İki boyutlu bizmut içeren ilingesel yalıtkanların kuramsal olarak incelenmesi
Theoretical investigation of Bi-containing two dimensional topological insulators
Yazar: BAHADIR SALMANKURT
Danışman: PROF. DR. YUSUF ATALAY ; DOÇ. DR. HİKMET HAKAN GÜREL
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Biyosensörler = Biosensors ; Elektronik band yapısı = Electronic band structure ; Gaz depolama = Gas storage ; Gaz sensörü = Gas sersor ; Mekanik titreşim = Mechanical vibration

Özet:
Bu çalışmada, nanoteknolojik malzemeler olarak bilinen ve bizmut içeren iki boyutlu ilingesel yalıtkanların özellikleri ve molekülerle etkileşimi yoğunluk fonksiyonel kuramına dayalı modelleme ve simülasyon programları ile incelenmiştir. Elde ettiğimiz örgü parametreleri ve band aralıkları literatürdeki sonuçlarla uyum içindedir. Fonon dağınım grafiğinde InBi ve GaBi kararlı gözükmektedir. Kusursuz durumlar için yapılan moleküler dinamik hesaplarında tüm yapıların kararlı olduğu bulunmuştur. Moleküler dinamik sonuçlarına göre boşluk kusurlu durumlarda ise sadece InBi3 için yapı bozulmaya uğramaktadır.  Band yapıları incelendiğinde tüm boşluk kusurlu durumlarda ilingesel yalıtkan özelliklerinin ortadan kalktığı görülmektedir. Benzer şekilde, boşluk kusurlu durumları iyileştirmek için dışarıdan gönderilen atomlar InBi3 ve InBi hariç genel olarak başarılı olmuşlardır. Yüzeye dik olarak elektrik alan uygulandığında GaBi ve InBi için band aralıkları artmakta, GaBi3 ve InBi3 için azalmaktadır. Elektrik alan uygulanması aynı zamanda örgü sabitinin artmasına neden olmaktadır. Yüzeyler belli atomlarla işlevselleştirildiğinde 1,60 – 6,50 eV arasında bağlanma enerjileri elde edilmiştir. Periyodik tabloda soldan sağa doğru gidildikçe genel olarak atomların bağlanma enerjisinin arttığı gözlemlenmektedir.  C atomu ile işlevselleştirilen tüm malzemeler kararlıdır ve ilingesel yalıtkan özellik göstermeye devam etmişlerdir. Ayrıca bu kararlılık ve ilingesel özellik GaBi ve InBi'nin O atomu ile yaptığı etkileşimde de geçerlidir. Küçük moleküllerin saf yapılarla etkileşim enerjileri genel olarak zayıftır. Fakat saf GaBi3 ve InBi3'ün su ile yaptığı etkileşimde güçlü bir etkileşim enerjisi elde edilmiştir. Büyük moleküllerle etkileşim ise büyük enerjiye sahip olduğu görülmüştür.  Son olarak sistemin yükünü değiştirmenin etkileşim enerjilerini pek etkilemediği saptanmıştır.

Abstract:
In this study, the properties and interactions of Bi-containing two-dimensional topological insulators, known as nanotechnological materials, and their interaction with the molecules were investigated by modeling and simulation programs based on Density Functional Theory. The structural parameters and band gap values we have obtained are in accordance with the results in the literature. The phonon band structure results indicate that InBi and GaBi are stable in the groud state. According to the molecules dynamic results, the pristine structures are found to be stable. However, the results vacancy defect of molecular dynamics shows that only for InBi3 the structure is disrupted. When the band structures are examined, it is seen that in all vacancy defect cases, the topological insulator properties were disappear. Likewise, the atoms sent from outside to heal the vacancy-defect conditions have generally been successful, except for InBi3 and InBi. When the electric field is applied perpendicular to the surface, the band gaps increase for GaBi and InBi and decreases for GaBi3 and InBi3. The application of electric field also causes an increase in the lattice constant. When the surfaces are functionalized with certain atoms, binding energies between 1,60 – 6,50 eV have been obtained. In general, the binding energy of the atom increases from left to right in the periodic table. All materials functionalized with C atom are stable and continued to exhibit a topological insulator property. In addition, this stability and topological property are also avaible in the interaction of GaBi and InBi with O atom. Generally, small molecules have weak energy with pristine structures. However, a strong interaction energy was obtained for pristine GaBi3 and InBi3 with water. The interaction energy of the big molecules with the monolayers has bigger energies compared to others. Lastly, it has been determined that changing the total charge of the system does not affect the interaction energies so much.