Theoretical study of thermoelectrical properties of covalent organic frameworks

Abstract

Bu tez çalışmasında merkezlerinde çeşitli geçiş metalleri bulunan metalloftalosiyanin ve metalloporfirin birimlerinden türetilmiş kovalent organic çerçevelerin termoelektrik özellikleri teorik olarak incelendi. Ab initio hesaplamaları, yoğunluk fonksiyonelleri kuramı kapsamında, düzlem dalga ve psödopotansiyel yöntemleri kullanılarak ABINIT simülasyon paketi ile yapıldı. Bileşiklerin termoelektrik özellikleri, sabit rahatlama zamanı ile Boltzmann transport kuramını kullanan Boltztrap yazılımı ile hesaplandı. Son olarak bileşiklerin termoelektrik elektronik uygunluk fonsiyonu da TransM kodunu kullanılarak elde edildi.Tüm incelenen bileşiklerin termal iletkenlikleri çoğu gözenekli malzemelerden beklendiği gibi önemli ölçüde düşük çıktı. COF 366 ve COF 66'nın bant boşluklarının eklenen merkez atomla beraber düştüğü belirlendi. Kullanılan merkez atom Ni'nin ayrıca COF 366'nın termoelektrik değer katsayısının (ZT) önemli ölçüde geliştirdiği gözlemlendi. Uygun dizilime sahip bir COF 366 yapısının, kullanılan Ni merkez atomuyla birlikte 0.998 ZT değerine ulaşabildiği belirlendi. 780 K'da 0.978 ZT değerine olaşabilen CoPc COF, MPc COF'lar içerisinde en iyi termoelektrik performansı gösteren malzeme oldu. Ayrıca MPc COF'ların hesaplanan Seebeck katsayısı değerleri şu şekilde oldu: CoPc COF için 770 μV/K, Cu-Pc COF -423 μV/K ve ZnPc COF için -315 μV/K.

In this thesis, thermoelectric properties of different covalent organic frameworks constructed from metallophthalocyanine (MPc) and metalloporphyrin (MP) units with various transition metal atoms (Co, Cu, Zn, and Ni) have been theoretically studied. We performed ab initio calculations within the ABINIT simulation package that works with the density functional theory (DFT) framework using plane-wave basis and pseudopotentials. We used the BoltzTraP code that uses Boltzmann transport theory with constant relaxation time to calculate the thermoelectric properties of the compounds. To obtain thermoelectric electronic fitness function (EFF) we used TransM code. The thermal conductivity displays remarkably low for all studied compounds which is necessary to enhance the ZT value. For COF 366 and 66, we found that the presence of the Ni atom increases the bandgap. It is observed that in COF 366 a considerable improvement in thermoelectrical figure of merit ZT with presence of central atom Ni, as well as, an increase in the Seebeck coefficient. We show that COF 366 with a central atom Ni could reach a value of ZT= 0.998 around 300 K with proper stacking. As for MPc COFs, CoPc COF have maximum ZT value among these compounds with a value of 0.978 at 780 K along the in-plane direction. The maximum Seebeck coefficient values for MPc COF as follows: 770 μV/K for CoPc COF, -423 μV/K for Cu-Pc COF, and -315 μV/K for ZnPc COF. The calculations showed that all maximum values are in the in-plane directions.