Electro-magnetic properties and phononic energy dissipation in graphene based structures

Grafen olarak adlandırılan grafitin tek atom kalınlığındaki düzlemsel bal peteği yapısının sentezlenmesiyle kütlesiz Dirac fermiyonu davranışı ve Fermi seviyesini lineer olarak kesen elektronik bantların yolaçtığı etkiler aktif araştırmaların odağı haline geldiler. Bu tezde grafen tabanlı yapılarda elektronik ve manyetik özelliklerle fononik enerji yitimi teorik olarak incelenmiştir. İlk olarak grafen yapıların 3d-geçiş elementleriyle (GE) işlevselleştirilmesi incelenmiştir. Bağlanma enerjileri, elektronik ve manyetik özellikler GE'lerin grafenin hem tek hem çift tarafına bağlandığı durumlar için hesaplanmış; bağlanma enerjilerinin GE'ye ve kaplama yoğunluğuna bağlı olarak 0.10 eV ile 1.95 eV arasında değiştiği bulunmuştur. GE bağlanmış grafen, manyetik metal özelliği göstermektedir. GE'lerin `armchair' kenar şekline sahip grafen nano-şeritlere (AGNŞ) bağlanması da incelenmiş; incelenen bütün şerit genişlikleri ve geçiş elementleri için en düşük enerjili durumun GE'lerin kenardaki altıgenlere bağlanmasıyla sağlandığı bulunmuştur. Çıplak hallerinde manyetik özelliği olmayan ve birer yarı-iletken olan AGNŞ'ler, GE bağlandığında şerit genişliği ve GE türüne bağlı olarak ferromanteyik veya antiferromanyetik olabilmekte, metalize olabildikleri gibi yarı-iletken durumlarını koruyabilmektedirler. Bazı AGNŞ'ler Fe veya Ti bağlanmasıyla Fermi seviyesinde %100 spin polarizasyonu göstererek yarı-metal özelliği kazanabilmektedirler. Bu sonuçlar grafen ve AGNŞ'lerin elektronik ve manyetik özellklerinin 3d GE bağlanmasıyla önemli değişiklikler gösterdiğini ortaya koymaktadır. İkinci olarak değişik kalınlıklara sahip zigzag kenar şekline sahip grafen nano-şeritlerin (ZGNŞ) periyodik olarak tekrarlanmasıyla oluşturulan hetero-yapıların çoklu kuvantum kuyuları oluşturduğu gösterilmiştir. Bu kuyularda farklı spin yönlerindekikenar durumları hapsolabilmekte, dolayısıyla ZGNŞ'nin elektronik ve manyetik özellikleri gerçek uzayda değişimler gösterebilmektedir. Ayna simetrisininvarolmadığı geometrilerde ZGNŞ'nin taban durumu antiferromanyetikten ferrimanyetiğe dönüşmektedir. Değişik geometrilere sahip bu kuvantum yapılar spintronik uygulamalar için yeni bir zemin sunmaktadır. Üçüncü olarak, sonlu bir AGNŞ'nin kalınlığı modüle edilmiş, kuvantun taşınım hesaplamalarına dayanarak bu yapılarda çift bariyerli resonant tünelleme etkisinin varlığı gösterilmiş ve bu yapılar bir aygıt uygulaması olarak önerilmiştir. Dar kısımlar tünelleme bariyeri gibi davranarak en yüksek enerjili dolu seviye ile en düşük enerjili boş seviye kalın bölgeye hapsolmuştur. Enerji seviyesi diyagramı ve eşyoğunluk yüzey grafikleriyle tespit edilen hapsolmuş seviyeler iletkenlik grafiğinde sivri piklere sebep olmaktadır. Son olarak, yerel atomik titreşimlerin alttaşa yayılımının dinamiği incelenmiştir. Bir alttaş ve onunla zayıf olarak etkileşen uyarılmış bir nano-parçacıktan oluşan bir model sistem ele alınmış; üç farklı metod ile değişik etkileşim tipleri, alttaş için değişik boyutlar ve değişik fonon durum yoğunlukları farzedilerek enerji yitiminin dinamiği incelenmiştir. Bu analizlerin sonuçları uyarılmış bir benzen molekülünden grafen yüzeye enerji yitimini konu alan gerçekçi bir sistemde titreşim modları ve etkileşim sabitleri ilk prensiplerden hesaplanarak sınanmıştır.