Yoğunluk fonksiyonel teorisi ile iki boyutlu geçiş metali dikalkojenitlerinin yapısal, elektriksel ve manyetik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of structural, electrical and magnetic properties of two dimensional transition metal dichalcogenides with density functional theory
Yazar: MUSTAFA ÖZGÜR
Danışman: PROF. DR. SUAT PAT
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Yüksek Enerji ve Plazma Fiziği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, iki boyutlu geçiş metali dikalkojenitlerinin yapısal, elektronik ve manyetik özellikleri, Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi kullanılarak kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Geçiş metalleri (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta ve W) ve kalkojen atomlarından (S, Se ve Te) oluşan TMDC'lerin, bileşimlerine ve onların fazlarına (hekzagonal veya trigonal) bağlı olarak bu özelliklerin önemli derecede değişiklik gösterdiği belirlenmiştir. 

Yapısal analizler, örgü sabitlerinin, bağ uzunluklarının ve katmanlar arası mesafelerin, metal ve kalkojen atomlarının türüne bağlı olarak değiştiğini ortaya koymuştur. Elektronik yapı analizleri ise, bu malzemelerin yarıiletken, metalik ve manyetik özellikler sergileyebileceğini göstermiştir. 

Dinamik kararlılık, sonlu yer değiştirme yöntemi ile hesaplanan fonon bant yapıları ile değerlendirilmiş ve hekzagonal fazdaki TMDC'lerin genellikle dinamik olarak kararlı olduğu, trigonal fazdaki bileşiklerinde ise daha fazla sayıdaki yapıda negatif frekanslar gözlemlendiği, bu durumun dinamik kararsızlık gösterdiği belirlenmiştir. 84 adet TMDC arasından 15'inin hem dinamik olarak kararlı hem de manyetik özellik gösterdiği tespit edilmiştir. Bu bileşiklerin manyetik özellikleri 2D Ising modeli ve Monte Carlo simülasyonları ile incelenmiştir. Sonuçlar, yüksek sıcaklık uygulamaları, spintronik cihazlar ve manyetik depolama teknolojileri için bu malzemelerin önemli adaylar olduğunu göstermektedir. 

Çalışmada ayrıca, Hubbard parametresinin iki boyutlu geçiş metali dikalkojenitlerinin elektronik ve manyetik özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Standart DFT yönteminin yetersiz kaldığı durumlarda, Hubbard parametresi ile yapılan DFT+U düzeltmeleri, özellikle geçiş metallerinin d-orbitalleri arasındaki güçlü elektron korelasyonlarının etkilerini hesaba katmaya imkan tanımıştır. Yapılan analizler sonucunda, Hubbard parametresinin malzemelerin yapısal parametrelerinde, elektronik yapılarında, manyetik etkile şimlerinde ve Curie sıcaklıklarında önemli değişikliklere yol açtığı tespit edilmiştir.

Abstract:
In this thesis, the structural, electronic, and magnetic properties of two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDCs) have been comprehensively investigated using Density Functional Theory (DFT). It was determined that the properties of TMDCs, consisting of transition metals (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W) and chalcogen atoms (S, Se, and Te), significantly vary depending on their composition and their phases (hexagonal or trigonal). 

Structural analyses revealed that lattice constants, bond lengths, and interlayer distances change depending on the types of metal and chalcogen atoms. Electronic structure analyses showed that these materials exhibit semiconductor, metallic, and magnetic properties.

Dynamic stability was evaluated using phonon band structures calculated with the finite displacement method. It was found that TMDCs in the hexagonal phase are generally dynamically stable, while more negative frequencies, indicating dynamic instability, were observed in trigonal phase compounds. Among the 84 TMDCs studied, 15 were identified as both dynamically stable and exhibiting magnetic properties. The magnetic properties of these compounds were analyzed using the 2D Ising model and Monte Carlo simulations. The results indicate that these materials are promising candidates for high-temperature applications, spintronic devices, and magnetic storage technologies. 

Additionally, the study examined the effect of the Hubbard parameter on the electronic and magnetic properties of two-dimensional TMDCs. In cases where the standard DFT method was insufficient, DFT+U corrections with the Hubbard parameter allowed for better accounting of the strong electron correlations in the d-orbitals of transition metals. The analyses revealed that the Hubbard parameter led to significant changes in the structural parameters, electronic structures, magnetic interactions, and Curie temperatures of the materials.