strain leads to instabilities even if the structure has isolated tetragons. For the dynamical stability we studied two problems: The first one is about the regioselective hydrogenation of C60fullerene. We first realized that a model based only on the placement of frontier orbitals is not enough for a full understanding of regio-selective hydrogenation process. Therefore, we studied the hydrogen migration barriers on C60 fullerene. The effect of external hydrogenating agents are considered and found to decrease the barriers. The other problem we chose for the dynamical stability is the sintering of hypothetical silicon fullerenes. The endohedral metal stabilized silicon fullerenes which are predicted to be stable by various researchers are found to polymerize barierlessly due to unsaturated surface bonds. Therefore they are unstable under the action of molecules of the same kind. Furthermore we found that exohedral hydrogenated silicon fullerenes show no tendency for polymerization but their stability is found to be poorer than the least stable carbon fullerene C20.Keywords:Stability, regio-selective hydrogenation, fullerenes, nanocages, frontier orbitals