Yarı iletken polimerlerin bant aralıklarının ve osilatör güçlerinin kuantum mekaniksel yöntemlerle araştırılması
Investigation of band gaps and oscillator strengths of semiconducting polymers with quantum mechanical techniques
Yazar: AHMAD RAMAZANLI
Danışman: DOÇ. DR. UĞUR BOZKAYA
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Son yıllarda iletkenliklerinin keşfedilmesiyle beraber polimerler birçok uygulamada metallerin yerini almaya başlamıştır. Polimerlerin kolay hazırlanmaları, düşük maliyetleri, korozyona karşı dayanıklı olmaları ve hafif olmaları, onları metaller üzerinde avantajlı kılar. Polimerlerin kendisinin doğrudan herhangi bir metal ile birleştirilmeden de iletken olabileceği ilk kez 1950li yıllarda ortaya çıkmıştır ve o zamandan bugüne yapılan çalışmalar polimerlerin iletkenliğini artırmayı hedeflemektedir. İletken polimerlerin kullanım alanlarına örnek olarak organik güneş pilleri, elektronik devreler, organik ışık yayan diyotları, aktüatörler, kimyasal ve biyo-sensörler gösterilebilir. Polimerlerde iletkenlik bant aralığı teorisi yardımıyla
ii
açıklanır. Eğer enerji düzeyinde valans bandı ile iletkenlik bandı arasında 9 eV veya daha fazla potansiyel farkı varsa bu polimer yalıtkandır. Bu potansiyel farkı 0,1 ile 4 eV arasında değişiyorsa bu polimerin yarı iletken olduğunun işaretidir. İletken polimerlerde ise valans bandı ile iletkenlik bandı iç içe geçmiş durumdadır. Polimerlerin iletkenlik özellikleri hem deneysel hem de teorik yollarla çalışılabilmektedir. Deneysel tekniklerde güvenilir sonuçlar elde edilmesine karşın, laboratuvar ortamında yapılan sentezleme ve ayrıştırma işlemleri sebebiyle zamana ihtiyaç duyulmaktadır, fakat teorik çalışmalarla bu işlemlere gerek kalmadan yalnızca bilgisayarlar ve gelişmiş yazılımlar sayesinde polimerlerle ilgili birçok bilgi kolaylıkla elde edilebilmektedir. Teorik çalışmaların önemli bir kolu olan kuantum mekaniksel yöntemler Yarı deneysel (Semi-Empirical), Ab Initio ve Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi (DFT) olarak sıralanabilir. Bu çalışmada poliasetilen (trans ve cis yapılı), politiyofen, poli(p-fenilen) ve poli(p-fenilen vinilen)'in Ab Initio tekniklerinden olan tekli uyarılmış konfigürasyon etkileşimi yöntemi (CIS) yoğunluk fit edilmesi tekniği (DF) kullanılarak bant aralıkları ve osilatör güçleri değerleri hesaplanmıştır. Aynı polimerlerin bu değerleri bir de TD-DFT (zamana bağlı yoğunluk fonksiyonel teorisi) tekniğiyle elde edildikten sonra her iki yöntem hem birbiriyle hem de literatürdeki deneysel verilerle kıyaslanmıştır. Elde edilen sonuçlar göstermektedir ki, TD-DFT tekniğiyle elde edilen bant aralığı değerleri deneysel verilere çok yakınken, CIS metodu ile hesaplanan değerler hem TD-DFT değerlerinden hem de deneysel sonuçlardan belirli bir miktar yüksektir.

Abstract:
In recent years, polymers have started to replace metals in many applications with the discovery of their conductivity. Easy preparation, low costs, corrosion resistance and light weight of polymers make them advantageous over metals. It was first discovered in the 1950s that the polymers themselves could be conductive without being directly coupled to any metal, and since then, studies focused to improve the conductivity of the polymers. Applications of conductive polymers include organic solar cells, electronic circuits, organic light emitting diodes, actuators, chemical and bio-sensors. Conductivity in polymers is explained with the help of band gap theory. If there is an energy difference of 9 eV or more between the valence band and the conductivity band, this polymer is insulating. If this energy difference ranges from 0.1 to 4 eV, it is a sign that the polymer is a semiconductor. In conductive polymers, the valence band and the conductivity band are overlapped. Conductivity properties of polymers can be studied both experimentally and theoretically. Although reliable results are obtained in experimental techniques, the synthesis and separation processes carried out in the laboratory take long time. However, with the help of
iv
computers and advanced softwares, a lot of information about polymers can be easily obtained by theoretical studies. Quantum mechanical methods which are an important branch of theoretical studies may be classified as Semi-Empirical, Ab Initio and Density Functional Theory (DFT). In this study, band gaps and oscillator strengths were calculated for polyacetylene (trans and cis structured), polythiophene, poly(p-phenylene) and poly(p-phenylene vinylene) by using configuration interaction singles (CIS) method with density fitting technique (DF). These values of the polymers considered were obtained by TD-DFT (time-dependent density functional theory) technique and both methods were compared with each other and with the experimental data in the literature. The results show that while the TD-DFT technique is very close to the experimental data, the values calculated by CIS method are slightly higher than both TD-DFT values and experimental results.