Predicting the various physical properties of carbon-based structures using molecular simulation methods

Abstract

Bu tezde, moleküler dinamik (MD) simülasyonları kullanılarak, grafen, altıgen bor nitrür (h-BN), grafitik karbon nitrür (g-C3N4) ve hibrit grafen/h-BN (G/h-BN) çeşitli kusurlar ve katkılandırma ile mekanik ve termal özellikleri incelenmiştir. İlk olarak, farklı N katkılandırma konfigürasyonları ve Stone-Wales (SW) kusurlarının grafen nanoşeritlerin ısıl iletkenliği üzerindeki etkileri incelenmiştir. Daha sonra, kusur konumlarının ve çeşitli N katkı konfigürasyonlarının grafen nanoşeritlerin mekanik özellikleri üzerindeki etkileri de incelenmiştir. Pyridinic-N, kusurlu nanoşeritlerin mekanik özelliklerini iyileştirir ve graphitic-N'den daha iyi Young's modülü (YM) ve çekme dayanımı (UTS) değerleri gerçekleştirir. Ek olarak, B katkılı g-C3N4'ün (B-g-C3N4) mekanik özellikleri ve ısıl iletkenliği iki farklı durum için incelenmiştir. İlk olarak, B atomları beş spesifik (C1, C2, N1, N2 ve N3) bölgede ikame edilmiştir. B katkı konsantrasyonu arttığında, C2 bölgesinde B-g-C3N4'ün mekanik özellikleri arttı. İkinci olarak, B atomları, g-C3N4'ün açık boşluğunda üç spesifik (B1, B2 ve B3) bölgede ikame edildi. B3 bölgesi, g-C3N4'ün mekanik özellikler ve ısıl iletkenliği için en uygun katkı alanıdır. Son olarak, armchair ve zigzag hibrit G/h-BN'nin ara yüzü boyunca konumlanan boşluk ve SW kusurlarının ısıl temas direnci (ITR) incelenmiştir. Boşluk kusuru sayısı arttığında, C atom boşluğu kusurunun normalleştirilmiş ITR'ye etkisi diğer atomlardan daha yüksektir. Ayrıca CC ve BN tipi SW kusurları araştırılmıştır.In this PhD thesis, using molecular dynamics (MD) simulations, the mechanical and thermal properties of graphene, hexagonal boron-nitride (h-BN), graphitic carbon nitride (g-C3N4) and hybrid graphene/h-BN (G/h-BN) with various defects and doping were investigated. First, the influences of different N doping configurations and Stone-Wales (SW) defects on the thermal conductivity (TC) of graphene nanoribbons (GNRs) were studied. Then, the effects of defect locations and various configurations of N doping on the mechanical properties of GNRs were also examined. Pyridinic-N improves the mechanical properties of the defective GNR and performs better Young's modulus (YM) and ultimate tensile strength (UTS) values than the graphitic-N. Additionally, the mechanical properties and TC of B doped g-C3N4 (B-g-C3N4) were investigated for two different cases. Firstly, B atoms were substituted at five specific (C1, C2, N1, N2 and N3) sites. When the B doping concentration was increased, the mechanical properties of B-g-C3N4 at the C2 site improved. Secondly, B atoms were occupied at three specific (B1, B2 and B3) sites in the open-hollow of g-C3N4. The location of the B3 site is the most suitable B doping site for the mechanical properties and TC of g-C3N4. Finally, the interfacial thermal resistance (ITR) of armchair and zigzag hybrid G/h-BN with vacancy and SW defects, which are located throughout the interface, were investigated. When the number of vacancy defect is increased, the effect of C atom vacancy defect on the normalized ITR of hybrid G/h-BN is higher than other atoms. Also CC and BN types of SW defects were investigated.