Üçlü eşatomik MoRuP, WRuP, HfırSi, TiIrSi ve ZrIrSi süperiletkenlerinin fiziksel özelliklerinin teorik olarak incelenmesi
Theoretical investigation of physical properties of ternary atomic superconductors MoRuP, WRuP, HfırSi, TiIrSi ve ZrIrSi"
Yazar: ISRAA AL-CHALABI
Danışman: DOÇ. DR. SADIK BAĞCI
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (YFT), fizik, kimya ve malzeme biliminde yaygın olarak kullanılan çok yönlü ve popüler bir yöntemdir. Malzemelerin elektronik yapısını hesaplamak için kullanılır ve özellikle yeni sentezlenen veya sentezlenmesi muhtemel olan sistemlerin fiziksel özelliklerini araştırmada önemli bir rol oynar. Deneysel çalışmalarda, ortam şartları, maliyet ve zaman gibi kısıtlamalar malzemelerin özelliklerini belirlemeyi zorlaştırır. YFT, bu zorlukların üstesinden gelmek için etkili bir çözüm sunar. Henüz sentezlenmemiş veya sentezlenebilecek malzemelerin fiziksel özelliklerini, deneysel çalışmalara gerek kalmadan tahmin etmeye olanak tanır. Bu sayede, daha az maliyet ve daha kısa sürede çeşitli fiziksel özellikleri belirlemek mümkün hale gelir. Bu tez çalışmasında, MoRuP, WRuP, HfIrSi, ZrIrSi ve TiIrSi bileşiklerinin ortorombik TiNiSi-tipi yapılarında yapısal, elektronik, elastik, mekanik, fonon ve elektron-fonon etkileşim özelliklerini incelemek için yoğunluk fonksiyonel teorisi ile genelleştirilmiş gradyan yaklaşımı ve düzlem dalgası psödopotansiyel yöntemi kullanılmıştır. Elektronik yapı ve elektron durum yoğunluğu sonuçlarının derinlemesine incelenmesi, çoğunluğu Fermi seviyesine yakın olan elektronik durumların geçiş metallerinin d orbitallerinden kaynaklandığını göstermektedir. Bu gözlem, bu bileşiklerin metalik özelliklerini doğrulamaktadır. Aynı zamanda, ab initio elektronik yapı hesaplamaları, deneysel ve teorik bulguları destekleyen BCS süperiletkenliğini gösterir.
HfIrSi, ZrIrSi ve TiIrSi gibi izo-yapılı düzenlemelere sahip malzemelerin temel elektronik yapılarının benzer olduğu gösterilmiştir. Bu nedenle, ZrIrSi ve izo-yapılı malzemelerdeki süperiletkenlik özelliklerinin geleneksel BCS mantığı çerçevesinde iyi anlaşılabileceği düşünülmektedir. Bununla birlikte, bu malzemelerin elektronik yapıları birbirine benzer olsa da, fonon yapıları farklıdır. Bu çalışmada, bu ilginç malzemelerin elastik modülleri ilk kez hesaplanmış ve tüm ortorombik bileşiklerin mekanik olarak kararlı ve esnek oldukları görülmüştür. Elastik sabitlerin ve modüllerin incelenmesi, bu malzemelerin mekanik dayanıklılığını ve performansını anlamamıza değerli bir katkı sağlar.
Tüm bileşiklerin fonon dağılım spektrumu sadece pozitif frekansları içerir, bu da onların basit ortorombik TiNiSi-tipi kristal yapısında dinamik olarak kararlı olduklarını gösterir. Ortorombik MoRuP ve WRuP'nin süperiletkenliği, Mo 4d ve W 5d elektronlarının Mo-W bağlantılı örgü titreşimleriyle etkileşimine dayanmaktadır. MoRuP için elektron-fonon etkileşim parametresi 0.98 ve WRuP için ise 0.68 olarak hesaplanmıştır. Bu değerler, bu ortorombik bileşiklerin güçlü geleneksel BCS-tipi süperiletkenlere ait olduğunu göstermektedir. Ayrıca, elektron-fonon etkileşimi hesaplamaları sonucunda HfIrSi için ortalama λ değeri 0.59, ZrIrSi için 0.53 ve TiIrSi için 0.49 olarak bulunmuştur. Bu da tüm bileşiklerin, fononlardan kaynaklanan süperiletkenlik sergilediğini göstermektedir. Bu sonuçlar, tüm bu malzemelerin
xx
geleneksel BCS-tipi süperiletkenlere ait olduğunu işaret etmektedir. Son olarak, MoRuP için süperiletken geçiş sıcaklığı değeri 16.5 K, WRuP için 5.68 K, HfIrSi için 2.7 K, ZrIrSi için 2K ve TiIrSi için 1.63 K olarak hesaplanmıştır ve bunlar deneysel olarak belirlenen sırasıyla 15.5 K, 5.5 K, 3.5 K, 2.04 K ve 1.4 K değerleriyle iyi bir uyum içindedir. Bu değerler, bu malzemelerin potansiyel uygulamalarını ve süperiletkenlik özelliklerini anlamak açısından önemlidir. Ayrıca, bu çalışma deneysel çalışan bilim insanlarına öngörü sağlayacak ve mühendisler için yol gösterici olarak değerli bir katkı sunacaktır. Bu malzemelerin çeşitli alanlardaki kullanımı ve tasarımı açısından da önemli bilgiler sağlamaktadır.

Abstract:
Density Functional Theory (DFT) is a versatile and widely used method in physics, chemistry, and materials science. It is employed to calculate the electronic structure of materials and plays a significant role in investigating the physical properties of newly synthesized or potentially synthesizable systems. Experimental studies often face constraints such as ambient conditions, cost, and time, making it challenging to determine the properties of materials. DFT provides an effective solution to overcome these challenges. It allows predicting the physical properties of materials that have not yet been synthesized or could be synthesized, without the need for experimental investigations. This enables the determination of various physical properties in a cost-effective and shorter time frame. In this thesis, I utilized the density functional theory's generalized gradient approximation and the plane-wave pseudopotential method to investigate the structural, electronic, elastic, mechanical, phonon, and electron-phonon interaction properties of (MoRuP, WRuP, HfIrSi, ZrIrSi, and TiIrSi) compounds in their orthorhombic TiNiSi-type structures. An in-depth examination of the electronic structure and electron density of states provides a critical evaluation, indicating that the majority of electronic states near the Fermi level originate from the d-states of transition metals.
This observation confirms the metallic characteristics exhibited by these compounds. In the first part of this work, the structural, electronic, elastic, mechanical, phonon and electron-phonon interaction properties of orthorhombic MoRuP and WRuP have been analysed by using the generalised gradient approximation of the density functional theory and the plane-wave pseudopotential method. An examination of elastic constants and elastic moduli indicates that the orthorhombic MoRuP and WRuP are mechanical stable and ductile. A critical assessment of electronic structure and electronic density of states implies that the electronic states in the vicinity of the Fermi level are mostly composed of the 4d states of the molybdenum and wolfram atoms in MoRuP and WRuP. A comparison of Eliashberg spectral function with electronic and phonon density of states reveals that the mechanism behind the superconductivity for the orthorhombic MoRuP and WRuP are the coupling of Mo 4d electrons with Mo-related lattice vibrations and W 5d electrons with W-related lattice vibrations . The integration of Eliashberg spectral function gives the electron-phonon coupling parameter of MoRuP to be 0.98 and WRuP to be 0.68 , implying that the orthorhombic MoRuP and WRuP belongs to the conventional BCS type superconductors with strong coupling. Finally, the value of superconducting transition temperature for MoRuP amounts to 16.5 K and for WRuP amounts to 5.68 K, harmonising with the experimental value of 15.5 K and 5.5 K. In the second part of this work, we conducted ab initio electronic structure calculations, revealing BCS superconductivity, which aligns with both experimental and theoretical findings.
xxii
The fundamental electronic structures of materials with iso-structural arrangements, such as HfIrSi, ZrIrSi, and TiIrSi, were found to be identical. This observation leads us to conclude that understanding superconductivity in ZrIrSi and similar iso-structural materials can be effectively achieved within the traditional BCS framework. Despite the similarity in their electronic structures, it's worth noting that these materials exhibit differences in their phonon structures. This study also marked the first-time computation of elastic moduli for these intriguing compounds, confirming their mechanical stability and ductility. The investigation into elastic constants and moduli yields valuable insights into the mechanical resilience and overall performance of these materials. The phonon dispersion spectrum of all compounds exhibits only positive frequencies at any wave vector, signifying their dynamical stability within the simple orthorhombic TiNiSi-type crystal structure. Upon analyzing the Eliashberg spectral function alongside the electronic and phonon density of states, we uncovered that the superconductivity mechanism in orthorhombic HfIrSi, ZrIrSi, and TiIrSi arises from the interaction between Hf 5d, Zr 4d, and Ti 3d electrons with the Ir atoms. Furthermore, the calculations of electron-phonon interaction yielded an average λ value of 0.59 for HfIrSi, 0.53 for ZrIrSi, and 0.49 for TiIrSi. These findings suggest that all compounds exhibit superconductivity through phonon-mediated interactions with weak coupling, placing them within the category of conventional BCS-type superconductors. Finally, we determined the superconducting transition temperature values as follows: 2.7 K for HfIrSi, 2 K for ZrIrSi, and 1.63 K for TiIrSi. These calculated values closely align with experimentally determined values of 3.5 K, 2.04 K, and 1.4 K, respectively. These transition temperature values play a crucial role in comprehending the potential practical applications and superconducting properties of these materials. This study employs Density Functional Theory (DFT) to comprehensively investigate a set of compounds, namely MoRuP, WRuP, HfIrSi, ZrIrSi, and TiIrSi. The research not only serves as a theoretical exploration but also has practical implications. The first noteworthy finding is the confirmation of metallic characteristics in these compounds. This knowledge is essential as it underpins various electronic and structural properties that influence their utility in practical applications. One of the central discoveries is the presence of BCS superconductivity in these materials.
This phenomenon has far-reaching implications for their potential applications, especially in the field of advanced electronics and energy transmission. The fact that this theoretical prediction aligns with experimental observations underscores the reliability of the findings. The study also delves into the mechanical aspects of these compounds. By calculating elastic moduli and investigating elastic constants, it demonstrates that these materials exhibit mechanical stability and ductility. This information is invaluable for engineers and material scientists who aim to incorporate these substances into various designs. Further insight comes from the analysis of phonon dispersion spectra, which unequivocally indicates dynamical stability in these compounds. This feature is crucial, as it ensures that the materials retain their structural integrity under various conditions, bolstering their suitability for real-world applications. Moreover, the investigation explores the electron-phonon coupling parameters. This analysis reveals strong coupling for MoRuP and WRuP, while HfIrSi, ZrIrSi, and TiIrSi exhibit weak coupling. These insights into the strength of electron-phonon interactions provide valuable information for understanding the underlying mechanisms of superconductivity in these materials. The study concludes by determining superconducting transition temperatures. These calculated values closely align with experimental measurements, reinforcing the study's credibility andapplicability. Knowledge of transition temperatures is of utmost importance as it dictates the conditions under which superconductivity can be effectively harnessed for practical purposes. In summary, this study represents a comprehensive exploration of the superconductivity and mechanical properties of MoRuP, WRuP, HfIrSi, ZrIrSi, and TiIrSi. Its findings contribute significantly to our understanding of these materials and their potential applications in a variety of domains.