Element yüklenmiş grafen yapılarının özelliklerinin yoğunluk fonksiyoneli teorisi (DFT) ile incelenmesi
Investigation of the properties of elements doped graphene structures by density functional theory (DFT)
Yazar: NAZMİYE SERİNÇAY
Danışman: PROF. DR. MEHMET FERDİ FELLAH
Bursa Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Son derece yüksek kristal ve elektronik kaliteye sahip olan grafen, yalnızca bir atom kalınlığında olan malzemelerin yeni bir sınıfını temsil etmektedir. Grafen, iki boyutlu bal peteği örgü içerisine sıkıca paketlenmiş karbon atomlarının düz tek tabakasına verilen isimdir. Grafenin yüksek termal ve elektriksel iletkenliği, yüksek mekanik mukavemeti, geniş spesifik yüzey alanı, termal kararlılığı ve kimyasal dayanıklılığı gibi üstün özellikleri katman sayısı değiştikçe ve yapısına başka elementler katıldıkça değişmektedir. Böylelikle yeni oluşan grafenin özellikleri çok daha farklı olmakta ve çok farklı amaçlar için kullanılabilmektedir. Bu yeni yapı ve özelliklerdeki grafenin mikro elektriksel cihazlar, lityum iyon pilleri, güneş pilleri, transistörler, biyosensörler ve biyoelektronikler, nano elektronikler, elektronik kâğıt ve bükülebilir iletişim cihazları gibi hızlı, esnek ve sağlam tüketici elektroniği ürünleri üretimi gibi birçok alanda kullanımının olması beklenmektedir. Ancak yeni oluşan grafenin bu özelliklerinin neden değiştiğinin deneysel olarak belirlenmesi oldukça zor olup bu amaçla kuantum kimyasal yöntemler devreye alınmaktadır. Literatürde bazı elementler grafen yapısına yüklenmiştir. Bu yükleme işlemi bazı elementler için ikili şekilde ve çok az sayıdaki bir kaç element için ise üçlü bir şekilde yapılmıştır. 
Bu çalışmanın amacı Ga, Ge, P, Si, Al yüklü grafen yüzeylerinin temel özelliklerinin dünyada birçok üniversite ve endüstri kuruluşunun çok önem verdiği kuantum kimyasal hesap yöntemlerinden biri olan DFT  (Density Functional Theory - Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi) yardımıyla tespit edilerek incelenmesine yöneliktir. Bu çalışma ile dünyada yaygın bir şekilde çalışılmasına karşın ülkemizde az çalışılan kuantum kimyasal metotlarla yapılan malzeme modellemesi ve özelliklerinin belirlenmesi konulardaki çalışmalar açısından, çeşitli elementlerin yüklemesinin grafen yapısına nasıl bir etkisinin olacağı araştırması ile ülkemizin bilim dünyasına ve literatürüne bir katkı vermesi ve olası deneysel çalışmalara öncülük etmesi amaçlanmıştır. 
Tez kapsamında yapılan bu kuantum kimyasal hesaplarda WB97XD/6-31G(d,p) metodu kullanılmıştır. Tek tabaka olarak tasarlanan grafen yapıları üzerine element yükleyerek yapılan kuantum kimyasal yöntemlerle elde edilen yapısal, elektriksel, kimyasal ve optik gibi özellik verileri karşılaştırılıp ve grafenin yapısının özelliklerinde nasıl bir değişiklik yaptığı belirlenmiştir.  Bu verilerle grafenin temel özelliklerinin (yapısal, kimyasal, mekanik, elektronik, optik, manyetik) araştırılması hedefine kuantum kimyasal hesaplar yardımıyla ulaşılmış olundu. Böylelikle deneysel olarak belirlenmesi güç olan element yüklemesi ile grafen yapısında meydana gelen değişimin neden kaynaklandığı kuantum kimyasal yöntemlerle belirlenmiş olundu. Bu sayede elde edilecek verilerle element yüklenmiş grafen yapıların sensörler, transistörler, iletkenler gibi olası kullanım alanları hakkında bir öngörü yapılabilmiştir. 
Bu çalışmada tekli yükleme ile yapılan çalışmalara nazaran üçlü yükleme ile yapılan çalışmaların grafenin özelliklerini büyük ölçüde değiştirmesi ve yapının cihazlardaki kullanımını etkili hale getirmiştir. Ga-P-Ga kombinasyonuyla yüklenmiş grafen yapısı hariç diğer tüm kombinasyonlarda (Ga-Ga-Ga, Ge-Ge-Ge, P-P-P, Si-Si-Si, Al-Al-Al, Ga-Ga-Ge, Ga-Ga-Si, GaGaAl-GaAl-Ga, GeGeGa-GeGaGe, GeGeP-GePGe, GeGeSi, GeGeAl-GeAlGe, P-P-Ga, P-P-Ge, P-P-Si, P-P-Al, SiSiGa-SiGaSi, Si-Ge-Si, Si-P-Si, Si-Si-Al, AlAlGa-AlGaAl, Al-Al-Ge, Al-Al-P, Al-Al-Si, Ga-P-Ge, Ga-Ge-Si, Ge-Ga-Al, Ga-P-Si, P-Ga-Al, Ga-Al-Si, Ge-P-Si, Ge-P-Al, Si-Ge-Al, Si-P-Al) kimyasal sertliğini ifade eden HLG değeri azalmıştır. Yüklü grafen yapılarında sertlikte artış,  sistemin daha istikrarlı bir konfigürasyona doğru hareketinde artış, elektronik yapıda daha yüksek kararlılık, yüksek kimyasal reaktivite, yüksek kimyasal potansiyel, düşük elektronegatiflik değeri, yüksek elektriksel iletkenlik meydana gelmiştir. Fermi seviyesindeki artışa bağlı  elektron yoğunluluğunun artışının Si-Si-Si, Ga-Ga-Ge, Ga-Ga-Si, Ge-Ge-Si, P-P-Ga, P-P-Ge, P-P-Si, P-P-Al, Si-Ge-Si, Si-P-Si, Si-Si-Al, Al-Al-Ge, Ga-Ge-Si, Ge-Ga-Al, Ga-Al-Si, Ge-P-Si, Si-Ge-Al kombinasyonlarında görmekteyiz. Bu sonuçlar ve yüklenen farklı özelliklere sahip elementler sayesinde yeni çok amaçlı cihaz kullanımları için element yüklü grafenler tercih edilebilir.

Abstract:
Graphene with extremely high crystal and electronic quality is a new class of materials with only one atomic thickness. The Graphene name is given to the sheet monolayer of carbon atoms tightly packed into a two-dimensional honeycomb lattice. The superior properties of graphene such as high thermal and electrical conductivity, high mechanical strength, large specific surface area, thermal stability and chemical resistance change as the number of layers changes and other elements are added to its structure. Thus, the properties of the newly formed graphene are very different and it can be used for many different purposes. Graphene with this new structure and these new properties is expected to be used in many areas, for example in the manufacture of fast, flexible and robust consumer electronics products such as microelectronic devices, lithium-ion batteries, solar cells, transistors, biosensors and bioelectronics, nanoelectronics, electronic paper and flexible communication devices. However, it is very difficult to determine experimentally why these properties of the newly formed graphene change, and thus quantum chemical methods are used for this purpose. Some elements are doped on the graphene structure in the literature. This doping process has been done in binary form for some elements and in triple form for a few elements. 
The aim of this study is to determine the basic properties of graphene surfaces doped with Ga, Ge, P, Si, Al using DFT (Density Functional Theory), one of the quantum chemical calculation methods highly valued by many universities and industrial organizations around the world. Despite the widespread use of this method in the world, there are not lots of studies on quantum chemical methods of materials modeling and properties in our country so this study with the effect of the doping of various elements on the graphene structure will contribute to the scientific world and literature of our country and it has been expected it can lead to possible experimental studies.
The method of WB97XD / 6-31G (d, p) was used for these quantum chemical calculations in this study. By comparing the property data such as structural, electrical, chemical and optical properties obtained by quantum chemical methods by doping elements on the graphene structures, which are laid out as a single layer, it was determined how the structure of the graphene changes. With these data, the goal of investigating the basic properties (structural, chemical, mechanical, electronic, optical, magnetic) of graphenes with the help of quantum chemical calculations was achieved. Quantum chemical methods were used to determine the reason for the change in the graphene structure and the element doping, which is difficult to determine experimentally. With the data obtained in this way, a prediction could be made about the possible areas of application of element-doped graphene structures such as sensors, transistors and conductors. 
Compared to the studies with single doping, the investigations carried out with triple doping have greatly changed the properties of graphene and made the use of the structure in devices more effective. Except for the graphene structure doped with Ga-P-Ga combination, in all other combinations (Ga-Ga-Ga, Ge-Ge-Ge, PPP, Si-Si-Si, Al-Al-Al, Ga-Ga-Ge, Ga-Ga- Si, GaGaAl-GaAl-Ga, GeGeGa-GeGaGe, GeGeP-GePGe, GeGeSi, GeGeAl-GeAlGe, PP-Ga, PP-Ge, PP-Si, PP-Al, SiSiGa-SiGaSi, Si-Ge-Si, Si- P-Si, Si-Si-Al, AlAlGa-AlGaAl, Al-Al-Ge, Al-Al-P, Al-Al-Si, Ga-P-Ge, Ga-Ge-Si, Ge-Ga-Al, Ga-P-Si, P-Ga-Al, Ga-Al-Si, Ge-P-Si, Ge-P-Al, Si-Ge-Al, Si-P-Al) HLG value, which expresses its chemical hardness, decreased. Increased stiffness in doped graphene structures, increased movement of the system towards a more stable configuration, higher stability of the electronic structure, high chemical reactivity, high chemical potential, low electronegativity value, and high electrical conductivity. Electron density increased due to the increase in Fermi level Si-Si-Si, Ga-Ga-Ge, Ga-Ga-Si, Ge-Ge-Si, PP-Ga, PP-Ge, PP-Si, PP-Al, Si -Ge-Si, Si-P-Si, Si-Si-Al, Al-Al-Ge, Ga-Ge-Si, Ge-Ga-Al, Ga-Al-Si, Ge-P-Si, Si-Ge we see it in all combinations. Thanks to these results and doped elements with different properties, element doped graphenes can be used for new multi-purpose device use.