On the strain in silicon nanocrystals

Bu Tez'de camsı silisyum dioksidin (a-SiO$_2$) içine gömülü silisyum nano örgülerin (Si-NÖ) atomik mekanizmalarının ve nano örgü (NÖ) oksit arayüzünün kimyasal özelliklerinin anlaşılmasına yönelik çalışmalarımızı sunuyoruz. Silisyum nano örgülerinin yapılarını belirleyebilmek çözülmeyi bekleyen önemli bir teknolojik problemdir. Bu amaçla, başlangıç olarak silisyum nano örgülerin oksit içinde tavlama sırasında oluşumunu modelledik. Ardından Si-NÖ/a-SiO$_2$ arayüzünün kimyasını anlamak için, benzetim sırasında kimyasal reaksiyonları da modelleyebilen bir potansiyel kullanarak moleküler dinamik (MD) benzetimleri yaptık. Sonuçlarımız Si-NÖ/a-SiO$_2$ arayüzünün sanıldığı gibi çift bağ ya da köprü bağ yapan oksijenlerden oluşmadığını bunun yanında, NÖ yüzeyinde üç bağlı oksijen komplekslerin varlığını da gösterdi.Gerilme nano yapıların optik ve elektronik özellikleri üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. a-SiO$_2$ içine gömülü Si-NÖ'lerdeki gerilme dağılımını atomistik düzeyde hesapladık. Çapları 3.2 nm'yi bulan NÖ'lerde yaptığımız hesaplarda şaşırtıcı sonuçlar elde ettik. NÖ çekirdeğinde düzenli bir sıkışmayı hem bağ uzunluklarında hem de gerilme dağılımında gözlemlememize karşın, NÖ yüzeyinin hemen altındaki Si-Si bağları oksit atomlarının etkisi ile uzarken aynı bölgenin \textit{sıkışma} şeklinde deforme olduğunu gözlemledik. Başta çelişkili gibi görünen bu iki sonuç, Si-NÖ'nün içine gömüldüğü a-SiO$_2$'in NÖ'yü düzensiz deforme ettiği gerçeği ile anlam kazanmaktadır. Bu düzensiz deformasyon sayesinde NÖ yüzeyinin hemen altında Si-Si bağları uzarken aynı bölgedeki gerilme dağılımı negatif karakterlidir.Titreşimsel durum yoğunluğu (TDY) Si-NÖ'lerin optik özelliklerini etkiler. Çalışmamızda TDY, hız korelasyon fonksiyonu (HKF) hesaplanması yoluyla elde edildi. HKF ise MD benzetimi sonucunda elde edilen atomların hız bilgileri kullanılarak hesaplandı. Bunun yanında MD benzetimi sonucu elde ettiğimiz her atomun hangi atomlarla bağ yaptığı hakkındaki bilgi sistemdeki atomları sınıflandırmamıza olanak verdi. Bu sınıflandırmayı kullanarak geliştirdiğimiz 'Renkli-HKF' yöntemi ile sistemdeki farklı özelliklerdeki atomların TDY'na katkılarını ayrı ayrı değerlendirdik. Bu sayede Si-NÖ çekirdeğindeki silisyum atomları ile Si-NÖ yüzeyindeki silisyum atomlarının TDY'na yaptığı farklı katkıları birbirinden ayırt edebildik. Böylelikle gerilmenin ve Si-NÖ/a-SiO$_2$ arayüzü kimyasının TDY üzerindeki etkisini inceledik.