CU esaslı intermetalik bileşiklerin nano boyutlarda teorik olarak incelenmesi

Bu çalışmada, Cu(3-x)MnxAl (x=0, 1) intermetalik bileşiklerinin yapısal ve elektronik özellikleri, Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (Density Functional Theory, DFT) tabanlı hesaplamalar kullanılarak detaylı bir şekilde incelenmiştir. Çalışmada, Cu bazlı intermetalik bileşiklerin kristal yapılarını ve elektronik özelliklerini anlamak amacıyla Genelleştirilmiş Gradyan Yaklaşımı (Generalized Gradient Approximation, GGA) çerçevesinde Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) değişim-korelasyon fonksiyoneli tercih edilmiştir. Bu yöntem, özellikle metalik sistemlerde doğruluk oranı yüksek sonuçlar vermesi nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Elektronik yapı analizleri kapsamında enerji bant yapısı (band structure), toplam ve kısmi durum yoğunluğu (density of states, DOS) ve yük yoğunluğu dağılım haritaları detaylı olarak incelenmiştir. Kristal yapı modellemeleri, Cu(3-x)MnxAl (x=0, 1) bileşiklerinin farklı atomik düzenlemeleri ve fazlarını göz önünde bulunduracak şekilde L12, D03 ve Heusler L21 konfigürasyonları altında gerçekleştirilmiştir. Bu yapılar, 221-Pm3m ve 225-Fm3m uzay gruplarında analiz edilmiş olup, farklı kristal sistemleri arasındaki temel yapısal farklar karşılaştırılmıştır. L12 ve D03 yapıları arasındaki stokiyometrik benzerlikler ve farklılıklar, bu çalışmada kapsamlı bir şekilde değerlendirilmiş olup, özellikle atomlar arasındaki bağ uzunlukları ve kafes parametreleri arasındaki ilişkiler detaylandırılmıştır. L21 Heusler yapısının ise manyetik özellikler açısından en baskın yapı olduğu görülmüştür. Bu bağlamda, Mn elementinin katkısının sistemdeki rolü daha yakından incelenmiş ve manyetik moment değerlerinin belirlenmesinde etkili olduğu gösterilmiştir. Mekanik özelliklerin analizi, Cu(3-x)MnxAl bileşiklerinin mühendislik malzemesi olarak kullanılabilirliği açısından büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla elastik sabitler, elastik modüller ve diğer mekanik parametreler hesaplanmıştır. Poisson oranı, elastik modüller, Pugh oranı, Cauchy basıncı ve elastik anizotropi parametreleri analiz edilerek bileşiklerin mekanik stabiliteleri hakkında detaylı bilgiler elde edilmiştir. Ayrıca, Young modülü, hacim modülü (bulk modulus) ve kayma modülü (shear modulus) gibi temel mekanik parametrelerin yön bağımlılığı incelenmiş ve bu bileşiklerin farklı yönlerde nasıl mekanik davranışlar sergilediği detaylı olarak değerlendirilmiştir. Tablolar incelendiğinde, en yüksek sıkıştırılabilirliğin en düşük yığın modülüne sahip olan L21 bileşiğinde gözlemlendiği belirlenmiştir. En yüksek kayma dayanımı L12 bileşiğine ait olup, aynı zamanda en büyük sertlik değeri de bu bileşikte kaydedilmiştir. Bu durum, L12 bileşiğinin en yüksek Young modülüne sahip olmasıyla tutarlıdır. Poisson oranı açısından değerlendirildiğinde, analiz edilen bileşikler arasında L12 bileşiği 0.33 değeri ile en yüksek kovalent bağlanma derecesini sergilemektedir. B/G (Pugh's) oranı incelendiğinde, üç bileşiğin de sünek davranış gösterdiği açıkça görülmektedir. Young modülü ile paralel olarak, en yüksek sertlik değeri L12 bileşiğinde gözlemlenirken, en düşük sertlik değeri D03 bileşiğinde kaydedilmiştir. Elde edilen veriler, literatürdeki önceki çalışmalarla uyumlu olup, bu bulgularla desteklenmektedir. Şekiller incelendiğinde, üç bileşiğin de tüm eksenleri boyunca küresellikten sapmalar sergilediği, dolayısıyla anizotropik özellikler taşıdığı görülmektedir. En belirgin sapma L21 bileşiğinde gözlemlenirken, en düşük sapma L1₂ bileşiğinde kaydedilmiştir. Bu sonuçlar, Evrensel Anizotropi İndeksi değerleriyle doğrudan örtüşmektedir. Bu çalışma, mekanik ve anizotropik özelliklerin kapsamlı bir şekilde incelenerek bileşiklerin yapısal özellikleriyle ilişkili olarak değerlendirilmesine katkı sağlamaktadır. DFT hesaplamaları sonucunda, Cu(3-x)MnxAl (x=0, 1) bileşiklerinin metalik özellikler sergilediği belirlenmiştir. Bant yapısı analizleri, bu bileşiklerin elektronik iletkenlik özelliklerini destekler nitelikte olup, Fermi seviyesinin üzerinde bulunan enerji seviyelerinde elektron yoğunluğunun belirgin olduğu görülmüştür. Durum yoğunluğu analizleri, sistemin toplam ve kısmi durum yoğunluğu bileşenleri ile değerlendirilerek, elementler arasındaki elektronik etkileşimlerin detaylı bir şekilde ortaya konmasını sağlamıştır. Mulliken yük popülasyonu ve bağ uzunlukları analizleri, bileşiklerin kimyasal bağ yapılarının belirlenmesinde önemli bir araç olarak kullanılmış ve metal-metal ile metal-metaloid bağlanma türleri hakkında detaylı bilgiler sağlanmıştır. Elde edilen teorik sonuçlar, literatürde rapor edilen deneysel verilerle oldukça yüksek bir uyum göstermektedir. Mekanik özellikler açısından yapılan analizler, bu bileşiklerin mekanik dayanımı hakkında önemli bulgular ortaya koymuştur. Elastik modüllerin hesaplanması sonucunda, bileşiklerin süneklik veya gevreklik özellikleri açısından belirgin farklar gösterdiği belirlenmiştir. Cauchy basıncı ve Pugh oranı analizleri, Cu(3-x)MnxAl (x=0, 1) bileşiklerinin sünek veya gevrek karakterde olup olmadığını belirlemek için kullanılmıştır. Ayrıca, elastik anizotropi parametreleri hesaplanarak bu yapıların farklı yönlerdeki mekanik stabiliteleri karşılaştırılmıştır. Manyetik özelliklerin analizi, özellikle Cu2MnAl (L21) Full Heusler bileşiği üzerinde yoğunlaşmıştır. Manyetik moment analizleri, Mn atomunun sistemdeki varlığının manyetik özellikleri belirlemede kritik bir rol oynadığını göstermektedir. Manyetik moment değerlerinin belirlenmesi amacıyla Spin Polarizabilite Analizi gerçekleştirilmiş ve Mn atomlarının d-elektronları ile Cu ve Al atomları arasındaki etkileşimlerin manyetik özelliklere nasıl katkıda bulunduğu ortaya konmuştur. Özellikle Mn içeriğinin artışıyla birlikte manyetik moment değerlerinin belirgin şekilde yükseldiği gözlemlenmiştir. Cu(3-x)MnxAl (x=0, 1) intermetalik bileşiklerinin farklı uzay gruplarında var olabilme ihtimali de bu çalışmada incelenmiştir. Cu3Al bileşiği doğal olarak uzay grubu 221'de daha kolay oluşmasına rağmen, aynı stokiyometrik bileşimi koruyarak daha karmaşık bir yapıya sahip olan uzay grubu 225'te de var olabilir. Literatürdeki mevcut çalışmaların büyük çoğunluğu uzay grubu 221 üzerine yoğunlaşmıştır. Bunun nedeni, uzay grubu 221'in daha düşük atom numarası gereksinimine sahip olması, daha kompakt bir yapı sergilemesi ve daha düşük oluşum enerjisine sahip olmasıdır. Bununla birlikte, 225 numaralı uzay grubunun oluşumu daha karmaşık koşullar gerektirdiğinden, literatürde bu yapı üzerine yapılan araştırmalar sınırlı kalmıştır. 225 numaralı uzay grubunun doğal oluşumunu sağlayan veya engelleyen laboratuvar koşullarının belirlenmesi, gelecekteki deneysel çalışmalarda dikkate alınması gereken önemli parametrelerden biridir. Bu bağlamda, Mn'nin dahil edilmesiyle L21 tipi bir yapı kazanan Heusler alaşımı Cu2MnAl'in sentezi ve analizi yapılmıştır. Ancak, gelecekte gerçekleştirilecek deneysel çalışmaların, uzay grubu 225'te D03 yapısına sahip Cu3Al bileşiğinin doğal oluşumunu desteklemek için laboratuvar koşullarının optimize edilmesine odaklanması gerekmektedir. Deneysel ürünlerin, teorik hesaplamalarla sistematik olarak karşılaştırılması, elde edilen bulguların güvenilirliğini artıracak ve literatürdeki mevcut teorik öngörüleri doğrulamak açısından önemli bir katkı sağlayacaktır. Sonuç olarak, bu tez çalışması, Cu(3-x)MnxAl (x=0, 1) intermetalikn bileşiklerinin ileri mühendislik uygulamaları için önemli malzeme adayları arasında yer aldığını göstermektedir. Özellikle elektronik ve manyetik özellikleri açısından bu bileşiklerin detaylı olarak analiz edilmesi, gelecekte yapılacak deneysel çalışmalar için önemli bir referans kaynağı oluşturacaktır. Mn katkısının manyetik ve elektronik özellikler üzerindeki etkisinin daha kapsamlı bir şekilde araştırılması, bu bileşiklerin manyetik depolama, spintronik ve termoelektrik uygulamalarda kullanım potansiyelini ortaya koyacaktır. Ayrıca, kristal yapıların uzay grubu dönüşümlerinin detaylı olarak incelenmesi, bu bileşiklerin sentez süreçlerini optimize etmeye yönelik önemli bilgiler sağlayacaktır. Bu bağlamda, deneysel ve teorik çalışmaların birlikte yürütülmesi, Cu bazlı intermetalik bileşiklerin mühendislik uygulamalarında daha yaygın olarak kullanılmasına olanak tanıyacaktır.