Basınç altında alumina (Al2O3) ve bor katkılama
Alumina (Al2O3) under pressure and boron doping
Yazar: ALİ HAYDAR ÖZTÜRK
Danışman: PROF. DR. SEZGİN AYDIN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Basınç = Pressure ; Optik = Optic

Özet:
Tek kristal Alumina (Al2O3) sert, yüksek ısıya dayanıklı ve şeffaf bir cam malzemedir. Bu nedenle yaygın kullanım alanına sahip olup özellikle savunma sanayisinde birçok özel amaç için kullanılmaktadır. Literatürde α-Al2O3'ün çeşitli kristal yapıları rapor edilmiş ve faz geçişleri araştırılmıştır. Bu çalışmada yoğunluk fonksiyonel teorisi'ne (YFT) dayanan ilk prensip hesaplamaları ile Corundum, Rh2O3-II, Pbnm (perovskit), Cmcm (post-perovskit) fazları arasındaki olası geçişler, faz geçiş bölgelerinde yapısal, mekanik, elastik ve elektronik özelliklerin basınç altında değişimi (0-220 GPa) detaylı olarak incelendi. Geçiş basınçları için literatür ile uyumlu sonuçlar bulundu. İki farklı bağ sistemine sahip corundum fazının 96 GPa basınçta altı farklı bağ sistemi olan Rh2O3-II fazına geçerek, hekzagonal yapıdan ortorombik yapıya dönüştüğü tespit edildi. Bütün fazlarda üzerlerine uygulanan basıncın etkisiyle sertliklerinde artış gözlendi. Mekanik özellikler; bulk, shear ve Young modüllerinin anizotropileri üç boyutlu görseller yardımıyla tartışıldı. Elektronik bant aralığı basınçla artarak 10 eV seviyesine yükseldi. Yapı içindeki bağlanmanın daha detaylı anlaşılabilmesi için, Mulliken bağ örtüşme popülasyonu, bağ uzunlukları ve bağ sertliklerinin basınçla değişimleri incelendi. Dielektrik sabiti ve kırılma indisi basınçla azalırken faz geçiş basınçlarında artış gösterdi. Yansıma katsayısı ve kayıp fonksiyonlarının pik şiddeti ve pik enerjileri basınca bağlı olarak analiz edildi. Ayrıca, sanal kristal yaklaşımı kapsamında bor katkılama süreçleri incelenerek, yapısal, elektronik ve mekanik özelliklerin bor içeriğine göre değişimleri araştırıldı. Alternatif olarak, süper-hücre yaklaşımı kapsamında bor katkılı yapılar tasarlanarak, sonuçlar sanal kristal yaklaşımı ile kıyaslandı.

Abstract:
Single crystal Alumina (Al2O3) is a hard, high-temperature resistant, and transparent glass material. For this reason, it has a wide range of applications and is used for many particular purposes, especially in the defense industry. Various crystal structures of α-Al2O3 have been reported in the literature, and phase transitions have been investigated. In this study, the possible transitions between the phases of Corundum, Rh2O3-II, Pbnm (perovskite), Cmcm (post-perovskite) and the structural, mechanical, elastic, and electronic properties of Corundum, Rh2O3-II, Pbnm (perovskite) and Cmcm (post-perovskite) were investigated in detail under pressure (0-220 GPa) by first-principles calculations based on density functional theory (DFT). Transition pressures were found to be consistent with the literature. It was found that the corundum phase with two different bonding systems transformed from hexagonal to orthorhombic structure at 96 GPa pressure into Rh2O3-II phase with six different bonding systems. An increase in hardness was observed in all phases due to the effect of the pressure applied to them. Mechanical properties, anisotropies of bulk, shear, and Young's moduli were discussed with the help of three-dimensional visualizations. The electronic band gap was increased with pressure and stabilized at 10 eV. The pressure variations of the Mulliken bond overlap population, bond lengths, and hardnesses were analyzed to present a detailed bonding analysis for the structures. The dielectric constant and refractive index decreased with pressure and increased at phase transition pressures. The reflectivity and loss functions' peak intensities and peak energies were analyzed as a function of pressure. In addition, boron-doping processes were investigated within the scope of the virtual crystal approach, and the changes in structural, electronic, and mechanical properties according to boron content were investigated. Alternatively, boron-doped unit cells were designed within the scope of the supercell approach, and the results were compared with those of the virtual crystal approach.