Bakır nanoteller üzerine atomik ölçeklerde hesaplamalar
Atomistic calculations of Cu nanowires
Yazar: MİNE KONUK
Danışman: DOÇ. DR. SONDAN DURUKANOĞLU FEYİZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Aktivasyon enerjisi = Activation energy ; Bakır = Copper ; Difüzyon = Diffusion ; Hesaplama = Calculation ; Kristal yapı = Crystal structure ; Nano yapı = Nano structure ; Nanoteknoloji = Nanotechnology ; Nanotel = Nanowire ; Yüzey gerilimi = Surface tension

Özet:
Bu tez ile sunduğum çalışmada, gömülü atom yöntemiyle oluşturulan çok-cisimli, yarı deneysel potansiyel kullanılarak nanometre ölçeğindeki malzemelerin toplam enerji hesaplamaları ve atomik rahatlamaları kapsamlı olarak araştırıldı. İlgilenilen nanoteller üzerinde incelenen atom ve boşluk difüzyon süreçleri boyunca karşılaşılan enerji engel değerleri dürtülü elastik band yöntemi kullanılarak elde edildi. Araştırılan temel problem, <100> eksen yönelimine sahip ve kare kesit alanlı Cu nanotellerin enerji değerlerinin ve atomik rahatlamalarının telin sonlu olan boyutlarıyla nasıl değiştiğini belirlemektir. Değişen kesit alan büyüklüğü ile atom/boşluk difüzyon süreçleri ve atomik rahatlamaların farklı karakteristikler gösterdiği görüldü. Ayrıca, hareketli ekatomların nanotel üzerinde oluşturdukları yerel germeler ve sürece dahil olan atomların gerçekleştirdikleri yerel rahatlamaların yüzey difüzyon süreçlerinin genel karakterlerini anlamada önemli bir etkiye sahip olduğunu bulduk. Bu nedenle, tellerin sıkıştırıcı ya da gerici zorlamaları altında atomik süreçlerin incelenmesi, tellerin kararlılığının belirlenmesinde önemli rol oynayan yüzey difüzyon süreçlerinin genel karakterlerinin ve nanotellerin uçlarından çekilip uzatılmasıyla oluşan dar boğazların pürüzsüz hale gelmesinin anlaşılması açısından araştırılmaya değer konular olacaktır. Silindirik ve çok kabuklu Cu nanotellerde gözlenen durumun aksine, boşluk oluşturma enerjisinin tellerin merkezinde en büyük değerde iken tellerin kenarlarında neredeyse sıfır olduğunu bulduk. Bununla birlikte, boşluk difüzyon süreçleri için elde edilen enerji engel değerlerinin de tellerin kenarlarında çok daha düşük değerler alacağını gösterdik. Ayrıca, kesit alan değişimi altında boşluk difüzyon süreçleri ve boşluk oluşturma enerjileri için gözlenen genel davranışlar yerel atomların koordinasyon sayıları ile açıklanabileceğini gösterdik.

Abstract:
In this Thesis, I present an extensive study of energetics and atomic relaxation of nanometer-scale materials, using many-body, semi-empirical potentials extracted from the embedded atom method. The activation energies for several single atom and vacancy diffusion processes on nanowires of interest are evaluated employing the nudged elastic band technique. The issues investigated in this Thesis are size effects on the energetics and atomic relaxations on <100> axially oriented Cu nanowires. I find that varying size of the cross-sectional area changes the characteristics of both a single atom/vacancy diffusion processes and individual atomic relaxations on the nanowire. I also find that the characteristics of self-surface diffusion mechanisms on nanowires are found to be very sensitive to the local strain induced by diffusing atoms, indicating that the mobility of adatoms will be modi ? ed on the surfaces of a strained nanowire. Thus, further calculations on atomistic processes on a nanowire that is under a compressive or a tensile strain will be worthwhile since the self-surface diffusion is found to be the leading mechanism in the stability of nanowires and in smoothening the necks formed during elongation of nanowires. Contrary to the case of cylindrical multishell-type Cu nanowires, the vacancy formation energy for rectangular nanowires is maximum in the core region and is nearly zero at the corner of the nanowire. Furthermore the activation energy barriers for the vacancy diffusion processes taking place in the core region are found to be higher than those occurring near the corner of the nanowire. I further show that the vacancy diffusion processes taking place near the corner of the wire are dictated by the lower coordination of the surrounding atoms.