Implications of the anisotropic Mexican-hat band structure in 2D materials on their thermoelectric properties: An analytical and computational investigation
İki boyutlu (2B) malzemelerde anizotropik Meksika-şapkası bant yapısının termoelektrik özellikleri üzerindeki etkileri: Analitik ve hesaplamalı bir inceleme
- Tez No: 983134
- Danışmanlar: Prof. Dr. OĞUZ GÜLSEREN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
İki boyutlu (2D) malzemelerin elektronik bant yapıları, değerlik bandı kenarı yakınında çoğu zaman parabolikten saparak belirgin biçimde anizotropik özellikler sergiler. Momentum uzayında halka biçimli bir enerji ekstremumu ile karakterize edilen Meksika-şapka benzeri dağılım, özellikle ilgi çekici bir durum. Bu topoloji, 2D durum yoğunluğunda (DOS) bir van Hove tekilliği ve elektronik iletim spektrumunda keskin bir eşik oluşturur; her ikisi de termoelektrik performansı önemli ölçüde artırabilir. Ancak gerçek malzemelerde bu dağılımlar sıklıkla açısal anizotropi gösterir; bu da DOS tekilliğini kaydırır ve taşınım verimini düşürür. Bu tezde, Meksika-şapka benzeri bant yapılarındaki anizotropi ile termoelektrik özellikler arasındaki etkileşimi bir 2D malzeme ailesi genelinde inceliyoruz. Birinci ilke yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) ve yoğunluk fonksiyonel pertürbasyon teorisi (DFPT) hesaplamalarını kullanarak, PbBrF, PbClF, PbIF, BaHI, BiOCl, CaHBr ve SrHI olmak üzere yedi tek katmanlı bileşiği sistematik biçimde inceliyoruz. Her malzeme için yapısal optimizasyon, elektronik bant yapısı analizi ve fonon kararlılık denetimleri gerçekleştiriyoruz. Termoelektrik taşınım katsayıları, yarı-klasik Boltzmann taşınım denklemi çerçevesinde BoltzTraParacılığıyla hesaplanmakta ve PbXF bileşikleri için spin–yörünge etkileşimi (SOC) dâhil edilmektedir. Örgü (fonon sınırlı) ısı iletkenliği, thirdorder.py ile elde edilen üçüncü mertebe kuvvet sabitleri ve ShengBTE kullanılarak değerlendirilmektedir. Meksika-şapka özelliklerini analitik olarak yorumlamak amacıyla, en yakın ve ikinci en yakın komşu zıplama genliklerinin oranı (ξ = t2/t1) ve açısal anizotropi terimi β ile parametrelenen bir sıkı-bağ modelini kullanıyoruz. ξ ve β'nın bant kenarının eğriliğini ve şeklini birlikte nasıl denetlediğini ve böylece termoelektrik yanıtı nasıl ayarladığını gösteriyoruz. PbXF serisi genelinde SOC, değerlik kenarı tekilliğini bastırır ve p-tip performansı düşürme eğilimindeyken, iletim kenarını keskinleştirerek n-tip yanıtı ılımlı biçimde artırabilir. Fonon hesapları (ikinci ve üçüncü mertebe kuvvet sabitleri; ShengBTE),yumuşakoptikmodlar vegüçlü üç-fonon saçılmaları nedeniyle örgü ısı iletkenliğinin doğası gereği düşük olduğunu ortaya koymaktadır. Bant yapısı mühendisliğine bir örnek olarak, SrHI'ye 0–6% aralığında çift eksenli çekme gerinimi uyguluyor ve gerinimin Meksika-şapkası anizotropisini azalttığını, şapka yüksekliği ile halka yarıçapını bir miktar düşürdüğünü ve DOS eşiğini keskinleştirdiğini gösteriyoruz. Mott ilişkisiyle uyumlu olarak, p-tip S ve güç faktörü (iletkenlikte hafif bir ödün pahasına) iyileşmektedir. Buna karşılık, modların yumuşaması ve anharmonik faz uzayının genişlemesiyle örgü ısı iletkenliği azalır. Sonuçlar bir arada değerlendirildiğinde, yüksek performanslı 2D termoelektriklerin tasarımı için açık tanımlayıcılar ve ayar düğmeleri—ξ, β, şapka yüksekliği ve gerinim—ortaya konmaktadır.
Özet (Çeviri)
The electronic band structures of two-dimensional (2D) materials often exhibit non-parabolic, highly anisotropic features near the valence band edge. A particularly intriguing case is the Mexican-hat-like dispersion, characterized by a ring-shaped energy extremum in momentum space. This topology gives rise to a van Hove singularity in the 2D density of states (DOS) and a sharp onset in the electronic transmission spectrum, both of which can significantly enhance thermoelectric performance. However, realistic materials frequently exhibit angular anisotropy in these dispersions, shifting the DOS singularity and degrading transport efficiency. In this thesis, we investigate the interplay between anisotropy in Mexican-hat-like band structures and thermoelectric properties across a family of 2D materials. Using first-principles density functional theory (DFT) and density functional perturbation theory (DFPT), we systematically study seven monolayer compounds, including PbBrF, PbClF, PbIF, BaHI, BiOCl, CaHBr, and SrHI. For each material, we perform structural optimization, electronic band structure analysis, and phonon stability checks. Thermoelectric transport coefficients are computed using the semi-classical Boltzmann transport equation via BoltzTraP, incorporating spin-orbit coupling (SOC) for the PbXF compounds. Phonon-limited lattice thermal conductivity is evaluated through third-order force constants obtained from thirdorder.py and ShengBTE. To analytically interpret the Mexican hat features, we develop a tight-binding model parameterized by the ratio of next-nearest to nearest-neighbor hopping amplitudes (ξ = t2/t1) and an angular anisotropy term β. We demonstrate how ξ and β jointly control the curvature and shape of the band edge, thus tuning the thermoelectric response. Across the PbXF series, SOC suppresses the valence-edge singularity and tends to lower the p-type performance while modestly enhancing the n-type response by sharpening conduction edges. Phonon calculations (second- and third-order force constants; ShengBTE) reveal intrinsically low lattice thermal conductivities due to soft optical modes and strong three-phonon scattering. As a case study in band-structure engineering, we apply biaxial tensile strain (0–6%) to SrHI and show that strain reduces the Mexican-hat anisotropy, slightly decreases the hat height and ring radius, and sharpens the DOS onset. Consistent with the Mott relation, p-type S and the power factor improve (with a mild trade off in conductivity). In contrast, the lattice thermal conductivity decreases as strain softens modes and enlarges anharmonic phase space. Taken together, the results establish clear descriptors and knobs—ξ, β, hat height, and strain—for designing high-performance 2D thermoelectrics.
Benzer Tezler
- Zar-evren modellerinde zara-dayalı ve bulka-dayalı çözümlerin eşdeğerliliğinin araştırılması
Investigations of the equivalence of the brane-based and the bulk-based solutions in brane-world models
GÜLÇİN ULUYAZI
Doktora
Türkçe
2011
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAŞİM MUTUŞ
- Ferromanyetik filmlerde oluşan yüzey manyetik anizotropisinin numerik çözümlenmesi
Numerical computation of the formation of the magnetic surface anisotropy in the ferromagnetic films
EMRAH ÇÖKTÜREN
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Fizik ve Fizik MühendisliğiTrakya ÜniversitesiFizik Bölümü
YRD. DOÇ. DR. MEHMET BAYIRLI
- Yapısal ses kaynaklarının konumunun akustik emisyon yöntemi kullanılarak belirlenmesi
Localization of structural noise sources using the acoustic emission method
TOLGA MERİÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK EROL
- Uzay araçlarında kullanılan malzemelerde temas basıncının ısıl dirence etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical examination of the effect of contact pressure on thermal resistance i̇n materials used i̇n space vehicles
SEZAİ KOLAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEDİM SÖZBİR