Malzeme Bilimi ve Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı Tez Koleksiyonu
https://hdl.handle.net/20.500.12573/422
2024-03-29T08:12:47ZThe simulations of amorphous boron materials
https://hdl.handle.net/20.500.12573/1810
The simulations of amorphous boron materials
YILDIZ, Tevhide Ayça
Boron-based materials and their technological applications have great interests in many scientific and technological areas from materials science to medicine. This doctorate thesis was prepared for the purpose of investigating the atomic structure, electrical and mechanical properties of different boron based amorphous materials by using an ab-initio molecular dynamics technique. The results obtained via a computational method were presented in three main chapters. In the Chapter 3, the influence of hydrogenation on the atomic structure and the electronic properties of amorphous boron nitride (ɑ-BN) was examined. The structural evaluation of ɑ-BN and the hydrogenated (ɑ-BN:H) models revealed that their short-range order was mainly similar to each other. Hydrogenation suppressed the formation of twofold coordinated chain-like structures and tetragonal-like rings and leaded to more sp2 and even sp3 bonding. Furthermore, hydrogenation was found to have an insignificant impact on the electronic structure of ɑ-BN. Secondly, in the Chapter 4, an amorphous boron carbide (a-B4C) model was generated. The pentagonal pyramid-like motifs were found to be the main building units of B atoms in a-B4C and some of which yielded the development of B12 icosahedra. On the other hand, the fourfold-coordinated units were the leading configurations for C atoms. a-B4C was a semiconducting material and categorized as a hard material. In the Chapter 5, amorphous boron carbides (BxC1-x, 0.50x0.95) were systematically created. With increasing B/C ratio, more closed packed materials having pentagonal pyramid motifs form. All models were semiconducting materials. Some amorphous compositions were proposed to be hard materials. Keywords: Amorphous, Hydrogenation, Boron Nitride, Boron Carbide, Ab-initio molecular dynamics technique; Bor esaslı malzemeler ve teknolojik uygulamaları malzeme biliminden tıp alanına kadar birçok bilimsel ve teknolojik alanda büyük bir ilgi görmektedir. Bu doktora tezi, ab-initio moleküler dinamik tekniğini kullanarak farklı amorf bor malzemelerin atomik yapısını, elektronik ve mekanik özelliklerini incelemek amacıyla hazırlanmıştır. Hesaplamalı metot aracılığıyla elde edilen sonuçlar üç ana bölümde rapor edilmiştir. Bölüm 3'te, amorf bor nitrürün (ɑ-BN) atomik yapısı ve elektronik özelliklerine hidrojen eklemenin etkisi incelenmiştir. ɑ-BN ve dört farklı hidrojen konsantrasyonuna sahip ɑ-BN:H modellerinin yapısal değerlendirmeleri kısa erim düzenlerinin esas olarak birbirleriyle aynı olduğunu göstermiştir. Hidrojenasyon, iki kat koordinatlı zincir benzeri yapıların ve dörtgen benzeri halkaların oluşumunu baskılar ve daha fazla sp2 ve hatta sp3 bağı oluşmasına sebep olur. Ayrıca, hidrojenasyonun ɑ-BN'nin elektronik yapısı üzerinde önemsiz bir etkiye sahip olduğu görülmüştür. İkinci olarak, bölüm 4'te, amorf bor karbür (a-B4C) modeli oluşturuldu. B atomları için beşgen piramit benzeri motifler, a-B4C'deki ana yapı birimleridir ve bazıları B12 ikosahedralarının oluşumuna sebep olur. Öte yandan, dört kat koordinatlı birimler C atomları için önde gelen konfigürasyonlardır. a-B4C yarıiletken bir malzemedir ve sert malzeme olarak kategorize edilebilir. Bölüm 5'te, farklı B oranlarına sahip amorf bor karbür bileşikleri (BxC1-x, 0.50x0.95) oluşturulmuştur. Artan B/C oranıyla, beşgen piramit motiflerden oluşan daha kompakt malzemeler oluşur. Amorf bor karbür modellerin hepsi yarı iletken malzemelerdir. Bazı amorf bileşiklerin sert malzemeler olduğu önerilmiştir.. Anahtar Kelimeler: Amorf, Hidrojenleşme, Bor Nitrür, Bor Karbür, Ab-initio moleküler dinamik tekniği
2023-01-01T00:00:00ZThe boron-rich amorphous materials
https://hdl.handle.net/20.500.12573/1808
The boron-rich amorphous materials
KARACAOĞLAN, Ayşegül Özlem
In the scope of this thesis, boron-rich amorphous materials having different boron concentrations (B1-xNx, B1-xOx and B1-xSix) were created as a result of rapid cooling of their liquid state with the help of an ab initio molecular dynamics technique. Their structural, electrical and mechanical properties were exposed in detail. In all boron rich materials, the coordination number of B was found to increase steadily with increasing B content. Similarly N and Si atoms also attained high coordinated motifs with increasing B content. However, the coordination number of O atoms remained null for all compositions. Chemical segregations and hence phase separations were witnessed in most amorphous configurations. The materials with high boron ratios, as expected, consisted of B12 icosahedrons. In addition, the formation of nano-sized B7, B10, B14 and B16 clusters was observed in some boron-rich compounds. Each computer-generated material exhibited a semiconducting character. The mechanical properties (Bulk, Young and Shear moduli) were perceived to increase with increasing B content. Some amorphous compositions were proposed to be hard materials on the basis of their Vickers hardness estimation.; Bu tez kapsamında, ab inito moleküler dinamiği kullanılarak sıvı fazlarının hızlıca soğutulması sonucunda farklı bor oranlarına sahip bor zengini amorf malzemeler (B1-xNx, B1-xOx ve B1-xSix) modellenmiştir. Yapısal, elektriksel ve mekanik özellikleri ayrıntılı olarak incelenmiştir. Bor bakımından zengin tüm malzemelerde B'nin koordinasyon sayısının artan B içeriği ile birlikte istikrarlı bir şekilde arttığı bulunmuştur. Benzer şekilde N ve Si atomları da artan B içeriği ile birlikte yüksek koordinasyonlu motifler oluşturmuştur. Fakat O atomlarının koordinasyon sayısı bütün kompozisyonlar için sabit kamıştır. Çoğu amorf modellerinde kimyasal ayrışma ve dolayısıyla faz ayrımları görülmüştür. Yüksek bor oranlarına sahip amorf modeller, beklenildiği gibi, B12 ikosahedrallerden oluşmaktadır. Ek olarak, bazı bor-zengini malzemelerde nano-boyutlu B7, B10, B14 and B16 kümelerinin oluştuğu bulunmuştur. Her modellenen malzeme yarı iletken özellik göstermektedir. Mekanik özelliklerin (Bulk, Young and Shear modulü) artan B içeriği ile birlikte arttığı bulunmuştur. Bazı amorf kompozisyonların Vickers sertlik tahminlerine dayanarak sert malzemeler olduğu önerilmiştir.
2023-01-01T00:00:00ZNovel semiconducting materials for high-performance organic transistors and solar cells
https://hdl.handle.net/20.500.12573/1437
Novel semiconducting materials for high-performance organic transistors and solar cells
Can, Ayşe
In the first chapter, we review the historical and recent advances in the design and implementation of indenofluorene (IF)-based semiconductors in organic transistor and solar cell devices. In the second chapter, a series of n-type ambient-stable and solution- processable TIFDMT-based semiconducting molecules, β,β'-C8-TIFDMT, β,β'-C12- TIFDMT, and β,β'-C16-TIFDMT are reported. By utilizing alkyl chain engineering in TIFDMT-based molecules and semiconductor-dielectric interface engineering through PS-brush treatment onto the dielectric surface in their OFET devices, we optimize the semiconductors' morphologies and thin-film molecular packing motifs to attain high- performance OFETs. The PS-brush treated OFETs demonstrate high device performance with μe = 0.9 cm2/V.s and Ion/Ioff ratio = 107-108. In the third chapter, we demonstrate the design, synthesis, and characterizations of two novel meso-π-extended/-deficient BODIPY building blocks (2OD-T2BDY and 2OD-TTzBDY), a library of low band gap (Eg = 1.30-1.35 eV) donor-acceptor copolymers based on these building blocks, and the utilization of the D-A copolymers as donor materials in the bulk heterojunction organic photovoltaics. Power conversion efficiencies of up to 4.4% with a short-circuit current of 12.07 mA cm-2 are achieved. The findings of this thesis on molecular engineering and optoelectronic properties are unique and may provide critical insights into the future development of high performance materials for unconventional optoelectronics.; İlk bölümde, organik transistör ve güneş pili cihazlarında indenofloren (IF) bazlı yarı iletkenlerin tasarımı ve uygulanmasındaki tarihsel ve son gelişmeleri, ayrıca kimyasal yapı-moleküler özellikler-yarı iletkenlik ilişkilerini araştırdık ve raporladık. İkinci bölümde, bir dizi n-tipi havada kararlı ve çözelti ile işlenebilir TIFDMT-temelli yarı iletken moleküller olan β,β'-C8-TIFDMT, β,β'-C12-TIFDMT ve β,β'-C16- TIFDMT rapor edilmektedir. TIFDMT-temelli moleküllerde alkil zincir mühendisliğini ve OFET cihazlarında dielektrik yüzeye PS-fırça işlemi ile yarı iletken- dielektrik arayüz mühendisliğini kullanarak, yarı iletkenlerin morfolojilerini ve ince film moleküler istiflenme motiflerini iyileştirmeye çalışarak yüksek performanslı OFET'ler elde etmeye çalıştık. PS-fırça ile işlenmiş OFET'ler μe (maks) = ~ 0.9 cm2/V.s ve Ion/Ioff oranı = 107-108 elde ettik. Üçüncü bölümde, iki yeni mezo-π-genişletilmiş/-eksik BODIPY yapı bloklarının (2OD-T2BDY ve 2OD-TTzBDY) ve bu yapı taşlarına dayalı düşük bant aralılıklı (Örn: 1.30-1.35 eV) donör-alıcı kopolimerlerin sentezi, optoelektronik/fizikokimyasal karakterizasyonları ve toplu hetero-eklem organik fotovoltaiklerde donör malzeme olarak bu D-A kopolimerlerin kullanımı raporlanmaktadır. Bu OPV cihazlarından 12.07 mA cm-2 kısa devre akımıyla %4,4'e varan güç dönüştürme verimliliği elde edildi. Bu çalışma, π-alıcı BODIPY'leri için meso-π-genişletme stratejisinin bulunduğunu ortaya koymaktadır.
2022-01-01T00:00:00ZModelling and investigation of boron-based nanostructures
https://hdl.handle.net/20.500.12573/1433
Modelling and investigation of boron-based nanostructures
Tahaoğlu, Duygu
Polyhedral boron clusters and their applications have been subject to research in
many fields such as medicine, materials science, catalytic applications, energy studies,
etc. These molecules owe their popularity to their exceptional 3D stable structures, as
well as their various sought-after properties in many applications. This doctoral thesis
was prepared within the focus of a computational investigation of different polyhedral
borane and carborane clusters by using DFT methods. The results of our studies were
reported in two main chapters (Chapters 3 and 4). In the first part (Chapter 3), theoretical
evaluation of relative stabilities and electronic structure for [BnXn]
2− clusters were
provided. The structural and electronic characteristics of [BnXn]
2− clusters were examined
by comparison with the [B12X12]
2− counterparts with a focus on the substituent effects (X
= H, F, Cl, Br, CN, BO, OH, NH2). The effects of the substituents were discussed in
relation to their mesomeric (±M) and inductive (±I) effects. The results showed that the
icosahedral barrier can be reduced through substitution by destabilizing the [B12X12]
2−
cluster with symmetry-reducing ligands or ligands with +M effects rather than stabilizing
the larger clusters. In the second part (Chapter 4), the investigation of the photophysical
properties of carborane-containing luminescent systems was presented. The o-CB-Anth
system is known to exhibit a dual-emission property by radiating in the visible region
from two low energy conformations with local excited (LE) and hybridized local and
charge transfer (HLCT) characters, however, it shows a very low emission quantum yield
in solution state similar to many other CB-luminescent systems. In this section, the
excited-state potential energy surface (PES) of o-CB-Anth and o-CB-Pent were
investigated in detail and the effect of a low-lying CT on the low quantum yield was
discussed.; Çokyüzlü bor kümeleri ve uygulamaları tıp, malzeme bilimi, katalitik uygulamalar,
enerji çalışmaları vb. Birçok alanda araştıma konusu olmuştur. Bu moleküller,
popülerliklerini kararlı 3 boyutlu yapılarının yanında sahip oldukları, ve birçok uyglama
alanında aranan özelliklerine borçludur. Bu doktora tezi, farklı çokyüzlü boran ve
karboran kümelerinin yoğunluk fonksiyonu theorisi metotları kullanılarak hesaplamalı
olarak incelenmesi odağında hazırlanmıştır. Çalışmalarımızın sonuçları iki ana bölümde
rapor edilmiştir (Chapter 3 ve 4). Birinci bölümde, [BnXn]
2− kümelerinin bağıl
kararlılıklarının ve elektronik yapılarının teorik bir değerlendirmesi verilmektedir.
[BnXn]
2− kümelerinin yapısal ve elektronik karakterleri, [B12X12]
2− molekülleri ile
karşılaştırılarak, sübstitüent etkileri (X = H, F, Cl, Br, CN, BO, OH, NH2) incelendi. Bu
etkiler, substitüentlerin mezomerik (±M) ve endüktif (±I) etkileriyle ilişkilendirilerek
tartışıldı. Sonuçlar, ikosahedral bariyerin, daha büyük kümeleri stabilize etmek yerine
simetriyi azaltan ligandlar veya +M etkileri olan ligandlarla [B12X12]
2− kümesini
kararsızlaştırarak azaltılabileceğini göstermektedir. İkinci bölüm, karboran kümeleri ve
bunların ışık yayan sistemler üzerindeki etkileri çerçevesinde yaptığımız çalışmayı
kapsamaktadır. o-CB-antrasin sisteminin, yerel uyarılmış (LE) ve hibritleştirilmiş yerel
ve yük transferi (HLCT) karakterlerine sahip iki düşük enerjili konformasyondan görünür
bölgede ışıma yaparak çift emisyon özelliği gösterdiği bilinmektedir, ancak diğer birçok
CB bazlı ışık yayan sistemde de görüldüğü gibi çözücü içerisinde çok düşük emisyon
kuantum verimine sahiptir. Bu bölümde, o-CB-Anth ve o-CB-Pent sistemlerinin
uyarılmış durum potansiyel enerji yüzeyi (PES) detaylı olarak incelenmiş ve düşük
seviyeli bir yük transfer (CT) durumunun kuantum verimi üzerindeki etkisi tartışılmıştır.
2022-01-01T00:00:00Z