Metal kalkojenlerin kızılötesi dedektörlerde ve lityum-iyon bataryalarında kullanabilirliğinin araştırılması

Abstract

Son yıllarda görünür bölgede sahip oldukları yasak enerji bant aralıkları sebebiyle metal kalkojen (MX; M=Metal ve X=Kalkojen atomu) bileşenleri teknolojide kendine sağlam bir yer edinmiştir. Özellikle çoğu MX bileşeni üç boyutlu haldeyken doğrudan olmayan bant aralığına sahip iken bu malzemelerin düşük boyutlu durumları doğrudan bant aralığına sahip yarı iletkenlere dönüşmektedir. Bu özellik onları optik veya elektronik aygıt yapımında bir adım öne çıkarmaktadır. ˙ Iki boyutlu MoS2’nin yüksek lityum depolama özelliğinin deneysel olarak kanıtlanması ve yine MoS2 nanoparçacıklarının teorik ve deneysel olarak elde edilmesi bu tez konusunun motivasyon kaynağını oluşturmuştur. Bu nedenle tez çalışmasında metal di- ve tri-kalkojenlerin elektronik ve optik özellikleri temel ilkeler hesaplamalarına dayalı yoğunluk fonksiyoneli teorisi (YFT) yardımı ile incelenmiştir. Bu yapılara ek olarak, iki boyutlu BN, AlN, BSb, silisen, arsenen gibi yapıların fiziksel ve kimyasal özellikleri ele alınmıştır. Lityum atomunun tek tabaka MX2 (M=Mo, W ; X=O, S, Se, Te) bileşenleri üzerine tutunma enerjileri hesaplanmış ve 1.42 eV ile 3.10 eV arasında değişen yüksek tutunma enerjileri elde edilmiştir. Tabaka üzerinde difüz edebilmesi için gerekli olan minimum enerji değerleri 0.158 eV ile 0.282 eV arasında ve atomların hareketliliğinin belirteci olan difüzyon katsayısı değerleri de pek çok karbon içeren materyalden veya 2H-MoSe2’den 102 ile 105 mertebesinde daha büyük olarak hesaplanmıştır. Lityum atom sayısı yapılar üzerinde kademeli olarak artırılarak atom başına tutunma enerjisi eğrileri elde edildi. Ayrıca MoS2(x−1)Se2x (x=0.33, 0.67, 0.83) metal kalkojen alaşımlarının lityum-iyon bataryalarında kullanılabilirliği araştırıldı. Lityum atomu MoS2 ve MoSe2’ye molibden atomu üzerinden tutunurken, MoS2(x−1)Se2x alaşımlarında lityum atomu yapıya Mo-S bağı üzerinden bağlanmaktadır. NEB hesaplamaları ile elde edilen, lityum atomunun yapı üzerinde difüz etmesi için gerekli olan enerji bariyeri değerleri yapıların lityum iyon bataryalarında kullanılabileceğini göstermiştir. Bu tez çalışmasında aynı zamanda literatürde bilinen hegzagonal veya tetragonal metal dikalkojenler yapısında kararlı olmayan, Peierls distorsiyonu ile kararlı hale gelen yeni RuS2 ve RuSe2 metal dikalkojenlerinin varlığı teorik olarak ortaya konuldu. Elde edilen yeni yapıların mekanik, dinamik ve termal kararlılık testleri yapıldı veyapılarınoda sıcaklığı ve üzerinde varolabileceği gösterildi. Tektabaka RuS2 ve RuSe2’nin HSE06 hesaplamaları ile görünür bölgede bant aralığına sahip yarıiletken malzemeler olduğu fakat iki ve üç tabakalı yapıların bant aralıklarının kızılötesi bölgeye düştüğü bulundu. TiX3 (X=S,Se,Te)metaltri-kalkojenlerinin ve bunların alaşımlarının elektronik ve optik özellikleri incelendi. Sülfür ve selenyum atomlarının karışımı ile oluşturulan alaşımlar yakın kızılötesi bölgede yer alan bant aralıklarına sahip iken TiS3 veya TiSe3 içine tellür atomu katıldığı zaman tüm yapıların metal ya da yarı metal özellik gösterdiği bulunmuştur. Elde edilen sonuçlar atomik boyutlarda lityumun metal dikalkojenlere ve alaşımlarına nasıl bağlandığı hakkında önemli bilgiler vermiştir, bu sonuçlar lityum-iyon bataryalarının geliştirilmesine ve lityum pillerinin verimliliğinin artırılmasına teorik olarak katkı sağlayacak niteliktedir. Ayrıca teorik olarak önerilen yeni metal kalkojenlerin sahip oldukları bant aralıkları nedeniyle opto-elektronik malzemelerde ve kızılötesi dedektörlerde kullanılabilirliği gösterilmiştir.

In recent years, metal chalcogenides (MX; M=Metal and X=Chalcogens) have taken a solid place in the technology due to their band gaps in the visible region. In particular, while many MX composites have indirect band gap in their three dimension forms, it can turn to direct band gap for their low dimensional forms. This feature takes them one step forward in making optical or electronic devices. Experimental demonstration of the high lithium storage capacity of two-dimensional MoS2 and the theoretical and experimental acquisition of MoS2 nanoparticles have generated the motivation for this thesis topic. Therefore, in this thesis, the electronic and optical properties of metal di- and tri-chalcogenides have been investigated with the help of density function theory (DFT) based on first-principles calculations. In addition to these structures, physical and chemical properties of two dimensional structures such as BN, AlN, silicene, arsenene are discussed. Adsorption energies of lithium atom on the MX2 (M=Mo, W ; X=O, S, Se,Te)monolayer were calculated and high adsorption energies ranging from1.42 eVto3.10eVwereobtained. The minimum energy values required for diffusingon the layer are in the range of 0.158 eV to 0.282 eV and diffusion coefficient values are higher than nanocrystalline 2H-MoSe2 or in different carboneous materials on the order of 102-105. The number of lithium atoms was gradually increased over the structures to obtain the adsorption energy curves for peratom. We also investigated the availability of MoS2(x−1)Se2x (x=0.33, 0.67, 0.83) metal chalcogen alloys in lithium-ion batteries. We find that the Li adatom is attached to MoS2 and MoSe2 monolayers via a molybdenum atom, while Li moves through the Mo-S bond for MoS2(x−1)Se2x alloys. NEB calculation results show that their energy barriers make them suitable for using in lithium-ion batteries. In this thesis, the existence of new RuS2 and RuSe2 metal dichalcogenides stabilized by Peierls distortion, which is not stable in the structure of hexagonal or tetragonal metal di-chalcogenides known in the literature, is theoretically presented. The mechanical, dynamical and thermal stability tests of the new structures were performed and it was shown that the structures could be at room temperature and above. The single layer RuS2 and RuSe2 were found to be

semiconducting materials with a band gap in the visible region with HSE06 calculations, but the band gaps of the two- and three-layer structures decrease to the infrared region. The electronic and optical properties of TiX3 (X=S, Se, Te) metal tri-chalcogenides and their alloys have been investigated. Alloys formed by a mixture of sulfur and selenium atoms have band gaps in the near infrared region, whereas when incorporated into TiS3 or TiSe3 tellurium atoms are found to have all metal or semi-metal properties. The results have provided important information on how lithium is bound to metal dichalcogenides and their alloys in atomic dimensions, and these results will contribute theoretically to the development of lithium-ion batteries and to the efficiency of lithium batteries. In addition, it has been demonstrated that the theoretically recommended new metal dichalcogenides can be used in optoelectronic materials and infrared detectors due to their