Bazı alkali metal katkılı bor-karbon bileşiklerinin yapısal ve elektronik özellikleri
The structural and electronic properties of some alkaline metal intercalated boron-carbon compounds
Yazar: EBRU GÜNGÖR ALTINTAŞ
Danışman: DOÇ.DR. ENGİN ÖZDAŞ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2005
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
BAZI ALKALİ METAL KATKILI BOR-KARBON BİLEŞİKLERİNİN YAPISAL VEELEKTRONİK ÖZELLİKLERİEbru GÜNGÖR (ALTINTAŞ)ÖZYapılan band yapısı hesaplamaları sonucunda, örgü üzerine uygulanan yüksekbasınç etkisiyle hacmi a- ve c-eksenlerinde farklı oranlarda küçülen MgB2sisteminin, Fermi düzeyindeki toplam durum yoğunluğunun azaldığı gözlenmiştir.Örgü hacminin bu sistemin elektronik özellikleri üzerindeki etkisinin anlaşılması,belirli ve kritik koşullar altında genişletilen örgü hacmi ile daha yükseküstüniletkenlik geçiş sıcaklığını elde etmenin mümkün olabileceğinidüşündürmüştür. Bu nedenle, basınç altında ve örgü genişlemesi etkisindeki MgB2sisteminin yapısal ve elektronik özelliklerinin değişiminin anlaşılması amaçlanmışve birim hücre hacmi genişleyen MgB2'ın durum yoğunluğundaki değişimlerincelenmiş ve değerlendirilmiştir. MgB2'da toplam durum yoğunluğunun, %3'lük birörgü genişlemesi sağlayabilecek 3.645Ã'luk c-parametresi değerinde maximumdeğerine ulaştığı gözlenmiştir.Alkali metal katkılı bor-karbon fazlarından olan LiBC ile ilgili çalışmalarda kristalyapı hakkında belirsizlikler bulunması, LiBC fazının eldesinde ve yapısalkarakterizasyonunda hala yanıtlanması gereken sorular olduğunu göstermiştir.Kararlı tek faz eldesinde başlangıç malzemelerinin saflığı ve reaksiyon verimi için1 ppm'in altında oksijen ve nem oranına sahip olan, inert Ar-gazı ortamı altındakontrol edilebilen kapalı çalışma ortamları kullanılmıştır. Daha önce yapılançalışmalarda kullanılan malzeme hazırlama koşullarından farklı sentez koşullarınınuygulandığı bu çalışmada, klasik seramik hazırlama yöntemiyle farklı Li-stokiyometrilerindeki LixBC örneklerin; özel tasarlanan Ta-hücrelerde, daha düşüksıcaklıkta uzun süre sinterlenmesinin ve Li-miktarının LiBC fazının oluşumuna,kararlılığına ve yapısal simetrisinin değişimine olan etkileri incelenmiştir.Bu çalışma kapsamında sentezlenen LiBC bileşiği, diğer araştırma gruplarıtarafından önerilen P63/mmc simetri grubu için yasaklı olan x-ışını toz kırınımı(XIK) yansımaları içermektedir. Bu önemli bulgu neticesinde LiBC bileşiğininyapısal özelliklerinin, alt simetri gruplarından biri ile Li-metali yönünden oluşanboşluk-düzenlenimleri tarafından kontrol edildiği ve/veya BC-tabakalarındaoluşabilecek yeni bir kimyasal düzenlenme olasılığı düşünülmüş ve araştırılmıştır.XIK desenlerinin arıtımı ile elde edilen sonuçlar, birim hücrenin c-eksenidoğrultusunun ortasında yer alan Li-tabakasındaki doluluk oranının %50 civarındaolduğunu göstermiştir. Sistem içinde Li nedeniyle oluşan boşluklara bağlı olarakortaya çıkan yük dengesizliği, ancak birim hücrenin, önerilecek bir süperyapıdakendisini nötralize etmesi ile sağlanabilir. LiBC yapıdaki boşluk-düzenlenimi tayiniile ilgili çalışmalarda önerilen LixB8C8 süperyapısı için elde edilen XIK desenindegözlenen (001) yansıma şiddetinin, (0,0,1/2) konumundaki Li-boşluğu ile kontroledildiği gözlenmiş ve Li5B8C8 süperyapısının sentezlenen örneklerden birisine aitolan XIK deseni ile uyumu gösterilmiştir.LiBC bileşiğinin yapısal özelliklerinin, bazı simetri grupları ve Li-boşlukdüzenlenimleriyle ilgisini veren araştırmalarda elektronik band yapıları daincelenmiştir. BC-tabakalarındaki farklı düzenlenmeleri olası kılan alt simetrigruplarında yeni model yapılar önerilerek -BCLiBCLiBCLiBC- ve-BBLiCCLiBBLiCC- istiflenmesinin band yapısı üzerine olan etkisi incelenmiştir.Daha sonra olası Li-boşluk düzenlenimlerinin etkisine örnek teşkil edecek biçimdeLi1B8C8 ve Li5B8C8 süperyapıları için durum yoğunluğu hesaplamalarıdeğerlendirilmiştir. BC-BC düzenlenimin görüldüğü P63/mmc'nin alt simetrigrubundaki LiBC yapıda, kararlı Li-boşlukları ile değerlik bandının Fermi düzeyininüzerine çıkmasının mümkün olabileceği, Li-boşlukları ile durum yoğunluğununbirbiriyle olan ilişkisi görülerek incelenmiştir. Elektronik band yapısı hesaplamaları,BC-istiflenme türünün ve Li-boşluklarının, iletkenlik ve değerlik bandı arasındakienerji aralığını kontrol edebileceğini göstermektedir. Üstüniletkenlik geçişsıcaklığının Li-boşluklarına bağlı değişiminin anlaşılması için, NT,EF(x) değişimi ileilgili hesaplamaların farklı Li-konsantrasyonları için genişletilmesi önerilmektedir.Anahtar Kelimeler: Tabakalı yapı, metal katkılı ikili bor fazları, MgB2, katkılama,basınç etkisi, örgü genişlemesi etkisi, metal katkılı bor-karbon fazları, LiBC,istiflenme, üstüniletkenlik, band yapısı, durum yoğunluğu.Danışman: Doç. Dr. Engin ÖZDAŞ, Hacettepe Üniversitesi, Fizik MühendisliğiBölümü, Katıhal Fiziği Anabilim Dalı.

Abstract:
THE STRUCTURAL AND ELECTRONIC PROPERTIES OF SOME ALKALINEMETAL INTERCALATED BORON-CARBON COMPOUNDSEbru GÜNGÖR (ALTINTAŞ)ABSTRACTAs a result of the band structure calculations, it was observed that the total densityof states near the Fermi level of MgB2 decreased when the unit cell volume ofMgB2 system shrinks along a- and c-axis in a different ratio due to the highpressure effect. The higher superconducting transition temperature could bepossible when the effects of unit cell volume on the electronic properties of thissystem are clarifed and the lattice is expanded under the specific and criticalconditions. The variation of the structural and electronic properties of MgB2 systemwhich is under the pressure and the lattice expansion effects were aimed to clarifyand the change in the density of states of MgB2 system was examined andevaluated. It is observed that the total density of states of MgB2 is the maximumvalue to provide the lattice expansion about 3% for c-parameter of 3.645Ã.The uncertainty in the literature for the structural properties for the LiBC one of thealkaline metal intercalated boron-carbon phases showed that there can be somedifficulties for to preparation of LiBC phase. The starting materials with high purityand glove-box which can be obtain oxygen and humidity less than 1 ppm are usedfor stable and single phase of sample. In this study where the synthesis conditionsdiffer from the literature, the effects of sintering for LixBC samples with the differentLi-stoichiometries by the classical ceramic preparation method in specialydesigned Ta-sample cell at the lower temperature for a longer time on LiBC phase,the stability and the change in the structural symmetry were investigated.LiBC compound which is syntesized in this study covers forbidden XRD reflectionsfor the P63/mmc symmetry group suggested by the other research groups. In thelight of this important indication, the structural properties of LiBC compound iscontrolled by one of the subsymmetry group of P63/mmc and Li-vacancy orderingand/or the possibility of a new chemical ordering in the BC layer suggested andinvestigated.The results were obtained by the XRD refinement showed that the occupancy ofthe Li-layer which is at the mid point along the c-axis is 50%. The chargeimbalance due to the Li-vacancy can be neutralized with a formation of a new unitcell, like a superstructure. At the related studies with the determination of thevacancy ordering in the LiBC structure, (001) peak in the XRD pattern ofsuggested LixB8C8 superstructure can be controlled by Li-vacancy at (0,0,1/2) wasobserved and the accordance of the XRD pattern of one of the syntesized sampleswith Li5B8C8 superstructure was shown.The electronic band structure of samples are also investigated in this study. Thenew model structures such as -BCLiBCLiBCLiBC- and -BBLiCCLiBBLiCC- aresuggested in the subsymmetry groups in which there may be different stacking inthe BC-layers to investigate the effects of stacking on the band structure. Then,the density of states for Li1B8C8 and Li5B8C8 superstructures were calculated andevaluated to show the Li-vacancy ordering effect. For a LiBC structure having asubsymmetry group of P63/mmc in which there is a BC-BC type ordering, thevalance band can be shifted over Fermi level by the stable Li-vacancies with therelation between the density of states and Li-vacancy were investigated. Theelectronic band structure calcuations showed that the energy gap between theconduction and valance band can be controlled by the BC-stacking and Li-vacancy. In order to clarify the variation of superconducting transition temperaturedepending on the Li-vacancy, NT,EF(x) calculations should be also done for thesamples having different Li-concentrations.Keywords: Layered structure, metal intercalated binary boron phases, MgB2,intercalation, pressure effect, lattice expansion effect, metal intercalatedborocarbides, LiBC, stacking, superconductivity, band structure, density of states.Advisor: Doç. Dr. Engin ÖZDAŞ, Hacettepe University, Department of PhysicsEngineering, Solid State Physics Section.