Topolojik yalıtkanların mekanik özelliklerinin nanoindentasyon yöntemi ile analizi
Nanoindentation approach on the analysis of the mechanical properties of topological insulators
Yazar: UTKU UZUN
Danışman: PROF. DR. MEHMET YETMEZ
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Topolojik yalıtkanlar (TI), benzersiz elektronik özellikleri sayesinde spintronikler ve kuantum bilgisayarlar gibi nanoelektronik cihazlarda potansiyel kullanımlarının, yüksek hızda veri işleme ihtiyacına çözüm olabilecek, yakın zamanda keşfedilen yüksek teknoloji malzemelerdir.  Bizmut selenid ticari olarak en önemli termoelektrik malzemelerden biridir. Son yıllarda, Bi kalkojenlerinin topolojik olarak korunan yüzey hallerinin keşfedilmesi, nanoelektronik alanındaki uygulamalarının önünü açmıştır. Ticari olarak kullanılmaya başlanan Bizmut Selenid'in mekanik özelliklerinin belirlenmesi, topolojik yalıtkanların esnek elektronik ve nanoelektromekanik cihazlardaki potansiyel uygulamalarında tasarım bakımından önemli bir rol oynamaktadır. Bu çalışmada, nanoindentasyon yöntemi yardımı ile yapının klivaj düzlemleri üzerinde izler oluşturularak pek çok tasarım için hayati öneme sahip parametreler olan elastisite modülü, sertlik değeri ve kırılma tokluğu değerleri elde edilmiştir. Bulk halindeki tek kristal bizmut selenidin mekanik özelliklerini geniş bir kapsamda incelemek amacıyla nano-çizik ve sürünme deneyleri de yapılmış ve bu deneyler sonucunda malzemenin aşınma ve zamana bağlı mekanik dayanımı incelenmiştir.
Çalışmada tek kristalli numune üretimi için Bridgeman-Stockberger metodu tercih edilmiştir. Bu tez çalışmasında, deneysel sonuçların tutarlılığını desteklemek amacı ile sonlu elemanlar yönteminden faydalanılmıştır. Bu sebeple nanoindentasyon testleri ticari bir sonlu elemanlar programı olan ABAQUS ile analiz edilmiş ve deneysel olarak elde edilen yük-deplasman değerleri nümerik analiz ile desteklenmiştir. Çalışma sonucunda elde edilecek bilgilerin esnek elektronik malzemeler ve nanoelektromekanik sistemlerin tasarımında Bi2Se3 için tasarım kriterlerini oluşturması amaçlanmıştır.

Abstract:
Topological insulators (TI) are recently discovered high-tech materials where their potential use in nanoelectronic devices such as spintronics and quantum computers due to their unique electronic features, can be a solution to the emerging need for high bit data processing. Bismuth selenide is one of the most important commercial thermoelectric equipments. Recently, the discovery of the topologically protected surface conditions of the Bi chalcogenids has led to its application to nanoelectronic systems. Mechanical properties of commercially used Bismuth Selenide, plays an important role in the design of topological insulators in flexible electronic and nanoelectromechanical devices. In this thesis, nanoindentation method is applied on the clivage plane of the structure the in order to obtain parameters that are vital for many designs such as the modulus of elasticity, hardness and fracture toughness. In order to investigate the mechanical properties of bulk single crystal bismuth selenide comprehensively, nano-scratch and creep tests were also carried out, and as a result of these experiments, the abrasion and time dependent mechanical strength of the material was investigated. In this work we are investigated the mechanical properties of single crystal bismuth selenide in bulk structure. The Bridgman-Stockberger method has been preferred fort the production of single-crystalline system. The project also benefitted from the finite element method to support the reliability of the experimental results. For this reason, the nanoindentation tests were applied numerically by a commercially available finite element software (ABAQUS) in the analysis in order to compare the experimentally obtained load- displacement results. The results obtained from the thesis aimed to set the design criteria in the application of Bi2Se3 in flexible electronics and nanoelectromechanical devices.