Akademik Veri Yönetim Sistemi
Vatansever E., Ersan F.(Yürütücü), Akgenç B.
TÜBİTAK Projesi, 2020 - 2021
İki boyutlu malzemeler için yapılan çalışmalar 2004 yılında Novoselov ve Geim’in
hacimli grafiten tek katmanlı karbon atomlarından oluşan grafeni elde etmeleri ile birlikte
başladı ve yapılan çalışmaların sayısı üstel bir şekilde artarak devam ediyor. Hacimli halden
(bulk) iki boyuta (2D) doğru gidildikçe kuantum etkilerinin daha baskın olarak ortaya çıkması
ile malzemelerin hacimli hallerinde sahip olmadığı pek çok üstün özelliklerinin düşük
boyutlarda görüldüğü ortaya çıkarıldı. Böylece, pek çok malzemenin uygulamada ki kullanım
alanı çeşitlendi ve gelişti. 2D malzemelerin hacimli hallerine kıyasla sahip oldukları geniş yüzey
alanlarından dolayı, gaz sensörü, lityum depolama, suyun ayrıştırılması gibi pek çok
uygulamada üç boyutlu (3D) formları ile kıyaslandığında, daha iyi sonuç verdiği hem deneysel
hem de teorik olarak gösterildi. Günümüzde pek çok malzemenin iki boyutta da kararlı
olabileceği deneysel ve/veya teorik hesaplama yöntemleri ile kanıtlanmıştır.
Bazı geçiş metal atomlarının karbon ya da nitrojen atomları ile birlikte oluşturdukları
(metal karbür ya da metal nitrür) ve MXene olarak adlandırılan yeni nesil malzemelerin de iki
boyutta kararlı oldukları literatürde gösterilmiştir. MXene’lerin genel formülleri Mn+1Xn (n=1,2,3)
ile verilir. Burada M; geçiş metalini (Sc, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, vb.), X ise karbon ve/veya
azot atomlarını temsil etmektedir. MXene’lerin yüzeyleri genellikle -OH, -O veya -F gibi atom
grubu ya da atomları ile sonlandırılırlar. 2011 yılında W. Barsoum ve grubu tarafından yapılan
çalışmada, tabakalı yapıya sahip üç boyutlu Ti3AlC2 nin tabakaları arasındaki zayıf bağlar
hidroflorik asit (HF) yardımı ile koparılmış ve ilk defa iki boyutta titanyum karbür (Ti3C2) elde
edilmiştir. Günümüze kadar, 30 tanesi deneysel olmak üzere 100’den fazla MXene rapor
edilmiştir. MXeneler sahip oldukları yüksek elektriksel iletkenlikleri, mekanik özellikleri, biyo-
uyumluluğu, manyetik özellikleri gibi üstün özellikleri nedeniyle mekanik, termal, optik,
elektronik ve manyetik mühendislik uygulamalarında oldukça sık kullanılmaya ve araştırılmaya
başlanmıştır.
Özellikle, 2D manyetik malzemeler kuantum hesaplamalarda; mantık devrelerinde ve
bellek işlemlerinde, spintronik cihazlarda ve yük taşıyıcılarının dönme serbestlik derecesinin
değiştirilmesine dayanan herhangi bir elektronik cihazdaki potansiyel uygulamaları için arzu
edilen malzemelerdir. MXenelerin pek çoğu manyetik özelliğe sahip olduğu için literatürde
manyetik olmayan 2D malzemelere manyetik özellik kazandırmak için yapılan, boşluk kusuru
oluşturma, yabancı atom katkılama, çekme/sıkıştırma gerilimi gibi dış etkilere gerek
kalmamaktadır. Dolayısıyla, MXene’ler dışarıdan hiçbir müdahaleye gerek kalmadan sahip
oldukları yüksek manyetik özellikler (manyetik moment değeri, faz geçiş sıcaklığı vb.) ile diğer
pek çok 2D malzemeden farklı olarak, kendisine önemli bir yer edinmiştir.
2D malzemeler ile oluşturulan alaşımlarda 3D’den 2D’ye indirilen malzemelerde ortaya
çıkan benzersiz davranışlar gibi öngörülemeyen özellikler gösterebilmektedir. Örneğin,
literatürde Mo1-xWxS2, Mo1-xW xSe2, MoS2xSe2-2x gibi 2D alaşımların kararlılığı deneysel ve
teorik olarak kanıtlanmış ve yasak bant aralıklarının, optik özelliklerinin alaşım oranına bağlı
olarak değişimleri incelenmiştir. Literatür ışığı altında alaşımlar için elde edilen sonuçlar
incelendiğinde, alaşım malzemelerin özelliklerinin alaşım oranına son derece bağlı ve tahmin
edilemez olduğu gözlenmiştir. Bu sebeple, MXene tipindeki yapılar ile oluşturulacak olan
alaşımların sahip olduğu elektronik ve manyetik özellikleri ve bunların atom konsantrasyonu
ile nasıl değiştiği gibi soruların cevaplandırılması gerekmektedir. Bu amaç doğrultusunda, bu
proje kapsamında incelenecek olan bazı MXenelerin ve onların alaşımlarının elektronik ve
manyetik özelliklerinin katkı oranı ve katkı atomuna olan bağlılığı yoğunluk fonksiyoneli teorisi
(YFT) ve Monte Carlo (MC) simülasyonları kullanılarak araştırılmıştır. Elde edilen veriler, yeni
nesil manyetik düşük boyut teknolojisi çalışmalarında kullanılabilir niteliktedir.
Bu projede, ilk olarak The Theoretic Automated Toolkit (ATAT) programı ve özel yarı-
rastgele yapı (special quasi-random structure) yöntemi ile saf haldeki MXeneler arasındaki
yapısal faz geçişleri çalışılmıştır. Örneğin, 2D Cr2C den 2D V2C ye geçiş için yaklaşık 200 farklı
alaşım yapı oluşturulmuş ve termodinamiksel olarak en kararlı taban durumu alaşımları
belirlenmiştir. Taban durumu belli olan alaşımların aynı zamanda belirli bir sıcaklık altında da
kararlı oladuklarını göstermek için YFT kullanılarak moleküler dinamik hesaplamalar
yapılmıştır. Enerjitik ve ısısal kararlılığı ispatlanan MXene alaşımların elektronik özellikleri
(metal, yarı-iletken, yarı metal vb.) yine YFT hesaplamaları ile incelenmiştir. MXene
alaşımlarının her bir atomunun manyetik dipol moment büyüklüğü, manyetik atomları için spin-
spin etkileşim değerleri ve alaşımın manyetik anizotropi enerji
(MAE) değerleri YFT
hesaplamaları ile belirlenerek alaşımların faz geçiş sıcaklıkları MC simülasyonları ile
hesaplanmıştır. Böylece kararlı MXene alaşımları için katkı atomu ve katkı oranının bir
fonksiyonu olarak elektronik ve manyetik özelliklerindeki değişimler ve sebepleri ayrıntılı olarak
incelenmiştir. Ayrıca bu proje ile 2D tek tabakalı saf ve alaşım formundaki MXene yapılarının,
dış manyetik alan etkisi altındaki davranışları da MC simülasyon yöntemleri ile incelenmiştir.
Manyetizasyon, iç enerji, spesifik ısı ve manyetik duygunluk gibi termodinamik fonksiyonların
termal değişimleri, dış alan etkisi altında belirlenmiştir. Bunlara ek olarak, farklı sıcaklık
değerlerinde histeresiz eğrileri belirlenerek, alaşım türlerinin birbirlerine göre avantaj ve
dezavantajlari (kalıcı mıknatıslanma, koersivite değerleri vb.) araştırılmıştır.