Kusurlu karbon nanotüplerin fiziksel özelliklerinin yüzey kimyasıyla kontrol edilmesi
Modification of the physical propeties of carbon nanotubes through surface chemistry
Yazar: TUBA COŞKUN
Danışman: DOÇ. DR. SAVAŞ BERBER
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Karbon temelli materyaller = Carbon based materials ; Nano yapı = Nano structure ; Nanotüp = Nanotube

Özet:
Karbon nanotüplerin üstün fiziksel özellikleri nedeni ile nano-teknolojinin çeşitli alanlarında uygulamaları bulunmaktadır. Karbon nanotüplerin teknolojideki uygulama alanlarında yüksek saflığa sahip olmaları gerekmektedir. Bu tezde saflaştırma aşamasında daha az zarar vereceği umut edilen F2 molekülü tarafından temizleme işlemine tabi tutulan nanotüplerin elektronik ve atomik yapısında oluşabilecek değişimleri incelemekteyim.Birinci bölümde karbon nanotüplerin tarihçesinden ve kullanım alanlarından kısaca bahsedilmektedir. İkinci bölümde karbon nanotüplerin atomik ve elektronik yapısı hakkında kısaca bilgi verildikten sonra, kiral indeksi (n,m) tarafından karakterize edilen karbon nanotüplerin fiziksel özelliklerinden ve deneysel olarak nasıl sentezlendiklerinden bahsedilmiştir. Üçüncü bölümde karbon nanotüplerde meydana gelebilecek kusurlardan ve kusur oluşumu sonrasında atomik ve elektronik yapının nasıl etkilendiğinden bahsedilmiştir. Dördüncü bölümde çalışmalarımda kullandığım ab initio toplam enerji hesaplama tekniğinden kısaca bahsedilmiştir. Son olarak mükemmel ve kusurlu karbon nanotüpler üzerine soğrulan F atomları ile ilgili elde ettiğim sonuçlar verilmiştir.Beşinci bölümde kusursuz nanotüpler üzerine soğrulan F atomunun meydana getirdiği atomik ve elektronik yapı değişimlerini inceledim. Soğrulan F atomlarının büyük ölçüde yapısal değişimlere ve Fermi seviyesi yakınlarında düz bir bandın oluşumu nedeniyle elektronik yapıda kritik değişimlere sebep olduğunu buldum. Hesaplamalarımın ikinci kısmında, kusurlu nanotüp üzerindeki F_2 molekülünün ayrışarak soğrulma enerjileri ve temizleme sürecinden dolayı meydana gelebilecek yapısal değişiklikler incelenmiştir. Nanotüp yüzeyine soğrulan F atomları F çizgisi oluşturmayı tercih etmektedir. Kusurlu nanotüplerde soğrulmanın kusur bölgesinden başladığını ve kusurdan başlayarak flor zinciri oluşturmaya eğilimli olduğunu buldum. Böylece mükemmel nanotüplerde F zinciri rastgele başlarken, kusurlu nanaotüplerde kusur bölgesinin F zincirinin yerini tayin ettiğini buldum. Tek-boşluklu soğrulma durumunda sp2 ve sp3 her ikisinde de soğrulma tarafından mümkün kılınan doymamış bağla sonlanırken ikili-boşluk kusurunda sp3 - sp2 geçişi oluşur. Kusurlu nanotüplerin elektronik yapısında Fermi seviyesi yakınlarında kusur durumları oluşur. Flor atomlarının soğrulmasıyla bu kusur durumları ortadan kalkar. Fakat ardışık F soğrulması devam ettikçe Fermi seviyesi civarında düşük dispersiyonlu yeni kusur durumları oluşur. Flor soğrulmuş kusurlu ve mükemmel nanotüplerin elektronik yapısının bu özgün özelliği grafitik yüzeylerin alt-örgülerinin dengesinin bozulumu ve soğrulan flordan nanotube olan yük transferi ile anlaşılabilir.

Abstract:
The carbon nanotubes find applications in various fields of nanotechnology because of their superior physical properties. In technological applications, high purity carbon nanotubes are required. In this thesis, I have investigated the modifications in the electronic and atomic structures of nanotubes that are cleansed by F2 molecules, which are expected to result in less damage during the purification.First, the history and uses of carbon nanotubes are mentioned briefly. Second, after some information about atomic and electronic structure of carbon nanotubes are given, the physical properties and experimental synthesis of carbon nanotubes, which are characterized by the chiral index (n,m), are discussed. Third, the defects that may occur in carbon nanotubes and how the atomic and electronic structure is affected by the formation of defects are discussed. Fourth, a brief summary of ab initio total energy calculation technique used in my work is given. Last, my results for the adsorption of F atoms on perfect and defective nanotubes and my conclusions are presented.I have investigated the F atoms adsorbed on perfect nanotubes and the changes in the atomic and electronic structure that are caused by the adsorbate. I found that the F adsorption may induce large scale structural transformations and crucial changes in the electronic structure because of the occurrence of flat bands near the Fermi level. In the second part of our calculations, the dissociative adsorption energies of F2 molecule on carbon nanotube surface and the structural changes were investigated during the cleansing process The F atoms adsorbed on the nanotubes prefer to from F lines. I find that the adsorption starts from the defect site in defective nanotubes, and tend to form F chains originating from the defect. Thus, the defect site determines the location of the F chains in defective nanotubes while it is random in a pure nanotube. In the case of adsorption on a monovacancy, both sp2 and sp3 termination of the dangling bond by the adsorbate are possible while the adsorption on a divacancy induces an sp2 to sp3 transition. The electronic structures of defective nanotubes have defect states near the Fermi level. The adsorption of F atoms eliminates these defect states. However, successive fluorination does induce new defect states with low dispersion near the Fermi level. the peculiar features in the electronic structures of fluorinated perfect and defective nanotubes can be understood with the imbalance between the sub lattices of the graphitic surface and the charge transfer from the nanotube to the F adsorbate.