TlMeX2 üçlü yarıiletkenlerin termoelektrik özelliklerinin ilk prensipler hesaplamaları ile araştırılması
First principles calculations of thermoelectric properties of TlMeX2 ternary semiconductors
Yazar: MEHMET FATİH MİNTAŞ
Danışman: PROF. DR. MİRHASAN SEYİTSOY
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Kristaller = Crystals ; Termoelektrik = Thermoelectric ; Yarı iletkenler = Semiconductors

Özet:
Termoelektrik etki, yarı iletkenlerden önce keşfedilen bir olgudur. Metallerle başlayan araştırmalar günümüzde büyük çoğunlukla yarıiletkenlerle devam etmektedir. Konunun neredeyse ayrılmaz bir parçası ise, ısınan bir malzemenin soğu(tul)masının elektronik cihazlardaki devrelerin sağlıklı çalışması açısından ehemmiyetidir. Bu çerçevede günümüzde üzerinde araştırma yapılan termoelektrik malzemelerin potansiyellerinin yüksek olduğu söylenebilir.
Bu tez çalışmasında TlInSe2 ve TlGaSe2'in termoelektrik özelliklerini inceledik. İncelememizi teorik çerçeve, hesaplama altyapısı ve deney/simülasyon üçlü sac ayağı şeklinde sıralarsak yanlış olmaz. Teorik çerçevede termoelektrik etkinin keşfi ve son yüzyılda yaşanan gelişmeleri ele aldık. Başta da belirttiğimiz gibi bu kısımda termoelektrik malzemelerin karşı karşıya olduğu en büyük meydan okumalardan biri olan kristalin ısınmasının engellenmesine yönelik yapılabilecek uygulamalar ayrıntılı olarak ele alınmıştır. TlInSe2 malzemesinin incelenmesinde n/p-tipi katkılamanın termoelektrik karakteri nasıl etkilediği araştırılmıştır. Diğer yandan TlGaSe2'de ise kristalde oluşturulan kusurların termoelektrik özellikleri nasıl etkilediği ortaya konmuştur. Burada ortaya konan veriler hesaplamaya dayanan sonuçlardan elde edilmiştir. Hesaplamada ise TÜBİTAK ULAKBİM bünyesindeki TRUBA alt yapısı kullanılmıştır. Bu altyapı sayesinde kişisel bilgisayarların yapamayacağı hesaplamalar en fazla birkaç saat içinde sonuçlandırılmıştır. Ayrıca QUANTUM Espresso açık kaynak yazılımı da sıklıkla başvurduğumuz bir program olmuştur. BoltzTrap2 ise TRUBA altyapısından elde ettiğimiz verilerle Seebeck hesaplamalarını yapmak için kullandığımız bir diğer açık kaynak yazılım olmuştur. Doğrudan erişimimiz olmamakla birlikte çalışma ekibimizden bazı araştırmacıların kullandığı WIEN2k yazılımı ise maalesef açık kaynak bir yazılım değildir. Buna rağmen oradan elde edilen verilerle daha kesin sonuçlar elde edilebilmektedir.
TlInSe2 ve TlGaSe2 ile yaptığımız çalışmalar neticesinde katkılama ve kusur eklemenin malzemelerin termoelektrik özelliklerini olumlu yönde etkilediği görülmüştür.

Abstract:
The thermoelectric effect is a phenomenon discovered before semiconductors. Researches that started with metals mostly continue with semiconductors. An almost inseparable part of the subject is the importance of the cooling of a heated material in terms of the healthy functioning of the circuits in electronic devices. In this context, it can be said that the expectations from the thermoelectric materials researched today are high.
In this thesis, we examined the thermoelectric properties of TlInSe2 and TlGaSe2. It would not be wrong if we rank our review as theoretical framework, computational infrastructure and experiment/simulation. In the theoretical framework, we discussed the discovery of the thermoelectric effect and the developments in the last century. As we mentioned at the beginning, in this section, the applications that can be made to prevent the heating of the crystal, which is one of the biggest challenges faced by thermoelectric materials, are discussed in detail. In the examination of TlInSe2 material, it was investigated how n/p-type doping affects the thermoelectric character. On the other hand, in TlGaSe2, it has been revealed how the defects formed in the crystal affect the thermoelectric properties. The data presented here are derived from computational results. In the calculation, TRUBA infrastructure within TÜBİTAK ULAKBİM was used. Thanks to this infrastructure, calculations that personal computers cannot do are finalized within a few hours at most. In addition, the open source QUANTUM Espresso software has been a program we frequently refer to. BoltzTrap2 is another open source software that we use to make Seebeck calculations with the data we obtained from the TRUBA infrastructure. Although we do not have direct access, the WIEN2k software used by some researchers from our team is unfortunately not open source software. However, more precise results can be obtained with the data obtained there.
As a result of our studies with TlInSe2 and TlGaSe2, it has been observed that doping and defect addition positively affect the thermoelectric properties of the materials.