MEM5136 Gr 1
İki Boyutlu (2D) Malzeme Teknolojileri
Toplantı Salonu
DOÇ. DR. METİN GENÇTEN
gencten@yildiz.edu.tr 08.00-10.45 Cuma
Borofen
➢2D malzemelerin en bilinen örneklerinden olan grafenin keşfi ve uygulamalarıyla birlikte iki
boyutlu malzemelere olan ilgide bir patlama yaşanmıştır.
➢ Eşsiz fiziksel ve kimyasal özellikleri (Fermi seviyesine yakın doğrusal bant yapısı, yüksek elektriksel, termal iletkenlik ve sertlik gibi)
nedeniyle, 2D malzemeler, elektronik cihazlarda,
enerji depolanma aygıtlarında ve birçok farklı
alanda kullanım alanı bulmaktadırlar.
Borofen
➢ Tek bir bor atomu
tabakası olan borofen, yakın bir geçmişte ultra yüksek vakum altında gümüş bir substrat
üzerinde sentezlenmiştir.
➢ Deneylerde sentezlenen
borofenlerin dört fazı (2-
Pmmn, β12, ro3 ve bal
peteği fazları) Şekil 1’de
gösterildiği gibidir.
Borofen
Borofenin Özellikleri
➢ Borofen üretildiği noktadan itibaren mekanik özellikleri,
elektronik yapıları, kafes ısı iletkenliği, süper iletken özellikleri, optik özellikleri, atomik adsorpsiyon
özelliği ve yüzey reaktivitesi üzerine deneysel ve teorik
çalışmalar bildirilmiştir.
Borofenin Özellikleri
Borofen kendi yapısında birçok benzersiz fiziksel ve kimyasal özellikler gösterir.
Örneğin, 2-Pmmn borofen fazı, zikzak doğrultusu boyunca dalgalanan bitişik sıra bor atomları ile bükülmüş bir yapıya sahiptir. Diğer düzlem yönünde (koltuk yönü), atomik yapı oluklu değildir.
İlginçtir ki, Poisson’ın her iki düzlem içi yöndeki oranları negatiftir.
Maddenin yapısında yüksek anizotropik mekanik özellikler gözlenmiştir.
Koltuk yönü boyunca 398 N/m’ye kadar çıkan Young’ın modülü değeri
grafenden bile daha büyük bir değere karşılık gelmektedir. Ancak,
Borofenin Özellikleri
Yüksek anizotropik kristal yapı nedeniyle, elektronik
bant yapısı aynı zamanda yüksek anizotropi gösterir.
Koltuk yönü boyunca, bant yapısı metalik karakter gösterir; Bununla birlikte, zikzak yönü boyunca, büyük
bir bant boşluğu gözlenir.
Borofenin koltuk yönünde ultra hızlı yüzey iyon
taşınımı özelliği
belirlenmiştir.
Borofenin Özellikleri
➢ Borofen'in 2-Pmmn fazındaki Li / Na / K / Mg / Al iyon taşınımının enerji bariyeri yaklaşık 1.9–39.24 meV'dir.
➢ Ayrıca, borofenin yüksek kapasite ve mükemmel elektronik iletkenlik özelliklerinin belirlendiği literatürde bildirilmiştir.
➢ Yüksek kapasitesi, üstün elektronik ve iyonik iletkenliği ile
birleştirildiğinde, borofen metal iyon pillerde anot malzemesi olarak geniş uygulama potansiyeli göstermektedir.
➢Ayrıca, borofenin, hidrojen katalizinde, oksijenin azaltılmasında, oksijenin gelişiminde ve katalitik performansı yüksek CO
2elektroredüksiyon
reaksiyonlarında bir katalizör olabileceği rapor edilmiştir.
Borofen Üretimi
➢ Borofen sentezi, birçok farklı uygulamasının geliştirilmesi noktasında çok önemlidir.
➢ Borofen, teorik olarak üretiminin tahmin edilip deneysel olarak üretimin gerçekleştiği önemli bir iki boyutlu
malzemedir.
➢ 2D borofeninin üretiminin öngörüsü, bor atomunun temel bazı özelliklerinin karbona yakın olduğu gerçeğinden yola
çıkılarak ortaya atılmıştır.
Borofen Üretimi
➢ Şekil 18'de gösterildiği gibi bağlantısız karbon kümelerinin temel durum yapıları zincirden halkaya, plakalardan sonra da fulleren kafeslerine doğru
gelişir.
➢Benzer şekilde, bor
kümelerinin temel durumları, düzlemsel plakalardan
halkalara ve daha sonra Şekil
18'de gösterildiği gibi kafeslere
değişmektedir.
Borofen Üretimi
➢Ayrıca, bir zamanlar bor fullerenin, Şekil 19'da gösterildiği gibi, B80 gibi büyük boy bor kümeleri için temel durum yapısı olduğu öngörülmüştür.
➢Bu davranışlar karbon fullerenlerin davranışlarına çok benzer niteliktedir.
Örneğin, B80 neredeyse C60'ın simetrisini andıran özellikler barındırmaktadır.
➢Bu nedenle, düzlemsel borofen'in grafene benzer şekilde
sentezlenebileceğini söylemek teorik olarak mümkündür.
Borofen Üretimi
➢Bununla birlikte, orta ölçekli bor kümeleri için, farklı yapısal motifler (quasiplanar, çekirdek kabuğu, iki tabakalı ve kafes) arasında güçlü bir rekabet söz konusudur ve B40 gibi fulleren benzeri kafesler (Şekil 19c) oldukça nadir durumlarda gözlenir.
➢B80 gibi büyük bor kümeleri için fulleren kafesi artık temel yapı değildir.
➢Zhao ve ark. Ab initio moleküler dinamik simülasyonu kullanılarak tavlama işleminden sonra B80'in çekirdek kabuklu bir yapıya dönüştüğünü göstermişlerdir (Şekil 19d).
➢Bu nedenle, bağlantısız bor kümeleri için, B80 gibi
fulleren yapısı, yalnızca yüksek sıcaklıkta daha kararlı bir çekirdek-kabuk yapısına dönüşmek üzere olan bir form için kullanılabilir niteliktedir.
Borofen Üretimi
➢ Bağlantısız bor fullerenin parçalanması benzer kimyasal bağlarla borofenin oluşumu anlamına gelir ancak bu yapı vakumda veya zayıf
etkileşimli substratlarda sentezlenemez.
➢Bununla birlikte, içi boş bor fulleren kafesi, Şekil 19e'de gösterildiği gibi, bir metal küme çekirdeği tarafından büyük ölçüde stabilize edilebilir.
➢ Aynı şekilde, metal alt tabakaların belirli bir etkileşim kuvvetinde desteklenmesiyle borofen de elde edilebilir.
➢ Ayrıca küçük bor kümeleri, büyüme sırasında
2D çekirdek tohumları olarak işlev görebilecek
düz konfigürasyonları tercih ederek büyür.
Moleküler Işın Epitaksiyel Büyütme
➢ Yığın borun katmanlı bir yapısal fazı yoktur. Diğer bir deyişle, 2B bor mekanik eksfolyasyon yöntemi
kullanılarak elde edilemez.
➢ 2B bor veya borofen üretmek için destekleyici bir
substrat gereklidir, bu durumda substrat ve bor atomları arasında yük aktarımı da dahil olmak üzere ara yüz
etkileşimlerinin dikkate alınması gerektiği anlamına gelir.
➢ Moleküler ışın epitaksi (MBE), substrat üzerinde
yüksek kalitede borofen üretmek için ideal bir tekniktir.
➢ Bu işlemde, bor atomları ultra yüksek vakum
ortamında potadan termal olarak buharlaştırılarak
uygun bir sıcaklıkta substrat elde edilebilir.
Moleküler Işın
Epitaksiyel Büyütme
➢ Aslında, substrat sıcaklığı, borofen oluşumu için
oldukça önemlidir.
➢ Düşük veya daha yüksek substrat sıcaklığı,
düzlemsel borofen
formunun yerine 3B
kümelerin oluşmasına
neden olur.
Kaynaklar
➢ Li, D., Gao, J., Cheng, P., He, J., Yin, Y., Hu, Y., ... & Zhao, J. (2019). 2D Boron Sheets: Structure, Growth, and Electronic and Thermal Transport Properties. Advanced Functional Materials, 1904349.
➢ Shang, J., Ma, Y., Gu, Y., & Kou, L. (2018). Two dimensional boron
nanosheets: synthesis, properties and applications. Physical Chemistry Chemical Physics, 20(46), 28964-28978.
➢Tsai, H. S., Hsiao, C. H., Lin, Y. P., Chen, C. W., Ouyang, H., & Liang, J. H.
(2016). Fabrication of multilayer borophene on insulator structure. Small, 12(38), 5251-5255.
➢ Wang, Z. Q., Lü, T. Y., Wang, H. Q., Feng, Y. P., & Zheng, J. C. (2019).
Review of borophene and its potential applications. Frontiers of
Physics, 14(3), 33403.
MEM5136 Gr 1
İki Boyutlu (2D) Malzeme Teknolojileri
Toplantı Salonu
DOÇ. DR. METİN GENÇTEN
gencten@yildiz.edu.tr 08.00-10.45 Cuma
Fosforen
➢Fosforun bir allotropu olan fosforen iki boyutlu bir malzemedir.
➢Fosforen, tıpkı grafen gibi tek bir tabaka siyah fosfor içeren bir tabaka olarak görülebilir.
➢ Fosforenin grafen için güçlü bir rakip olduğu tahmin edilmektedir, çünkü grafenin aksine, fosforen bir bant boşluğuna sahiptir.
➢Bu 2D malzeme ilk kez 2014 yılında mekanik
çöktürme yolu ile üretilmiştir.
Fosforen
Tek katmanlı veya birkaç katmanlı
olarak üretilebilen siyah fosfor
formu olan fosforen, elektronik ve
optoelektronikteki uygulamalar
için büyük umut vaat eden iki
boyutlu bir malzemedir.
Tarihçe
➢Fosfor, sanayileşmiş üretimi olan yaygın bir malzemedir ve kibrit çöplerinde, havai fişeklerde, kimyasal gübrelerde ve napalm bombasında yaygın olarak kullanılmaktadır.
➢Bu madde 1914 yılında keşfedildiğinden bu yana, geçen yüzyılda yapısal kararsızlığı ve güçlü toksisitesi nedeniyle fizikçiler ve kimyagerler tarafından çok büyük bir ilgi görmemiştir.
➢Son yıllarda, grafen gibi iki boyutlu malzemelerin keşfedilmesiyle birlikte diğer iki boyutlu (2B)
malzemelere olan ilgi önemli oranda artmıştır.
➢Çok çeşitli alanlarda yüksek performanslı cihazlara olan arayış, elektronik bant aralığı ve taşıyıcı mobilitesi gibi temel özelliklerinde daha geniş bir çalışma aralığı sergileyen malzemelere olan ihtiyacı ortaya
çıkarmaktadır.
Fosforen
➢Yığılmış katmanlı bir yapıya ve katmanları arasında zayıf van der Waals etkileşimine sahip olan siyah fosfor (BP), 2B katmanlı malzeme
ailesinin yeni bir üyesi olarak 2014 yılında keşfedilmiştir.
➢ Bu fosfor allotropu beyaz,
kırmızı ve mor fosfor da
dahil olmak üzere grup
içinde en stabil allotroptur.
Fosforen
➢Pul yapısındaki katmanlı fosforen kullanılarak iki bağımsız grup tarafından oluşturulan transistörlerin üstün performans gösterdikleri belirlenmiştir.
➢ Bu sebeple, bu malzemelerle ilgili 2014 yılının başlarında fizik, kimya ve malzeme
topluluklarındaki araştırma faaliyetlerinde büyük bir artış meydana gelmiştir.
➢Yapılan teorik ve deneysel çalışmalarde elde edilen veriler, BP gösterdiği fiziksel, kimyasal ve mekanik özelliklerin bu malzemelerin elektronik, optoelektronik, fotovoltaik ve spintronics'teki
uygulamalar için umut verici potansiyellerle sahip
olduğunu göstermiştir.
Fosforen
➢ İstifleme modeline bağlı olarak 3.21 ila 3.73 A
arasındaki katman içi mesafesi, grafen
üretiminde olduğu gibi
mekanik eksofilasyon için
oldukça uygun olmasını
sağlar.
Fosforen Üretimi
Eşit boyut ve özelliklere sahip, atomik olarak ince, katmanlı fosforenin güvenilir bir şekilde üretilmesi, üstün özelliklerini yüksek
performanslı cihaz uygulamalarına
dönüştürmek için esastır.
Fosforen Üretimi-Top-Down Metotlar
➢Tek katlı grafenlerin mekanik eksfoliyasyonla izole edilmesi, 2D
malzemelerin özelliklerinin çalışılmasına adanmış yeni bir araştırma alanı ortaya çıkarmıştır.
➢Bu yöntemin, toplu katmanlı malzemeleri tek ve az katmanlı sınırlara kadar ayırmada etkili olduğu kanıtlanmıştır.
➢Mekanik eksfoliyasyon için önemli bir önkoşul, kütle karşılığındaki tabakalar arası etkileşimin zayıf Wan der Walls kuvvetleri tarafından domine edilmesidir, bu da malzemelerin sadece yapışkan bir bant kullanılarak bölünmesini mümkün kılmaktadır.
➢Katmanlı yapısının önemli bir Wan der Walls karakterine sahip zayıf ara katman kuvvetleri tarafından bir arada tutulduğu BP'nin yapısal özelliği, dökülme yöntemiyle birkaç kat veya hatta tek kat fosforun dahi elde edilebileceğini göstermektedir.
➢Gereken enerji sisteme verilerek iki tabayı tutan enerji aşılırsa bu malzemenin üretimi mümkün kılınabilmektedir.
Fosforen Üretimi-Top-Down Metotlar
➢BP ile ilgili ölçülmüş bir veri bulunmamakla birlikte, teorik olarak tahmin edilen bağlanma enerjisi, BN, MoS2, WS2 ve MoSe2 için
deneysel olarak belirlenenlere benzer değerlerde olmalıdır.
➢Atomik olarak ince fosfor pulları, ticari olarak temin edilebilen ana dökme kristallerinden (BP), yapışkan bir bant kullanılarak
mikromekanik bölünme yoluyla soyulabilir.
➢Bu arada, grafen ve MoS2 için de kullanılan plazma destekli üretim yöntemi bir diğer alternatiftir.
➢Elektrokimyasal metotlarda fosforen üretiminde önemli bir alternatif olarak karşımıza çıkmaktadır.
