Synthesis and characterization of novel ternary transition metal borides and new synthesis methods for superhard ReB2 and clathrate of Type-I

Bu yüksek lisans çalışması üçlü metal borürleri, aşırı sert (superhard) renyum diborür ve tip-I klatratlarının sentez ve karakterizasyonu olmak üzere üç bölümden oluşmaktadır. Bu çalışmanın ilk bölümünde üçlü metal borürlerin, Ta-Co-B, Ta-Ni-B, Ta-Re-B, Nb-Re-B, Hf-Ni-B, Ta-La-B ve Re-Ni-B, ark eritme tekniği ile sentez ve karakterizasyonları çalışılmıştır. Bütün fazların karakterizasyonu X-ışını toz kırınım metodu ile yapılmıştır. Ta3Re3B4 fazı baz alınarak tantalum atomları niobium ile değiştirilmiş ve Nb3Re3B4 `yeni' üçlü bileşiği elde edilmiştir. Re-Ni-B üçlü fazı hariç, bütün fazlarda yeni üçlü metal borür oluşumu bilindik ikili faz oluşumu ile birlikte gözlenmiştir. Yeni üçlü metal borür oluşumu Re/Ni/B un 1:1:1 oranında bileşimi ile elde edilmiştir. Optik mikrograf ölçümleri iki tane üçlü faz olduğunu ve EDXS ölçümleri de bir fazın renyum zengin diğerinin ise nikel zengin olduğunu göstermiştir. WDXS ile renyum zengin fazdan yapılan kuantifikasyon ölçümleri Re20Ni3B11 kompozisyonunu vermiştir. Bu bilgi kullanılarak nikel zengin fazın kompozisyonu ReNi6.67B4 olarak belirlenmiştir. Aynı bileşik kurşun eriği içerisinde Re:Ni:B = 1:1:1 olarak da sentezlenmiştir.Bu çalışmanın ikinci bölümde aşırı sert (superhard) renyum diborürün sentezi ve karakterizasyonu incelenmiştir. Yapılan çalışmada, ReB2 ilk defa kurşun eriği içerisinde 1073 K de sentezlenmiştir ve bu sıcaklık literatürde verilen ReB2 sentez sıcaklıklarının en düşüğüdür. Aynı çalışma, benzer bir çalışmaya kıyasla, sadece reaksiyon sıcaklığını düşürmemiş aynı zamanda reaksiyon süresini (12 saatten 5 saate) ve reaksiyona giren kimyasalların mol oranlarını (Re/B/Eriyik (flux) Metali oranları 1:2:50 iken 1:2:10) da dramatik ölçüde azaltmıştır. Elde edilen maddenin karakterizasyonu toz X-ışını kırımın (X-ray powder diffraction; XRPD) metodu ve indüktif olarak çiftleşmiş plazma/optik emisyon spektroskopisi (ICP-OES) ile yapılmıştır. ICP-OES sonuçlarına göre sentezlenen bileşiğin kompozisyonu 1:1.98 dir ve bu ideal orandan, 1:2, çok az bir sapma gösterir. Sistemin herhangi bir kurşun katkısını barındırmadığı ICP-OES ve energy dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDXS) ile kanıtlanmıştır. Elde edilen maddenin 1373 K e kadar olan termal dayanıklılığı diferansiyel termal analiz (DTA) ölçümü sonucu bulunmuştur. Sentezlenen maddenin kristalit boyutu Hall-Williamson metodu ile 933 nm olarak tespit edilmiştir. Bilyeli freze (Ball-milling) metodu ile bu değer 344 nm ye çekilmiştir. ReB2 sentezi için daha önce literatürde rastlanmamış bir metot, mikrodalga indüktif plazma, önerilmiştir. Elementlerin direk bileşimi ve hidrojen plazması (1200 W, 30 dakika) tercih edilmiş ve ReB2 oluşumu ile birlikte yeni bir faz tespit edilmiştir. ReB2 ve yeni fazın karakterizasyonu XRPD ile yapılmıştır. Oluşan fazın kullanılan amorf bordaki safsızlıktan gelmediğini kanıtlamak için elemental bor iki farklı metot ile sentezlendi: Metallo-termal (Mg safsızlığı) ve diboran dekompozisyonu. İki farklı türde sentezlenen borla da aynı faz oluşumu gözlendi. Diferansiyel termal analiz sonuçlarına göre elde edilen yeni faz 948 K de ReB2 ve elementel bora dekompoze oluyor. Bu nedenle, yeni fazın sentezi sadece mikrodalga indüktif plazma gibi soğuk sentez imkânı ve yüksek reaksiyon hızı sağlayan bir sistem ile mümkün oldu. Daha önceki çalışmalarda ReB2 sentezinin ark eritme metodu ile yapılabildiği belirtilmiş ancak atomik oranlar verilmemiştir. Ark eritme sentezi sırasında buharlaşan bor nedeni ile ReB2'ın ark eritme ile sentezi stokiyometrik değerler ile mümkün değildir. Bu nedenle, sistematik bir çalışma ile kullanılması gereken atomik oranlar tespit edilmiştir. Re/B un 1:4 atomik oranından başlayarak 1:7 ye kadar olan alanda ReB2 sentezlenebilmiştir. Çalışmanın karakterizasyonu XRPD ile yapılmıştır.Bu çalışmanın üçüncü bölümünde, Klatrat-I bileşiği olan K8Ge44?2 sentezi K4Ge9'dan başlayarak yeni iki metot ile gerçekleştirilmiştir: amonyak içerisinde ve mikrodalga indüktif plazma ile. İki sentezde de elementel germanyum oluşumu ile birlikte gözlenmiştir. Çalışmada hidrojen plasma tercih edilmiş ve en az elementel germanyum ve en çok klatrat oluşumu 600 W güç ve 40 dakika reaksiyon süresinde gözlenmiştir.