Düşük boyutlu selenyum, tellür ve ortorombik dibor dinitrür (o-B2N2) malzemelerinin yoğunluk fonksiyonel teorisi ile incelenmesi
Investigation of low dimensional selenium, tellurium and orthorhombic dibor dinitride (o-B2N2) materials by density functional theory
Yazar: SALİH DEMİRCİ
Danışman: PROF. DR. SAFFET NEZİR ; DOÇ. DR. SEYMUR JAHANGIROV
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Termal uyarımlar, basma zorlanması ve pozitif ve negatif polaritenin aşırı yükü, selenyum ve tellür yarı iletkenlerini farklı metalik kristal yapılara dönüştürerek metal-yalıtkan geçişlerine aracılık etmektedir. Yüksek sıcaklığa ısıtıldıklarında veya sıkıştırıldıklarında veya pozitif olarak yüklendiklerinde, elementel kristaller arasında oldukça nadir görülen metalik bantlara sahip basit kübik yapıya dönüşürler. Negatif olarak yüklendiklerinde önce cisim merkezli dörtgen yapıya ve ardından negatif yükün artması ile cisim merkezli ortorombik yapıya dönüşürler. Fazla elektronlarla kararlı hale getirilen bu iki yeni yapı, aynı zamanda üst üste binen metalik bantlara ve daha düşük boyutsallığa sahip sanki iki-boyutlu ve bir-boyutlu alt yapılardan oluşmaktadır. Yük yükleme ile bu elementlerin iki-boyutlu nano tabakaları ve tek tabakalarında da benzer yapısal dönüşümler görülmektedir. Bu faz değişimleri dinamik, tersine çevrilebilir ve ayarlanabilirdir. Sonuç olarak elde edilen metal-yalıtkan geçişleri çok kısa zaman aralığında gerçekleşebilir ve önemli cihaz uygulamaları sunabilir.
Ortorombik bir yapıda bor nitrürün iki-boyutlu tek tabakalı polimorfu(o-B2N2)tahmin edilmiştir. Yapısal optimizasyon, fonon dağılımı ve moleküler dinamik hesaplamalar, o-B2N2'nin termal ve dinamik olarak kararlı olduğunu göstermektedir. o-B2N2, 1.70 eV değerinde direkt bant genişliğine sahip bir yarı iletkendir ve y yönünde görünür aralıkta yüksek optik soğurmaya sahipken x yönünde düşük soğurmaya sahiptir. Bu muhteşem özellikler, o-B2N2'yi yarı iletken ve fotovoltaik uygulamalar için uygun bir malzeme yapmaktadır.
o-B2N2, zorlanma ile görünür aralıkta optimum soğurma oranını korurken 2.92 eV değerine kadar arzu edilen herhangi bir bant genişliğini elde etmek için ideal bir seçenek olabilir. Zorlanma altında, iş fonksiyonu 2.98 eV değerine kadar düşürülebilmektedir. Bu değer o-B2N2'yi elektron yayılımına dayalı olarak çalışan ışık algılama cihazları için uygun bir malzeme yapmaktadır.
Tüm çalışmalar, Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi'ne (YFT) dayanan ilk ilke hesaplamaları kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Thermal excitations, compressive strain, and excess charge of positive and negative polarity mediate metal-insulator transitions by transforming three-dimensional selenium and tellurium semiconductors into different metallic crystal structures.  When heated to high temperature, or compressed, or charged positively, they change into a simple cubic structure with metallic bands, which is very rare among elemental crystals. When charged negatively, they transform first into body-centered tetragonal and subsequently into the body-centered orthorhombic structures with increasing negative charging. These two new structures stabilized by excess electrons also have overlapping metallic bands and quasi two-dimensional and one-dimensional substructures of lower dimensionality. Similar structural transformations have been mediated also in two-dimensional nanosheets and monolayers of these elements by charging. These phase changes are dynamical, reversible, and tunable; the resulting metal–insulator transitions can occur within very short time intervals and may offer important device applications.
Two-dimensional monolayer polymorph of boron nitride in an orthorhombic structure (o-B2N2) have been predicted. Structural optimization, phonon dispersion, and molecular dynamics calculations show that o-B2N2 is thermally and dynamically stable. o-B2N2 is a semiconductor with a direct band gap of 1.70 eV, and has high optical absorption in the visible range in the y direction while low absorption in the x direction. These excellent properties make o-B2N2 a suitable material for semiconducting and photovoltaic applications.
o-B2N2 can be an ideal option to achieve any desired band gap up to 2.92 eV while preserving optimal optical absorption rate in the visible range, through strain. Under strain, work function can be reduced to 2.98 eV, making the structure suitable for the light detecting devices working based on the electron emission.
All studies were performed using first-principles calculations based on Density Functional Theory (DFT).