Geri Dön

Functionalization of graphene and stoichiometric graphene derivatives

Grafinin fonksiyonelleştirilmesi ve stokiyometrik grafin türevleri

PDF İndir

  1. Tez No: 297744
  2. Yazar: HASAN ŞAHİN
  3. Danışmanlar: PROF. SALİM ÇIRACI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Bilim ve Teknoloji, Physics and Physics Engineering, Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Karbon temelli materyaller, Nano yapı, Nanokristaller, Nanopartiküller, Nanotel, Carbon based materials, Nano structure, Nanocrystals, Nanoparticles, Nanowire
  7. Yıl: 2011
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Deneysel tekniklerdeki son gelişmeler nano boyutlu malzemelerin dizaynını ve üretimini mümkün kılmıştır. Özellikle grafin, yüksek hızlarda elektron taşınımı ve diğer üstün özellikleri dolayısıyla çeşitli araştırma alanlarının ilgi odağı olmuştur. Geçtiğimiz dört yıl boyunca yapılan deneysel çalışmalar grafinin hidrojenlenmesi, florlanması ve klorlanması yolu ile stokiyometrik türevlerine kimyasal dönüştürülebileceğini göstermiştir.Bu tez çalışmasının amacı olası grafin türevlerinin varlığını öngörerek bunların mekanik, elektronik ve manyetik özelliklerinin araştırılmasıdır. Ayrıca modifiye edilmiş fiziksel özelliklere sahip yeni malzemeler elde etmeye olanak sağlayan, grafin ve türevlerinin işlevselleştirilmesi mümkündür. Yeni kaplama malzemeleri olarak kullanılabilecek sağlam iki boyutlu malzemelerin varlığına işaret eden sonuçlarımız toplam enerji, fonon, geçiş durumu ve moleküler dinamik için üst seviyede temel ilkeler yoğunluk fonksiyoneli kuramı kapsamında yürütülen hesaplardan elde edilmiştir.Hidrojenlenmiş grafin (CnH), grafan olarak adlandırılan tümüyle hidrojenlenmiş grafin (CH) ve bunların bir boyutlu nanoşeritlerinin kapsamlı analizi yapılmıştır.Grafan üzerinde dehidrojene edilmiş bölgelerin geometrisine bağlı olarak ilginç manyetik etkileşmelere sahip olduğu gösterilmiştir.Grafan üzerinde H ve CH kusurlarının oluşturulması ve ayrıca geçiş metali atomlarının bağlanması yolu ile grafan nanoşeritlerde dikkate değer miktarda spin polarizasyonu sağlar. ayrıca grafinin tek ve çift yüzeyinin florlanması sonucu olarak çeşitli elektronik ve manyetik özelliklere sahip olan nanoyapıların elde edilebileceği gösterilmiştir.Florografin olarak bilinen, tümüyle florlanmış grafin, sağlam, gerilmelere karşı dayanıklı ve manyetik olmayan bir yarıiletken malzemedir. Florografin alkali, metal olmayan, metaloid ve geçiş metali ile işlevselleştirilmiştir. ve herbir atom grubu farklı bağlanma karakteristiklerine sahiptir.Klor atomunun grafine adsorbe olması hidrojen ve flor atomuna göre oldukça farklıdır. Klor atomunun grafine bağlanması çok güçlü olmasına rağmen, yüzey üzerindeki hareketi neredeyse bariyersizdir. Bu, grafin yüzeyinde enerji edilmesi için büyük öneme sahiptir. Enerji optimizasyonları ve fonon hesaplamaları, tümüyle klorlanmış grafinin (klorografin) chair halinin enerjetik olarak en tercih edilebilir ve sağlam yapı olduğunu göstermiştir. Klorografin, germe yoluyla değiştirilebilir olan 1.2 eV yasak band aralığına sahip ve manyetik olmayan yarıiletkendir.Grafin tek başına belli simetrilere uyan yapısal kusurlar ve adsorbe edilmiş atom grupları ile işlevselleştirilebilirdir. Bu yapılarda lineer olarak çakışan bantların varlığıda korunabilmektedir. Hatta belli durumlar için kütlesiz Dirac fermiyonu davranışı bile elde edilmektedir.Son olarak, çok tabakalı ve hatta tek tabakalı grafin malzemelerin, reaktif metal yüzeylerinin boyut ve diğer fiziksel özelliklerini değiştirmeksizin koruyan, mükemmel nano ölçek kaplama malzemeleri olduğu gösterilmiştir. Grafin düz metal yüzeylere yapışabilir ve serbest oksijen atomunun ve molekülünün metal yüzeye sızmasına engel olur. Tek tabaka florografin de benzer amaçlar için kullanılabilirdir.Özellikle biyolojik moleküller ve kompleksler gibi yeni malzemelerin kuantum teorisinden türeyen yoğunluk fonksiyoneli kuramı ile dizayn edilmesi teori açısından yeni br doğrultuya işaret etmektedir.

Özet (Çeviri)

Recent developments in experimental techniques have made the design and production of materials atnanoscale possible. In particular, graphene has been the focus of research in diverse fields owingto high mobility carrier transport and other exceptional properties. Over the past four yearsexperimental studies have demonstrated that chemical conversion of graphene to its stoichiometricderivatives is possible by hydrogenation, fluorination and chlorination. The aim of this thesis isto predict stable stoichiometric graphene derivatives and explore their mechanical, electronic andmagnetic properties. Moreover, the functionalization of graphene and its derivatives are achieved,whereby their physical properties are modified to derive novel materials. Our predictions revealingstable 2D single layer conformers, which can be used as novel nanocoeting materials, are obtainedfrom state-of-the art first-principles Density Functional calculations of total energy, phonons,transition state analysis and ab-initio molecular dynamics.An extensive theoretical study on the stability of hydrogenated graphene (C$_{n}$H),fully hydrogenated graphane i.e graphane (CH), and their quasi one-dimensional nanoribbons is performed. The formation ofmeshes of dehydrogenated domains on graphane resulted in geometry specific magnetic structuresshowing interesting magnetic interactions. Creation of H and CH vacancies, as well as adsorption of transition metal atomsgive rise to significant spin-polarization in graphane nanoribbons. It is shown that as a result of one-sided or two-sidedfluorination of graphene one can obtain nanostructures with diverse electronic and magnetic properties. Fully fluorinatedgraphene or fluorographene CF is a stable, stiff and non-magnetic semiconductor. Additionally, this conformer of buckledgraphene is functionalized by alkali, non-metal, metalloid and transition metal atoms, and each group leads to diverseadsorption properties.Adsorption of chlorine to graphene is dramatically different from those of hydrogen and fluorine.While the binding energy of chlorine is significant, its migration on the surface of perfect graphenetakes place almost without barrier. This is crucial for energy harvesting on graphene surface.Energy optimization and phonon calculations indicate that the chair configuration of fully chlorinatedgraphene (chlorographene) is energetically most favorable and stable. It is a nonmagnetic semiconductorwith 1.2 eV direct band gap, which can be tuned by applied uniform strain.Graphene by itself can be functionalized by creating meshes of vacancies or adatoms conserving specific symmetries.Under these circumstances linearly crossing bands and hence the massless Dirac Fermion behavior can be maintained.Finally, it is demonstrated that multilayer, even single layer graphene constitute an excellentnanoscale coating, which can prevent a reactive metal surface from oxidation without changing thesize and other physical properties. Graphene can stick to flat metal surfaces and hinders freeoxygen atom and molecule from penetrating to the metal surface. Single layer fluorographene canbe used also for the same purposes.Design of novel nanomaterials, in particular biological molecules and complexes using first-principlesmethods derived from quantum theory indicates a new direction in theory, which promises a productivehybridization with experimental studies.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    342930

    Calculations of electric and magnetic properties of triangular graphene fragments using density functional theory: Effects of edge functionalization and electric field

    Üçgen grafen parçalarının elektrik ve manyetik özelliklerinin yoğunluk fonksiyoneli kuramıyla hesaplanması: Kenar fonksiyonelleştirme ve elektrik alan etkileri

    FADIL İYİKANAT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Fizik Bölümü

    PROF. DR. RAMAZAN TUĞRUL SENGER

  2. Tez No

    461960

    Covalent and non-covalent functionalization of graphene for application in catalysis and device technology: A first principles computational study

    Kataliz ve cihaz teknolojisi uygulamaları için grafenin kovalent ve kovalent olmayan şekilde işlevselleştirilmesi: İlk-ilkeler hesaplama çalışması

    TUĞÇE İRFAN AKAY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)

    DOÇ. DR. HANDE TOFFOLİ

    DOÇ. DR. BURCU AKATA KURÇ

  3. Tez No

    743713

    Synthesis and functionalization of graphene oxide nanocomposites for anticancer drug delivery

    Antikanser ilaç sağlanması için grafen oksit nanokompozitlerin sentezi ve işlevselleştirilmesi

    HEBA KAMAL MOHAMMED AHMED HASSAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    BiyomühendislikOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Prof. Dr. ZAFER EVİS

    Prof. Dr. AYŞEN TEZCANER

  4. Tez No

    336910

    First-principles investigation of functionalization of graphene

    Grafenin işlevleştirlmesinin ilk prensip teknikleriyle incelenmesi

    YAPRAK KORKMAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OĞUZ GÜLSEREN

  5. Tez No

    603326

    Functionalization and thickness dependent properties of single layer dichalcogenides

    Tek katmanlı dikalkogenidlerin ı̇şlevselleştirme ve kalınlığa bağlı özellikleri

    ZEYNEP KAHRAMAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Fotonik Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN ŞAHİN

Geri Dön