Element yüklenmiş grafen yapılarının özelliklerinin yoğunluk fonksiyoneli teorisi (DFT) ile incelenmesi

Son derece yüksek kristal ve elektronik kaliteye sahip olan grafen, yalnızca bir atom kalınlığında olan malzemelerin yeni bir sınıfını temsil etmektedir. Grafen, iki boyutlu bal peteği örgü içerisine sıkıca paketlenmiş karbon atomlarının düz tek tabakasına verilen isimdir. Grafenin yüksek termal ve elektriksel iletkenliği, yüksek mekanik mukavemeti, geniş spesifik yüzey alanı, termal kararlılığı ve kimyasal dayanıklılığı gibi üstün özellikleri katman sayısı değiştikçe ve yapısına başka elementler katıldıkça değişmektedir. Böylelikle yeni oluşan grafenin özellikleri çok daha farklı olmakta ve çok farklı amaçlar için kullanılabilmektedir. Bu yeni yapı ve özelliklerdeki grafenin mikro elektriksel cihazlar, lityum iyon pilleri, güneş pilleri, transistörler, biyosensörler ve biyoelektronikler, nano elektronikler, elektronik kâğıt ve bükülebilir iletişim cihazları gibi hızlı, esnek ve sağlam tüketici elektroniği ürünleri üretimi gibi birçok alanda kullanımının olması beklenmektedir. Ancak yeni oluşan grafenin bu özelliklerinin neden değiştiğinin deneysel olarak belirlenmesi oldukça zor olup bu amaçla kuantum kimyasal yöntemler devreye alınmaktadır. Literatürde bazı elementler grafen yapısına yüklenmiştir. Bu yükleme işlemi bazı elementler için ikili şekilde ve çok az sayıdaki bir kaç element için ise üçlü bir şekilde yapılmıştır. Bu çalışmanın amacı Ga, Ge, P, Si, Al yüklü grafen yüzeylerinin temel özelliklerinin dünyada birçok üniversite ve endüstri kuruluşunun çok önem verdiği kuantum kimyasal hesap yöntemlerinden biri olan DFT (Density Functional Theory - Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi) yardımıyla tespit edilerek incelenmesine yöneliktir. Bu çalışma ile dünyada yaygın bir şekilde çalışılmasına karşın ülkemizde az çalışılan kuantum kimyasal metotlarla yapılan malzeme modellemesi ve özelliklerinin belirlenmesi konulardaki çalışmalar açısından, çeşitli elementlerin yüklemesinin grafen yapısına nasıl bir etkisinin olacağı araştırması ile ülkemizin bilim dünyasına ve literatürüne bir katkı vermesi ve olası deneysel çalışmalara öncülük etmesi amaçlanmıştır. Tez kapsamında yapılan bu kuantum kimyasal hesaplarda WB97XD/6-31G(d,p) metodu kullanılmıştır. Tek tabaka olarak tasarlanan grafen yapıları üzerine element yükleyerek yapılan kuantum kimyasal yöntemlerle elde edilen yapısal, elektriksel, kimyasal ve optik gibi özellik verileri karşılaştırılıp ve grafenin yapısının özelliklerinde nasıl bir değişiklik yaptığı belirlenmiştir. Bu verilerle grafenin temel özelliklerinin (yapısal, kimyasal, mekanik, elektronik, optik, manyetik) araştırılması hedefine kuantum kimyasal hesaplar yardımıyla ulaşılmış olundu. Böylelikle deneysel olarak belirlenmesi güç olan element yüklemesi ile grafen yapısında meydana gelen değişimin neden kaynaklandığı kuantum kimyasal yöntemlerle belirlenmiş olundu. Bu sayede elde edilecek verilerle element yüklenmiş grafen yapıların sensörler, transistörler, iletkenler gibi olası kullanım alanları hakkında bir öngörü yapılabilmiştir. Bu çalışmada tekli yükleme ile yapılan çalışmalara nazaran üçlü yükleme ile yapılan çalışmaların grafenin özelliklerini büyük ölçüde değiştirmesi ve yapının cihazlardaki kullanımını etkili hale getirmiştir. Ga-P-Ga kombinasyonuyla yüklenmiş grafen yapısı hariç diğer tüm kombinasyonlarda (Ga-Ga-Ga, Ge-Ge-Ge, P-P-P, Si-Si-Si, Al-Al-Al, Ga-Ga-Ge, Ga-Ga-Si, GaGaAl-GaAl-Ga, GeGeGa-GeGaGe, GeGeP-GePGe, GeGeSi, GeGeAl-GeAlGe, P-P-Ga, P-P-Ge, P-P-Si, P-P-Al, SiSiGa-SiGaSi, Si-Ge-Si, Si-P-Si, Si-Si-Al, AlAlGa-AlGaAl, Al-Al-Ge, Al-Al-P, Al-Al-Si, Ga-P-Ge, Ga-Ge-Si, Ge-Ga-Al, Ga-P-Si, P-Ga-Al, Ga-Al-Si, Ge-P-Si, Ge-P-Al, Si-Ge-Al, Si-P-Al) kimyasal sertliğini ifade eden HLG değeri azalmıştır. Yüklü grafen yapılarında sertlikte artış, sistemin daha istikrarlı bir konfigürasyona doğru hareketinde artış, elektronik yapıda daha yüksek kararlılık, yüksek kimyasal reaktivite, yüksek kimyasal potansiyel, düşük elektronegatiflik değeri, yüksek elektriksel iletkenlik meydana gelmiştir. Fermi seviyesindeki artışa bağlı elektron yoğunluluğunun artışının Si-Si-Si, Ga-Ga-Ge, Ga-Ga-Si, Ge-Ge-Si, P-P-Ga, P-P-Ge, P-P-Si, P-P-Al, Si-Ge-Si, Si-P-Si, Si-Si-Al, Al-Al-Ge, Ga-Ge-Si, Ge-Ga-Al, Ga-Al-Si, Ge-P-Si, Si-Ge-Al kombinasyonlarında görmekteyiz. Bu sonuçlar ve yüklenen farklı özelliklere sahip elementler sayesinde yeni çok amaçlı cihaz kullanımları için element yüklü grafenler tercih edilebilir.