M5C15 (M = Si, Ge, Al, Ga) heterofullerenlerin elektronik yapılarının ve hidrojen depolama kapasitelerinin yoğunluk fonksiyonel teorisi ile incelenmesi
Investigation of electronic structures and hydrogen storage capabilities of M5C15 (M = Si, Ge, Al, Ga) heterofullerenes by density functional theory
Yazar: TUĞÇE METİN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA TEPE ; PROF. DR. CEMAL PARLAK
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Genel Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışma kapsamında ilk olarak,  M5C15 (M = Si, Ge, Al, Ga) heterofullerenlerinin yapısal ve elektronik özellikleri C20 fullereni ile birlikte yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) ile incelenmiştir. Daha sonra bu nano yapılara bir hidrojen molekülü endohedral katkılama yapılarak çalışma genişletilmiştir. İncelenen M5C15@H2 (M = Si, Ge, Al, Ga)  nanoyapıları arasından yapısal kararlılıkları ve kimyasal reaktivite özellikleri en iyi olanı belirlenmiştir. Bununla birlikte, incelenen sistemlerin moleküler yapıları ve elektronik özellikleri sırasıyla nükleer manyetik rezonans spektroskopisi ve durum yoğunluğu analizi ile daha detaylı olarak incelenmiştir. Çalışmanın son aşamasında ise ele alınan moleküler sistemlerin doğrusal olmayan optik özellikleri de hesaplanmıştır. Katkı atomlarının incelenen özellikler üzerindeki etkileri tartışılmıştır.
Elde edilen sonuçlara göre katkı atomları, C20 fullereninin yapısal kararlılığının yanı sıra elektronik, doğrusal olmayan optik ve spektroskopik özelliklerini de etkilemektedir. İncelenen katkılı nanosistemlere bakıldığında silisyum (Si) katkısının; molekülün yapısal kararlılığının yanı sıra elektronik, optik ve spektroskopik özelliklerini de iyileştirdiği görülmüştür. Oldukça kararlı yapıya sahip Si-katkılı nano yapıların, yüksek kimyasal reaktivitelerinden dolayı hidrojen depolamaya elverişli oldukları ortaya konulmuştur.

Abstract:
Within the framework of this study, firstly, the structural and electronic properties of M5C15 (M = Si, Ge, Al, Ga) heterofullerenes were investigated by density functional theory (DFT) together with C20 fullerene. Later, the study was extended by adding a hydrogen molecule endohedral to these nano structures. Among the M5C15@H2 (M = Si, Ge, Al, Ga) nanostructures investigated, the one with the best structural stability and chemical reactivity was determined. In addition, the molecular structures and electronic properties of these systems were investigated in more detail by nuclear magnetic resonance spectroscopy and density of states analysis, respectively. In the last stage of the study, the non-linear optical properties of all the systems under consideration were examined. The effects of dopant atoms on the investigated properties have been discussed.
According to the results obtained, dopant atoms affect the structural stability of the C20 fullerene, as well as its electronic, non-linear optical, and spectroscopic properties. Considering the investigated doped nano-systems, silicon (Si) doping; besides the structural stability of the molecule, it has been observed that it improves its electronic, optical, and spectroscopic properties. It has been revealed that Si-doped nano structures with highly stable structures are quite suitable for hydrogen storage due to their high chemical reactivity.