Karbon grafen şeritlerdeki kusurların analizi

Abstract

Grafenin uygulamalarının gelişmesinde en önemli hususlardan birisi, tamamen yüzeyden oluşmasından dolayı, oluşacak kusurların fiziksel özellikleri ne ölçüde etkileyeceği ve bu kusurların yeniden yapılandıktan sonra göç edip edemeyeceğidir. Bu tezde, atomik yapı optimizasyonları ve toplam enerji hesaplamaları ile kusurların tavlama yöntemleriyle ne ölçüde kusursuz bir sisteme ulaşılabileceği araştırıldı. Kusurların elektronik ve manyetik özelliklere olumlu ya da olumsuz katkıları spin polarize yoğunluk fonksiyoneli hesaplamaları ile araştırıldı. Grafen şeritlerde yeniden yapılanmanın geniş ölçekli yapısal değişimlere sebep olduğunun gözlendiği bu çalışmada, en kararlı ve geriliminin en aza indirildiği durum araştırıldı. Taban durum, yeni oluşan bağdan kazanılan enerji ile gerilme enerjisinin dengesine bağlı olduğundan, en kararlı yapı gerilimin şerit kenarından faydalanarak en aza indirildiği durumda elde edilmektedir. Yeni bağ, şerit ekseni ile ne kadar büyük açı yaparsa toplam enerji o kadar düşmekte ve sistem daha kararlı olmaktadır. Kusur durumları Fermi seviyesi civarında oluşmakta ve eşleşmemiş elektron kaynaklı oldukları için değiş-tokuş yarılmasına uğramaktadırlar. Kusur durumları ile kenar durumları arasındaki hibridizasyon elektronik yapıya hükmeder. Eşleşmenin ferromanyetik veya antiferromanyetik olmasına göre elektronik yapı kontrol edilebilmektedir. Atomik yapı elektronik yapıyı belirlerken kenarlara injekte edilecek spin yönelimine göre elektronik yapıyı değiştirmek mümkündür. Tüm bu renkliliğine rağmen elektronik yapının kontrolü imkânsız gibi gözükse de elde edilecek akım genellikle spin polarize olacaktır. Spin polarize akıma kusurdaki yerel durumların katkısı mobilitesi düşük olduğu için önemsiz olsa da kusur durumu kenar durumlarını etkilediğinden kenarlardan oluşan spin polarize akımı da etkileyebilecektir.

One of the most important considerations in the development of graphene applications are the modification of physical properties due to defects and the possibility of self-healing and self-removal. In this work, structure optimizations and total energy calculations are employed to find the equilibrium geometry and the energetics of defects, and thus the possibility of annealing of defects is assessed. The magnetic and electronic properties of reconstructed defects are investigated by spin polarized density functional theory calculations. I find that the optimum reconstruction occurs when the new bond makes the biggest angle with the ribbon edge, in which case the strain is released by the existence of the edge. Defects introduce new states near the Fermi level. Since they are originated from unpaired electrons, these new states experiences exchange splitting. The second most important contribution to the electronic structure comes from the edge states. Thus, the hybridization between the edge and the defect states determine the electronic and magnetic properties. I considered that the edge and the defect states couple ferromagnetically or antiferromagnetically. Although the electronic structure is first influenced by the atomic structure, the preferential injection of spin states to the edges may be crucial in determining the electronic properties. In spite of the fragile electronic structure, spin polarized current is always possible. I find that the localized defect states determine the spin polarized current since they influence the current on edges.