Bazı Nb zengini A15 tipi materyallerin süperiletkenlik mekanizmasının teorik olarak araştırılması

Bilim ve teknolojinin gelişmesi için malzemelerin yapısal, elektronik, elastik ve titreşim özellikleri gibi fiziksel özelliklerin teorik olarak incelenmesi önem arz etmektedir. Bu özelliklerin detaylı olarak incelenmesi malzemelerin teknoloji ve endüstride daha doğru, sağlıklı ve verimli bir şekilde kullanılmasına fayda sağlayacaktır. İlk prensipler üzerine kurulmuş bir yöntem olması sebebiyle son zamanlarda birçok alanda sıklıkla kullanılan ve teorik bir metot olan yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT), malzemelerin temel özelliklerini detaylı şekilde inceleme imkanı veren etkili bir tekniktir. Bu yöntem, deneylerle tutarlı sonuçlar verdiği için araştırmacılar tarafından büyük ilgi görmektedir. Bu sayede, incelenen malzemelerin özellikleri hiçbir deneysel veriye ihtiyaç duyulmadan belirlenebilir. Bilgisayarların gelişmesi ve işlemlerin daha hızlı yapılabilmesi, bu yöntemin daha yaygın bir şekilde kullanılmasına olanak sağlamıştır. Günümüze kadar DFT ile elde edilen teorik hesaplamalar, deneysel verilerle karşılaştırıldığında mükemmele yakın sonuçlar vermektedir. Ayrıca, deneysel çalışmaların yapılamadığı durumlarda da bu yöntem sayesinde taban durum özellikleri belirlenebilir. DFT, günümüzde birçok bilim dalında kullanılan güçlü bir araştırma yöntemidir. Bu metot, araştırmacılara yeni malzemelerin özelliklerini belirleme ve bu malzemeleri kullanarak yeni teknolojiler geliştirme imkanı vermektedir. Bu tezin amacı kübik A15 yapısına sahip niyobyum bazlı Nb3X (X: Ge, Sb, Os, Ir, Pt, Rh) bileşiklerinin yapısal, elastik, elektronik, dinamik ve süperiletkenlik özelliklerinin araştırılmasıdır. Nb3X bileşikleri için geometrik optimizasyon sonucu yapısal parametreler elde edilmiştir. Nb3X bileşikleri için elde edilen örgü sabitleri sırasıyla Nb3Ge için 5.169 Å, Nb3Sb için 5.301 Å, Nb3Os için 5.17 Å, Nb3Ir için 5.173 Å, Nb3Pt için 5.195 Å ve Nb3Rh için 5.174 Å olarak bulunmuştur. Nb3X bileşikleri için literatürde daha önce sunulan teorik ve deneysel değerler sırasıyla Nb3Ge için 5.151 Å ve 5.152 Å, Nb3Sb için 5.294 Å ve 5.262 Å, Nb3Os için 5.16 Å ve 5.14 Å, Nb3Ir için 5.158 Å ve 5.132 Å, Nb3Pt için 5.189 Å ve 5.156 Å ve Nb3Rh için 5.182 Å ve 5.115 Å olup elde ettiğimiz sonuçlar ile bu değerler arasında kusursuz bir uyum olduğu tespit edilmiştir. Bu sonuç, yöntemimiz ve yaptığımız hesaplamanın ne kadar doğru olduğunu kanıtlamaktadır. Elastik üzerine yapılan hesaplamalar Nb3X bileşiklerinin sünek, elektronik hesaplamalar ise metalik olduğunu göstermektedir. Ayrıca elektronik özellikler Nb3X'in Nb 4d durumlarının Fermi seviyesine yakın durumların elektronik yoğunluğunda önemli bir rol oynadığını göstermektedir. Fermi seviyesi durum yoğunluğu (N(EF)) sırasıyla Nb3Ge için 1.609 durum/eV.atom, Nb3Sb için 0.441 durum/eV.atom, Nb3Os için 0.664 durum/eV.atom, Nb3Ir için 0.758 durum/eV.atom, Nb3Pt için 1.032 durum/eV.atom ve Nb3Rh için 0.709 durum/eV.atom olarak bulunmuştur. Nb3Ge ve Nb3Pt'nin süperiletkenliğe geçiş sıcaklığının incelenen diğer bileşiklere kıyasla daha büyük olmasının bir nedeni de bu bileşiklerin diğerlerine göre daha büyük N(EF) değerine sahip olmasıdır. Elektronik özellikler incelendikten sonra Nb3X bileşiklerinin elastik sabitleri ve mekanik özellikleri stres-strain yöntemi ve Voight-Reuss-Hill (VRH) yaklaşımı kullanılarak belirlenmiştir. Hesaplanan elastik sabitler incelendiğinde kübik A15 kristal yapısındaki Nb3X bileşiklerinin Born kriterlerine göre mekanik olarak kararlı olduğu bulunmuştur. Ayrıca elde edilen elastik sabitler aracılığıyla Cauchy basıncı, Poisson oranları ve BH/GH oranları kullanılarak Nb3X bileşiklerinin esneklik ve kırılganlıkları incelenmiş ve bileşiklerin sünek karakterde olduğu tespit edilmiştir. Nb3X bileşiklerinin BH/GH ve Poisson oranları sıralaması Nb3Ge bileşiğinin en sünek karakerde olduğunu göstermiştir. Nb3X bileşiklerinin yapısal, elektronik ve elastik özelliklerinin araştırılmasına ilaveten titreşim özelliklerinin de detaylı bir şekilde incelenmesi bu tezi yapmamızın amacı olan süperiletkenliğinin kaynağını teorik olarak ortaya koyabilmemiz açısından önemlidir. Nb3X bileşiklerinin fonon dağılım grafikleri incelendiğinde negatif bir fonon modunun olmaması bileşiklerin A15 kristal yapısının dinamik olarak kararlı olduğunu göstermektedir. Dinamik özellikler, Nb3X bileşikleri için hesaplanan fonon dağılım grafiğinin, Nb ve X atomları arasındaki önemli kütle farklılıklarına rağmen herhangi bir boşluk içermediğini göstermektedir. Nb3X için Nb atomlarının titreşimlerinin en yüksek optik fonon modunun oluşumunda önemli bir rol oynadığını gözlemlemek de ilginçtir. Nb3X için elde edilen fonon modları deneysel sonuçlarla iyi bir uyum içindedir ve hesaplamalarımızın doğruluğunu kanıtlar niteliktedir. Ayrıca düşük frekanslı fonon modlarının, elektron-fonon etkileşim parametresine daha büyük bir katkı sağladığı tespit edilmiştir. Fonon durum yoğunluğu grafikleri incelendiğinde ise Nb3Ge'nin çok küçük bir frekans aralığı dışında kalan bölgede ve Nb3Os 'nin 4.2 THz, Nb3Pt'nin 3THz üstündeki bölgede tüm bileşikler için fonon modlarına en büyük katkının Nb atomlarından geldiği sonucuna varılmıştır. Bu sonuç Nb atomlarının süperiletkenlik oluşumunda baskın bir rol oynadığının göstergesidir. Daha sonra da elektronik ve fonon özellikleri kullanılarak süperiletkenlikle ilgili parametreler elde edilmiştir. Nb3X bileşikleri için elektron-fonon etkileşim parametreleri sırasıyla Nb3Ge için 2.056, Nb3Sb için 0.387, Nb3Os için 0.41, Nb3Ir için 0.51, Nb3Pt için 1.253 ve Nb3Rh için 0.571 olarak belirlenmiştir. Bu değerler büyükten küçüğe sıralandığında en büyük elektron-fonon etkileşim parametresine ilk olarak Nb3Ge'nin daha sonra Nb3Pt'nin sahip olduğu ve diğer bileşiklerin bu ikisine kıyasla çok daha küçük değerler aldıkları görülmektedir. Bu değerler arasındaki bu dramatik fark, elektron-fonon etkileşim parametresinin N(EF)'den sonra Nb3Ge ve Nb3Pt ile diğer bileşikler arasındaki süperiletkenlik sıcaklıklarının neden çok farklı olduğunu anlamaya yardımcı olan başka bir faktördür. Ayrıca Nb3X bileşiklerinin logaritmik ortalama fonon frekansları (ω_ln) sırasıyla Nb3Ge için 170.58 K, Nb3Sb için 219.73 K, Nb3Os için 222.97 K, Nb3Ir için 222.05K, Nb3Pt için 128.49 K ve Nb3Rh için 201.93 K olarak belirlenmiştir. Bu değerler kullanılarak, tahmini süperiletken geçiş sıcaklıkları (Tc) Nb3Ge için 23.37 K, Nb3Sb için 0.31 K, Nb3Os için 1.05 K, Nb3Ir için 1.8 K, Nb3Pt için 10.82 K ve Nb3Rh için 2.68 K olarak bulunmuştur. Nb3X bileşikleri için literatürdeki Tc değerleri sırasıyla Nb3Ge için 23.2 K, Nb3Sb için 0.20 K, Nb3Os için 1.05 K ve 0.943 K, Nb3Ir için 1.7 K, Nb3Pt için 10.9 K ve Nb3Rh için 2.64 K olup ölçülen bu deneysel değerler elde ettiğimiz sonuçlarla mükemmel bir uyum göstermektedir. Bazı nb zengini A15 tipi materyallerin süperiletkenlik mekanizmasının teorik olarak araştırılması adlı çalışmanın sonucunda hesaplanan bu parametreler ile kübik A15 yapısındaki niyobyum bazlı bu bileşiklerin süperiletkenlik mekanizmasının anlaşılması hedeflenmiştir. Yapısal parametreler önceki deneysel değerlerle uyumludur. Elektronik yapı parametreleri, bu malzemeler için 3 boyutlu bir metalik karakter önermektedir. Nb3X bileşikleri için hesaplanan elastik sabitler ve Born kriterleri kullanılarak, Nb3X bileşiklerinin kübik A15 kristal yapısında mekanik olarak kararlı olduğu bulunmuştur. BH/GH ve Poisson oranları sıralaması Nb3Ge>Nb3Os>Nb3Pt>Nb3Rh>Nb3Ir>Nb3Sb şeklindedir. İncelenen bileşiklerin fonon dağılım grafiklerinde negatif bir fonon modunun olmaması, bileşiklerin A15 kristal yapısının dinamik olarak kararlı olduğunu göstermiştir. Ayrıca, Nb3X bileşikleri için hesaplanan fonon modları, önceki deneysel sonuçlarla yüksek uyum göstermiş ve hesaplamalarımızın doğruluğunu kanıtlamıştır. Düşük frekanslı fonon modlarının elektron-fonon etkileşim parametresine daha fazla katkı sağladığı ve Nb3X bileşiklerinin tamamı için Nb atomlarının süperiletkenlik oluşumunda baskın bir rol oynadığı tespit edimiştir. En büyük elektron-fonon etkileşim parametresine ilk olarak Nb3Ge'nin daha sonra Nb3Pt'nin sahip olduğu ve diğer bileşiklerin bu ikisine kıyasla çok daha küçük değerler aldıkları görülmüştür. Elektron-fonon etkileşim parametresi ve N(EF) değerleri arasındaki fark Nb3Ge ve Nb3Pt ile diğer bileşikler arasındaki süperiletkenlik sıcaklıklarının neden çok farklı olduğunu ortaya koymaktadır. Nb3X bileşiklerinin Tc değerleri elde edilmiş ve deneysel değerlerle mükemmel bir uyum içinde olduğu görülmüştür.