Bazı B12-tabanlı bileşiklerin elektronik, mekanik, dinamik ve optik özelliklerinin basınç altında incelenmesi: AB initio hesabı
Investigation of electronic, mechanical,  dynamic and optical properties of some B12 -based compounds under pressure: AB initio calculation
Yazar: MERVE ÖZCAN
Danışman: PROF. DR. SÜLEYMAN ÇABUK
Çukurova Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Bor bileşikleri = Boron compounds ; Elastik sabitler = Elastic fixed ; Elektronik yapı = Electronic structure ; Fononlar = Phonons ; Optik sabitler = Optical constants ; Termodinamik özellikler = Thermodynamic properties

Özet:
Bazı B12-tabanlı bor zengini rombohedral yapıdaki katı bileşiklerin (α-B12, B12O2, B12P2, B12As2, B12C3, B13C2 ve B13N2) P= 0-350 GPa basınç altında yapısal, elektronik, Born etkin yük, elastik, termodinamik, titreşim ve optik özellikleri yoğunluk fonksiyonu teorisi kapsamında ab initio yöntemiyle hesaplanmıştır. Tüm bileşiklerin örgü parametreleri artan basınçla azama eğilimi göstermiştir. Bor atomları ve arayer atomları arasında hesaplanan bağ uzunlukları basınç altında azalmıştır. q→0 limitinde dinamik matrise analitik olmayan katkı ile belirlenen Born etkin yük tensörleri ve optik dielektrik sabitleri hesaplanmıştır. Elektronik özellikler GGA-PW91 ve kuazi-parçacık GW-GGA-PE olmak üzere iki farklı fonksiyonelle hesaplanmıştır. α-B12, B12P2, B12As2 ve B12C3 bileşiklerinin yasak bant aralığı basınçla azalırken, B12O2 bileşiğin bant aralığı basınçla artmaktadır. B13N2 ve B13C2 metalik özellik sergilerken, diğer bileşikler yarıiletken özellik göstermiştir. Tüm bileşiklerin elastik sabitleri basınç altında artış eğilimi göstermektedir. Elastik sabitler, ortam basıncında mekanik kararlılık şartını sağlamaktadırlar. Bileşiklerin hacim, kayma ve Young modülü, ses hızı, Poisson oranı, Kristal anizotropi, Vickers sertliği ve Debye sıcaklıkları elastik sabitler yardımıyla elde edilmiştir. Bileşiklerin fonon dispersiyon eğrileri ve fonon durum yoğunluğu direkt yöntem kullanılarak hesaplanmıştır. Bileşiklerin entropi, ısı kapasitesi, serbest enerji ve iç enerjinin sıcaklıkla değişimi elde edilmiştir. Optik hesaplamalar üç farklı yöntemle hesaplanmıştır: IPA, BSE ve mBSE. Soğurma katsayısı, enerji kayıp fonksiyonu, kırılma indisi, sönüm katsayısı, optik iletkenlik ve yansıtma gibi optik sabitler dielektrik fonksiyonunun sanal ve reel kısmından elde edilmiştir. Hesaplanan bütün fiziksel nicelikler mevcut deneysel ve teorik değerlerle karşılaştırılmıştır.

Abstract:
The structural, electronic, elastic, Born effective charges, vibration and optical properties of some B12-based boron-rich rhombohedral solid compounds (α-B12, B12O2, B12P2, B12As2, B12C3, B13C2 and B13N2) under pressure (P=0-350 GPa) were investigated by ab initio method within density functional theory. The lattice parameters of all compounds tended to decrease with increasing pressure. The calculated bond lengths between boron atoms and interstitial atoms decreased under pressure. Born effective charge tensors and optical dielectric constants determined by non-analytical contribution to the dynamic matrix in the q→0 limit were calculated. Electronic properties were calculated with two different functionals, GGA-PW91 and quasi-particle GW-GGA-PE. While the forbidden band gap of α-B12, B12P2, B12As2 and B12C3 compounds decreases with pressure, the band gap of B12O2 compounds increases with pressure. While B13N2 and B13C2 exhibited metallic properties, other compounds showed semiconductor properties. The elastic constants of all compounds tend to increase under pressure. Elastic constants provide the mechanical stability condition at ambient pressure. Bulk, shear and Young's modulus, sound velocity, Poisson's ratio, crystal anisotropy, Vickers hardness and Debye temperatures of the compounds were derived with the help of elastic constants. The phonon dispersion curves and density of phonon states of the compounds were calculated using the direct method. The variation of entropy, heat capacity, free energy and internal energy with temperature of the compounds were obtained. Optical calculations were calculated with three different methods: IPA, BSE and mBSE. Optical constants such as absorption coefficient, energy loss function, refractive index, extinction coefficient, optical conductivity and reflectivity are obtained from the imaginary and real part of the dielectric function. All calculated physical quantities were compared with available experimental and theoretical values.