Metal kalkojenlerin kızılötesi dedektörlerde ve lityum-iyon bataryalarında kullanılabilirliğinin araştırılması
Investigation of availability of metal chalcogenides in infrared detectors and lithium-ion batteries
Yazar: FATİH ERSAN
Danışman: DOÇ. DR. ETHEM AKTÜRK
Adnan Menderes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Son yıllarda görünür bölgede sahip oldukları yasak enerji bant aralıkları sebebiyle metal kalkojen (MX; M=Metal ve X=Kalkojen atomu) bilesenleri teknolojide kendine saglam bir yer edinmistir. Özellikle çogu MX bileseni üç boyutlu haldeyken dogrudan olmayan bant aralıgına sahip iken bu malzemelerin düsük boyutlu durumları dogrudan bant aralıgına sahip yarıiletkenlere dönüsmektedir. Bu özellik onları optik veya elektronik aygıt yapımında bir adım öne çıkarmaktadır. Iki boyutlu MoS2'nin yüksek lityum depolama özelliginin deneysel olarak kanıtlanması ve yine MoS2 nanoparçacıklarının teorik ve deneysel olarak elde
edilmesi bu tez konusunun motivasyon kaynagını olusturmustur. Bu nedenle tez çalısmasında metal di- ve tri-kalkojenlerin elektronik ve optik özellikleri temel ilkeler hesaplamalarına dayalı yogunluk fonksiyoneli teorisi (YFT) yardımı ile incelenmistir. Bu yapılara ek olarak, iki boyutlu BN, AlN, BSb, silisen, arsenen gibi yapıların fiziksel ve kimyasal özellikleri ele alınmıstır. Lityum
atomunun tek tabaka MX2 (M=Mo, W ; X=O, S, Se, Te) bilesenleri üzerine tutunma enerjileri hesaplanmıs ve 1.42 eV ile 3.10 eV arasında degisen yüksek tutunma enerjileri elde edilmi ̧stir. Tabaka üzerinde difüz edebilmesi için gerekli olan minimum enerji degerleri 0.158 eV ile 0.282 eV arasında ve atomların
hareketliliginin belirteci olan difüzyon katsayısı degerleri de pek çok karbon içeren materyalden veya 2H-MoSe2'den 102 ile 105 mertebesinde daha büyük olarak hesaplanmıstır. Lityum atom sayısı yapılar üzerinde kademeli olarak artırılarak atom basına tutunma enerjisi egrileri elde edildi. Ayrıca MoS2(x−1)Se2x (x=0.33, 0.67, 0.83) metal kalkojen alasımlarının lityum-iyon bataryalarında
kullanılabilirligi arastırıldı. Lityum atomu MoS2 ve MoSe2'ye molibden atomu üzerinden tutunurken, MoS2(x−1) Se2x alasımlarında lityum atomu yapıya Mo-S
bagı üzerinden baglanmaktadır. NEB hesaplamaları ile elde edilen, lityum atomunun yapı üzerinde difüz etmesi için gerekli olan enerji bariyeri degerleri
yapıların lityum iyon bataryalarında kullanılabilecegini göstermistir.
Bu tez çalısmasında aynı zamanda literatürde bilinen hegzagonal veya tetragonal
metal dikalkojenler yapısında kararlı olmayan, Peierls distorsiyonu ile kararlı hale gelen yeni RuS2 ve RuSe2 metal dikalkojenlerinin varlıgı teorik olarak ortaya konuldu. Elde edilen yeni yapıların mekanik, dinamik ve termal kararlılık testleri
yapıldı ve yapıların oda sıcaklıgı ve üzerinde var olabilecegi gösterildi. Tek tabaka
RuS2 ve RuSe2 'nin HSE06 hesaplamaları ile görünür bölgede bant aralıgına sahip
yarıiletken malzemeler oldugu fakat iki ve üç tabakalı yapıların bant aralıklarının
kızılötesi bölgeye düstügü bulundu. TiX3 (X=S, Se, Te) metal tri-kalkojenlerinin ve
bunların alasımlarının elektronik ve optik özellikleri incelendi. Sülfür ve selenyum
atomlarının karısımı ile olusturulan alasımlar yakın kızılötesi bölgede yer alan bant
aralıklarına sahip iken TiS3 veya TiSe3 içine tellür atomu katıldıgı zaman tüm
yapıların metal ya da yarı metal özellik gösterdigi bulunmustur.
Elde edilen sonuçlar atomik boyutlarda lityumun metal dikalkojenlere ve
alasımlarına nasıl baglandıgı hakkında önemli bilgiler vermistir, bu sonuçlar
lityum-iyon bataryalarının gelistirilmesine ve lityum pillerinin verimliliginin
artırılmasına teorik olarak katkı saglayacak niteliktedir. Ayrıca teorik olarak
önerilen yeni metal kalkojenlerin sahip oldukları bant aralıkları nedeniyle
opto-elektronik malzemelerde ve kızılötesi dedektörlerde kullanılabilirligi gösterilmistir.

Abstract:
In recent years, metal chalcogenides (MX; M=Metal and X=Chalcogens) have
taken a solid place in the technology due to their band gaps in the visible
region. In particular, while many MX composites have indirect band gap in their
three dimension forms, it can turn to direct band gap for their low dimensional
forms. This feature takes them one step forward in making optical or electronic
devices. Experimental demonstration of the high lithium storage capacity of
two-dimensional MoS2 and the theoretical and experimental acquisition of MoS2
nanoparticles have generated the motivation for this thesis topic. Therefore, in
this thesis, the electronic and optical properties of metal di- and tri-chalcogenides
have been investigated with the help of density function theory (DFT) based on
first-principles calculations. In addition to these structures, physical and chemical
properties of two dimensional structures such as BN, AlN, silicene, arsenene are
discussed. Adsorption energies of lithium atom on the MX2 (M=Mo, W ; X=O, S,
Se, Te) monolayer were calculated and high adsorption energies ranging from 1.42
eV to 3.10 eV were obtained. The minimum energy values required for diffusing on
the layer are in the range of 0.158 eV to 0.282 eV and diffusion coefficient values
are higher than nanocrystalline 2H-MoSe2 or in different carboneous materials on
the order of 102-105. The number of lithium atoms was gradually increased over the
structures to obtain the adsorption energy curves for per atom. We also investigated
the availability of MoS2(x−1) Se2x (x=0.33, 0.67, 0.83) metal chalcogen alloys in
lithium-ion batteries. We find that the Li adatom is attached to MoS2 and MoSe2
monolayers via a molybdenum atom, while Li moves through the Mo-S bond for
MoS2(x−1) Se2x alloys. NEB calculation results show that their energy barriers make
them suitable for using in lithium-ion batteries.
In this thesis, the existence of new RuS2 and RuSe2 metal dichalcogenides
stabilized by Peierls distortion, which is not stable in the structure of hexagonal
or tetragonal metal di-chalcogenides known in the literature, is theoretically
presented. The mechanical, dynamical and thermal stability tests of the new
structures were performed and it was shown that the structures could be at room
temperature and above. The single layer RuS2 and RuSe2 were found to be 
semiconducting materials with a band gap in the visible region with HSE06
calculations, but the band gaps of the two- and three-layer structures decrease to
the infrared region. The electronic and optical properties of TiX3 (X=S, Se, Te)
metal tri-chalcogenides and their alloys have been investigated. Alloys formed by
a mixture of sulfur and selenium atoms have band gaps in the near infrared region,
whereas when incorporated into TiS3 or TiSe3 tellurium atoms are found to have
all metal or semi-metal properties.
The results have provided important information on how lithium is bound to
metal dichalcogenides and their alloys in atomic dimensions, and these results
will contribute theoretically to the development of lithium-ion batteries and
to the efficiency of lithium batteries. In addition, it has been demonstrated
that the theoretically recommended new metal dichalcogenides can be used in
optoelectronic materials and infrared detectors due to their band gaps.