Theoretical Investigation of Structural, Vibrational, Electronic, and Elastic Properties of Ultra-Thin Anisotropic Materials

Abstract

Dimensional reduction in materials leads to significant improvements and changes in various properties due to quantum phenomena and intense confinement of electrons. Since the separation of graphene from bulk graphite in 2004, many different materials with layered bulk structures have been experimentally introduced into the literature, including hexagonal boron nitride (BN), transition metal dichalcogenides (TMDs), and in-plane anisotropic monolayer black phosphorus (BP). Among ultra-thin materials, anisotropic materials have attracted attention due to their distinct orientation-dependent vibrational, electronic, optical, and mechanical features and have been shown to have high potential for special applications such as polarization-sensitive photodetectors, orientation-dependent optoelectronic devices, and orientation-sensitive sensors. The aim of this thesis is to predict the stable structures of ultra-thin anisotropic materials such as HfTe5, TiX5, TaX3 (X:S, Se, Te), bismuthene and magnetic MnPS3 nanoribbons and to understand their structural, magnetic, vibrational, electronic, optical and elastic properties on a physical basis by performing density functional theory (DFT)-based first-principles calculations. Preliminary data via STM images are presented for the potential experimental characterization of possible defects and oxidized structures of the single-layer HfTe5, whose predicted stable structure. The existence of stable structures of titanium-based penta-calcogenides is predicted and the direction-dependent properties of the stable phases are investigated. The dynamic stability of Ta-based trichalcogens exhibiting anisotropy different from TiS3 and ZrS3 has been investigated and their crystal-orientation dependent elastic properties are analysed. In addition, in the tilted α-bismuth known as the α phase, the identification of the external strain direction through the Raman spectrum is examined. The reduction of in-plane anisotropy to 1 dimension is studied through the edge type- and width-dependent properties in magnetic MnPS3 nanoribbons. Our findings are important for the prediction of novel anisotropic materials.

Malzemelerde boyutsal azalma, kuantum fenomenleri ve elektronların yoğun sıkışması nedeniyle çeşitli özelliklerde önemli iyileştirmelere ve degişikliklere yol açar. 2004 yılında grafenin yığın durumdaki grafitten ayrıştırılmasından bu yana, altıgen bor nitrür (BN), geçiş metali dikalkojenitleri (TMD'ler) ve düzlem içi anizotropik tek katmanlı siyah fosfor (BP) dahil olmak üzere katmanlı yığın yapısına sahip bir çok farklı malzeme deneysel olarak literatüre kazandırılmıştır. Ultra ince malzemeler arasında anizotropik malzemeler, farklı yönelimlere bağlı titreşimsel, elektronik, optik ve mekanik özellikleri nedeniyle ilgi çekmiş ve polarizasyona duyarlı fotodedektörler, yöne bağlı optoelektronik cihazlar ve yönelime duyarlı sensörler gibi özel uygulamalar için yüksek potansiyele sahip oldukları gösterilmiştir. Bu tezin amacı, yoğunluk fonksiyonel teorisi (YFT) tabanlı ilk prensip hesaplamaları yaparak HfTe5, TiX5, TaX3 (X:S, Se, Te), bizmuten ve manyetik MnPS3 nanoşeritler gibi ultra-ince anizotropik malzemelerin kararlı yapılarını öngörmek ve yapısal, manyetik, titreşimsel, elektronik, optik ve elastik özelliklerini fiziksel temelde anlamaktır. Kararlı yapısı öngörülen tek katmanlı HfTe5'in olası kusurlarının ve bu kusurların oksitli yapılarının olası deneysel karakterizasyonu için STM görüntüleri üzerinden ön veriler sunulmuştur. Titanyum bazlı pentakalkojenitlerin kararlı yapılarının varlığı öngörülmüş ve kararlı fazların yön bağımlı özellikleri incelenmiştir. TiS3 ve ZrS3 malzemelerinden farklı yapıda anizotropi sergileyen Ta-bazlı trikalkojenlerin dinamik kararlılıkları incelenmiş ve kristal yönelimine bağımlı elastik özellikleri irdelenmiştir. Bunun yanında, bizmutenin α-fazı olarak bilinen eğimli yapısında, dış gerinim yönünün Raman spektrumu üzerinden anlaşılması çalışılmıştır. Düzlem içi anizotropinin 1 boyuta indirgenmesi, manyetik MnPS3 nanoşeritlerinin kenar tipi ve şerit genişligine bağımlı özellikleri üzerinden incelenmiştir. Bulgularımız, yeni anizotropik malzemelerin öngörülmesi açısından önem arz etmektedir.