Kusurlu ve katkılı KTaO3 bileşiklerinin yapısal, elektronik ve optik özelliklerinin yoğunluk fonksiyonel teorisi ile incelenmesi
Investigation of structural, electronic and optic properties of defective and doped KTaO3 compounds with density functional theory
Yazar: İSMAİL YÜCEL
Danışman: PROF. DR. SEYFETTİN ÇAKMAK
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Ab initio = Ab initio ; Fizik = Physics ; Katıhal fiziği = Solid state physics ; Yoğun madde fiziği = Condensed matter physics

Özet:
Bu tez çalışmasında Sb, Nb, V katkılı ve kusurlu KTaO3 bileşiklerinin yapısal, elektronik ve optik özellikleri yoğunluk fonksiyonel teorisine dayalı WIEN2k simülasyon programı kullanılarak incelendi. Yapısal özelliklerin incelenmesinde LDA ve GGA yaklaşımları kullanıldı. Elektronik ve optik özelliklerinin incelenmesinde ise gradyent-düzeltmeli Becke-Johnson potansiyeli kullanıldı.
Sb+5 katkılı KTaO3 bileşiklerinin, Sb+5 konsantrasyonuna bağlı olarak bulk modüllerinin azaldığı ve taban durum enerjilerinin arttığı tespit edildi. KTa0.750Sb0.250O3, KTa0.625Sb0.375O3, KTa0.500Sb0.500O3 ve KTa0.375Sb0.625O3 bileşiklerinin yasak band enerjisi ise sırasıyla 2,77 eV, 2,48 eV, 1,66 eV ve 1,77 eV olarak hesaplandı. Sb+5 konsantrasyonu arttıkça dielektrik sabitinin azaldığı tespit edildi. Sb+5 katkısı ile optik geçiş enerjilerinin azaldığı gözlendi.
Nb+5 katkılı KTaO3 bileşikleri için yapılan hesaplamalarda, Nb+5 katkısı arttıkça taban durum enerjileri, bulk modülünün basınca göre türevi ve dielektrik sabitleri artmıştır. Nb+5 katkısı ile optik geçiş enerjilerinin azaldığı gözlendi. TSS enerjileri elektronların - geçişlerine karşılık geldiği tespit edildi. Nb+5 katkılı bileşikler için soğurma başlangıç sınırı ise elektromanyetik spektrumda görünür bölgeye karşılık gelmektedir. Nb+5 katkısı arttıkça kırılma indislerinin arttığı tespit edildi. Nb+5 katkılı bileşikler için kızıl altı bölgede yansıma değerleri hemen hemen sabit kalmaktadır. Görünür bölgede ise Nb+5 katkılı bileşiklerin yansıma oranında artış görülmektedir. 

V+5 katkılı KTaO3 bileşiği için yapılan yapısal hesaplamalarda, V+5 katkısı arttıkça taban durum enerjilerinin arttığı tespit edilmiştir. GGA method için bulk modülü ve örgü sabiti V+5 katkısı ile azalmıştır. KTa0.875V0.125O3 bileşiğinin yasak band aralığı içerisinde 1,41 eV ile 1,68 ev aralığında tuzak bandının oluştuğu görüldü. KTa0.750V0.250O3, KTa0.625V0.375O3, KTa0.500V0.500O3, KTa0.375V0.625O3 ve KTa0.250V0.750O3 bileşiklerinin yasak band enerjisi ise sırasıyla 1,01 eV, 0,74 eV, 0,51 eV, 0,53 eV ve 0,56 olarak hesaplandı. V+5 katkısı arttıkça dielektrik sabitlerinin arttığı tespit edildi. KTa0.875V0.125O3, KTa0.750V0.250O3 ve KTa0.625V0.375O3 bileşikleri mor ötesi bölgede metalik davranış sergilemektedir. KTa0.500V0.500O3, KTa0.375V0.625O3 ve KTa0.250V0.750O3 bileşikleri ise hem görünür bölge hem de mor ötesi bölgede metalik davranış sergilemektedir. V+5 katkısı ile optik geçiş enerjilerinin azaldığı gözlendi. 

Sb+3, Nb+3 ve V+3 katkılı ve O-2 boşluklu (kusurlu yapı) KTaO3 bileşiği için yapılan hesaplamalarda LDA ve GGA değiş-tokuş korelasyon enerjisi kullanıldı. İlk boşluk katkı atomu ile Ta atomu arasında yer alan O-2 atomu çıkartılarak oluşturuldu (Kusur-1). İkinci yapıda ise O-2 boşluğu Ta-Ta arasında bulunan O-2 atomu çıkartılarak oluşturuldu (Kusur-2).  O-2 boşluklarının farklı noktalarda olması yapısal özelliklerde hemen hemen bir değişikliğe neden olmamıştır. Katkı atomu ile Ta atomu arasında yer alan O-2 atomu çıkartılarak oluşturulan kusurlu yapılar (kusur-1) için elde edilen band yapılarından Nb+3 katkılı bileşik metalik karakter sergilediği bulunurken Sb+3 ve V+3 katkılı bileşikler yarıiletken karakter sergilemektedir. Ta-Ta arasında bulunan O-2 atomu çıkartılarak oluşturulan kusurlu yapıların (kusur-2) için elde edilen band yapılarından tamamı metalik karakter sergilemektedir. Nb+3 katkılı yapılarda O-2 boşluğunun yerinin değişmesi bileşiğinin karakteristik yapısını değiştirmemiştir.  Sb+3 ve V+3 katkılı bileşiklerde O-2 boşluğunun yerinin değişmesi ile bileşiğin karakteristik yapısını değiştirmektedir

Abstract:
In this thesis, structural, electronic and optical properties of Sb, Nb, V doped and defective KTaO3 compounds have been investigated by using WIEN2k simulation program based on density functional theory. The structural properties have been examined using LDA and GGA method. In order to improve band gap and electronic structure calculations, Tran-Blaha modification of the Beckee-Johnson potential has been used.

It is detected that, the bulk modules and ground state energies increases depending on Sb+5 concentration for Sb+5 doped KTaO3 compounds. The calculated band gap energies of KTa0.750Sb0.250O3, KTa0.625Sb0.375O3, KTa0.500Sb0.500O3 and KTa0.375Sb0.625O3 compounds are 2, 77 eV, 2,48 eV, 1,66 eV ve 1,77 eV, respectively. As the Sb+5 concentration increases, the static dielectric constant decreases. It is observed that, the optical transition energies decrease with the increasing Sb+5 concentration.

In the calculation for Nb+5 doped KTaO3 compounds, it is found that, the ground state energies, pressure derivatives of the bulk modulus and dielectric constants increase with increasing Nb+5 concentration. It is observed that, the optical transition energies decrease with Nb+5 doping. It is found that, the initial limit of absorption energies correspond to the transitions of -. In addition, the initial limit of absorption energies correspond to the visible region in the electromagnetic spectrum for Nb+5 compounds. The refractive indices increse with increasing Nb+5 concentration. The reflection values for Nb+5 doped compounds are almost constant in the infrared region. On the other hand, in the visible region, reflection values increase with the effect of Nb+5.

In the calculation for V+5 doped KTaO3 compounds, the ground state energies increase with increasing V+5 concentration. On the other hand, the bulk modulus and lattice constants decrease with increasing V+5 concentration. The trapping band formation is observed between 1.41 eV and 1.68 eV for KTa0.875V0.125O3 compound.   The calculated band gap energies of KTa0.750V0.250O3, KTa0.625V0.375O3, KTa0.500V0.500O3, KTa0.375V0.625O3 ve KTa0.250V0.750O3 are 1,01 eV, 0,74 eV, 0,51 eV, 0,53 eV and 0,56 eV, respectively.When the band gap are examined, the band energies for x = 0,500, 0,625 and 0,750 are almost unchanged. As the V+5 doping increases, the static dielectric constant values increase. KTa0.875V0.125O3, KTa0.750V0.250O3 and KTa0.625V0.375O3 compounds exhibit metallic behavior only in the ultraviolet region. Besides, KTa0.500V0.500O3, KTa0.375V0.625O3 and KTa0.250V0.750O3 compounds exhibit metallic behavior in both the visible region and the ultraviolet region. It is observed that, the optical transition energies decreased with increasing of V+5 concentration. While the KTa0.875V0.125O3 compound reaches the highest reflection value in the ultraviolet region, all other V-doped compounds reach the highest value in the visible region.

The structural properties of Sb3+, Nb3+ and V3+ doped and including O2- vacancy KTaO3 compounds (defective structures) are examined LDA and GGA methods. Firstly, the one oxygen atom has been removed between doping atom and Ta atom (defect-1). Secondly, the one oxygen atom has been removed between Ta and Ta atom (defect-2). It is found that, the oxygen vacancies at different points do not cause a huge change on structural properties. For the defect-1, Nb3+ doped and defective structure exhibits metallic character, whereas Sb3+, V3+ doped and defective structures exhibit semiconductor character. For the defect-1, all compounds exhibit metallic character. These results show that, the location of the oxygen vacancy does not affect the characteristic features of the Nb3+-doped compound. On the other hand, the location of oxygen vacancy have changed characteristic features of the Sb3+ and V3+ doped KTaO3 compounds.