Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mikro ve Nanoteknoloji Anabilim Dalı

Covalent and non-covalent functionalization of graphene for application in catalysis and device technology: A first principles computational study

Kataliz ve cihaz teknolojisi uygulamaları için grafenin kovalent ve kovalent olmayan şekilde işlevselleştirilmesi: İlk-ilkeler hesaplama çalışması

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 461960 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

In the past few decades, nanomaterials have received increasing attention in various applications such as drug delivery, sensors, hydrogen storage and solar cells. This thesis focuses on the theoretical exploration of pristine and defective graphene in order to highlight the functionalization potential with the use of a wide variety of molecules such as benzene (C6H6), toluene (C7H8), fluorobenzene (C6H5F), benzonitrile (C7H5N) , benzoic acid (C7H6O2), and boron (B) atom. The structures as well as electronic properties of these graphene based nano structures are investigated in detail using first-principle calculations using planewave pseudopotential method based on density functional theory (DFT). In order to understand the effect of different van der Waals (vdW) dispersion forces on structural and electronic properties, the adsorption of C6H6 and C7H8 on pris- tine and defective graphene are investigated with three different exchange-correlation functionals namely vdW-DF, vdW-DF2-C09 and Grimme-D2. This study reveals that the vdW-DF2-C09 exchange-correlation protocol for the vdW interactions produces the closest agreement with literature. Furthermore, the adsorption of C6H6 and C7H8 is investigated on bilayer graphene to understand the effects of number of layers on adsorption characteristics. This study reveals that the presence of the second layer increases the adsorption energy by approximately 70 meV for both molecules. Following the exploration of the interaction of pristine graphene and its derivatives with C6H6 and C7H8, boron (B) is introduced in the graphene network with mono and divacancy defect to controllablly engineer the electronic properties of graphene. A systematic study for the magnetization characteristics is demonstrated where the resulting magnetization of B-doped vacancy-defected graphene (BVG) is 0.9 μB per cell while it is 0 μB per cell for B-doped divacancy-defected graphene (BDG). For the electronic properties, we show the role of B concentration and position on charge transfer and band structure. The band gap opening increases with the increased concentration of B while graphene sheet becomes p-doped with B as a dopant. Finally, we focus on organic adsorbates for additional control of the electronic properties of BVG. C6H6, C7H8, C6H5F, C7H5N, and C7H6O2 are studied with different adsorption geometries. C6H5F and C7H6O2 are found to adsorb through weak vdW interactions, C7H5N molecules are observed to form strong covalent bonds with the atoms surrounding the defect, and in particular the B atoms. Different bond formation characteristics are observed resulting in phenyl (C6H5) and benzaldehyde (C7H6O) formation. The charge transfer analysis indicate the fact that organic adsorbates donate electron resulting in positively charged species at the end of calculations.

Summary:

Son birkaç on yılda, nanomalzemeler ilaç salınımı, sensörler, hidrojen depolama ve güneş pilleri gibi çeşitli uygulamalarda artan bir ilgi görmektedir. Bu tez, benzen (C6H6), toluen (C7H8), florobenzen (C6H5F), benzonitril (C7H5N), benzoik asit (C7H6O2), ve boron (B) atomu gibi çok çeşitli moleküllerin kullanımı ile işlevselleştirme potansiyelini vurgulamak için bozulmamış ve kusurlu grafenin teorik araştırılması üzerine odaklanmaktadır. Grafene dayalı nano yapıların yapıları ve elektronik özellikleri, yoğunluk fonksiyonel teorisine (YFT) dayalı düzlem dalga sanki potansiyel metodu kullanılarak ilk-ilkeler hesaplamaları kullanılarak detaylı olarak incelenmiştir. Farklı van der Waals (vdW) dağılma kuvvetlerinin yapısal ve elektronik özelliklere etkisini anlamak için, C6H6 ve C7H8'in bozulmamış ve kusurlu grafene adsorpsiyonu vdW-DF, vdW-DF2-C09 ve Grimme-D2 olmak üzere üç farklı değişim-korelasyon fonksiyonu ile araştırılmıştır. Bu çalışma, vdW etkileşimleri için vdW-DF2-C09 değişim-korelasyon protokolünün literatür ile en yakın sonucu ürettiğini ortaya koymaktadır. Ayrıca, tabaka sayılarının adsorpsiyon karakteristiğine etkilerini anlamak için iki katmanlı grafen üzerinde C6H6 ve C7H8'lerin adsorpsiyonu araştırılmıştır. Bu çalışma, ikinci katmanın varlığının, adsorpsiyon enerjisini her iki molekül için de yaklaşık olarak 70 meV arttırdığını ortaya koymaktadır. Bozulmamış grafen ve türevlerinin, C6H6 ve C7H8 ile etkileşiminin araştırılmasını takiben, grafenin elektronik özelliklerini kontrol edebilmek için grafen ağına, tek ve çift boşluk kusuru ile birlikte boron (B) verilir. B-katkılı ve tek boşluk kusurlu grafenin (BVG) sonuçlanan manyetizasyonunun hücre başına 0.9 μB iken B-katkılı çift boşluk kusurlu grafen (BDG) için bu değerin hücre başına 0 μB olarak hesaplandığı manyetizasyon özellikleri için sistematik bir çalışma gösterilmiştir. Elektronik özellikler için, B konsantrasyonunun ve konumunun yük aktarımı ve bant yapısı üzerindeki etkilerini gösteriyoruz. Bant aralığı, artmış B konsantrasyonuyla birlikte artarken, grafen p-katkılı hale gelir. Son olarak, BVG'nin elektronik özelliklerinin daha ileri kontrolü için organik adsorbantlara odaklanılmıştır. C6H6, C7H8, C6H5F, C7H5N, ve C7H6O2 farklı adsorpsiyon geometrileri ile incelenmiştir. C6H5F ve C7H6O2'lerin zayıf vdW etkileşimleri vasıtasıyla adsorbe edildiği, C7H5N moleküllerinin ise kusuru çevreleyen atomlar ve özellikle B atomları ile kuvvetli kovalent bağlar oluşturduğu gözlenmiştir. Fenil (C6H5) ve benzaldehit (C7H6O) oluşumuna neden olan farklı bağ oluşum özellikleri gözlemlenmiştir. Yük transferi analizi, hesaplamaların sonunda pozitif yüklü türler oluşturan organik adsorbatların elektron bağışı yaptığını göstermektedir.