Ortorombik lityum bor kabürlerin ilk-prensiplerle incelenmesi
First-principles investigation of otrhorhombic lithium boron carbides
Yazar: KÜBRA KUTAY
Danışman: PROF. DR. SEZGİN AYDIN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Enerji = Energy ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
(C-B-C) zincirine sahip ana o-LiB13C2 kristalinde (B-B-B), (B-C-B), (B-N-B), (C-C-C), (C-N-C), (N-B-N), (N-C-N), (C-Va-C), (B-Va-B)-I, (B-Va-B)-II, ve (N-Va-N) şeklinde değişik zincirler önerilerek yeni yapılar elde edildi. B12(X-Y-X) ve B12(X-X) (X ve Y=B, C, N) formülleri ile tasarlanan yeni yapıların yapısal, mekanik, elektronik ve dinamik özellikleri ilk prensipler Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi (YFT) ile incelendi. Kararlı ve kararsız yapılar ile ana kristal arasında detaylı karşılaştırmalar yapıldı. (N-C-N), (C-Va-C) ve (N-Va-N) zincirli yapıların termodinamik, mekanik ve dinamik kararlılık şartlarını sağladıkları bulundu. Tek eksende çekme testleri yapılarak kararlı yapıların çekmeye karşı dayanımları incelendi. Çekme testleri sırasında (N-C-N) zincire sahip sistemin faz değişimine uğrayarak B12 ikosahedronları arasındaki ara boşlukta (N-Li-N) zincirine, farklı bağlanma geometrisine ve özelliklerine sahip yeni kararlı bir yapıya dönüştüğü gözlendi. Seçimli bağ uzunlukları B12 ikosahedronun hacmi ve yüzey alanı kullanılarak ayrıntılı bir geometri analizi sunuldu. Farklı zincir konfigürasyonlarından kaynaklanan yapıların farklı bağlanma durumlarını açıklamak için kısmi durum yoğunluğu, yük (Mulliken ve Bader) ve kritik nokta analizi, elektron yoğunluk farklılıkları hesaplandı. Kararlı yeni yapıların metalik olduğu görüldü. Kararlı yapılardaki B12 ikosahedronlarının Bader yüklerinin, Wade kuralının aksine pozitif olduğu gözlendi. B12(X-Y-X) ve B12(X-X) birleşiklerinde zincirin varlığının, farklı asimetrik yük yoğunluklarından dolayı B12 ikosahedronun yüklenme davranışını etkilediği görüldü. Mekanik özellikler ve bunların anizotropileri farklı örgü yönleri için hesaplandı, 2D ve 3D grafikler yardımıyla görselleştirildi. Bağlanma karakteristikleri, Phillips iyonikliğine ve Mulliken bağ örtüşme popülasyonlarını kullanan bağ direnci modeli, bağ elektronegatifliği modeli ve bağ değerlik modeli baz alınarak, kararlı yapıların sertlikleri her bir model için hesaplandı. Farklı modellere bağlı olarak kararlı yapıların 8-35 GPa gibi geniş bir aralıkta sertlik değerlerine sahip olduğu bulundu. Kararsız yapıların dinamik kararsızlıkları ve bunun kaynağı araştırıldı. Li atomlarının varlığının ve farklı elektronegatifiteye sahip atomlardan oluşan farklı zincirlerin yapıların kararlılığı, yük transferleri, zincir geometrileri ve titreşim davranışları üzerinde önemli etkilere sahip olduğu sonucuna varıldı.

Abstract:
The new chain structures of (B-B-B), (B-C-B), (B-N-B), (C-C-C), (C-N-C), (N-B-N), (N-C-N), (C-Va-C), (B-Va-B)-I, (B-Va-B)-II, and (N-Va-N) for the main o-LiB13C2 crystal with (C-B-C) chain are proposed to obtain new structures. The structural, mechanical, electronic, and dynamic properties of the newly designed structures with the B12(X-Y-X) and B12(X-X) formulae are investigated by the first principles of Density Functional Theory (DFT), and detailed comparisons with the main crystal between the stable and unstable structures are given. After the well-converged calculations, it is found that the structures with (N-C-N), (C-Va-C), and (N-Va-N) chains of these structures meet the thermodynamic, mechanical, and dynamic stability conditions. The uniaxial tensile tests are performed, and the tensile strengths of the stable structures are examined. During the tensile tests, it was observed that the (N-C-N) chain system underwent a phase change and turned into a new stable structure that has an (N-Li-N) chain and different bonding geometry and characteristics in interstitial space between the B12 icosahedra. A detailed geometry analysis utilizing the selected bond lengths, volume and surface area of B12 icosahedron as a building block of the structure is offered. The partial density of states, charge (Mulliken and Bader) and critical point analysis, electron density differences are presented to clarify the different bonding situations of the structures originating from the different chain configurations. It is shown that the stable new structures are metallic. The Bader charges of B12 icosahedra in the stable structures have positive, in contrast to Wade's rule. The existence of the chain in the B12(X-Y-X) and B12(X-X) compounds affects the charging behavior of B12 icosahedron due to the different electronegativities of the constituents atoms causing different asymmetrical charge densities. The mechanical properties and their anisotropies are calculated for different lattice directions and visualized through 2D and 3D graphs. Based on the actual bonding characteristics, the bond resistance model with Phillips ionicity and Mulliken bond overlap populations, the bond electronegativity model, and the bond valence model, the hardnesses of the stable structures are calculated by each model. It is found that the stable structures have hardnesses spanning a wide range of 8-35 GPa due to the different models. The origin and dynamic instability of the unstable structures are examined. It is concluded that the existence of Li atoms and different chains, which include the different electronegativity of atoms within the structure, have essential roles in charge transfers, chain geometries, vibrational behavior, and then the stability of the structures.