EE- Enerji Bilim ve Teknoloji Lisansüstü Programı - Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Konu "Bilim ve Teknoloji" ile EE- Enerji Bilim ve Teknoloji Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeNano Gaz Transportunda Kuantum Ölçek Etkileri(Enerji Enstitüsü, ) Öztürk, Z. Fatih ; Şişman, Altuğ ; 223095 ; Enerji Bilim Ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesYarıiletken teknolojilerinde kullanılan mikro fabrikasyon tekniklerinin gelişimi, yeni fiziksel etkilerin ortaya çıktığı mikro/nano boyutlarda sensörler, aktuatörler, tıbbi cihazlar, güç üreten mikro makineler, ısı değiştiricileri, pompalar, valfler, mikro-nano pipetler ve mikro iticilerin üretilmesini de mümkün kılmıştır. Klasik ölçeklendirme yaklaşımında sistemin özelliklerinin ve fiziksel sabitlerin ölçeklendirmeden bağımsız olduğu kabul edilir. Bununla beraber, sistemin karakteristik uzunluğu sistemi kontrol eden mekanizmaya ait karakteristik uzunluğa yaklaştığında bu varsayım geçerliliğini yitirir ve parçacığın dalga karakteri önem kazanır. Bu nedenle nano boyutlardaki sistemlerde var olan farklı ölçek etkileri nedeniyle gazların transport davranışları makro ölçektekilerden oldukça farklıdır. Mikro/nano sistemlerde termodinamik denge durumunda dahi yoğunluk dağılımı homojen olmayıp sınırlarda yoğunluğun sıfıra gittiği bir sınır tabaka oluşmaktadır. Bu tabaka, kalınlığı Planck sabiti ile orantılı olduğundan kuantum sınır tabakası olarak adlandırılır. Kuantum sınır tabakası sebebiyle gaz parçacıkları geometrik hacmi değil ondan daha küçük olan etkin (efektif) bir hacmi doldururlar. Parçacıkların dalga karakteri nedeniyle sınırlar ile parçacıklar arasında yerel olmayan itici bir etkileşme vardır. Bu yüzden parçacıklar domenin iç bölgelerinde toplanırlar ve bunun sonucu olarak da iç bölgelerdeki yoğunluk klasik yoğunluktan daha yüksek olur. Kuantum sınır tabakasının kalınlığı parçacıkların termal de Broglie dalga boyu mertebesinde olup bu mertebe karakteristik bir uzunluk tanımlar. Bu nedenle, sistemin boyutları kuantum sınır tabakası ile karşılaştırılabilir olduğunda kuantum ölçek etkileri sistem üzerinde etkin olur. Ayrıca sınırlar ile parçacıklar arasındaki yerel olmayan etkileşme sebebiyle parçacıklar sınırları termal de Broglie dalga boyu mesafesinde hissederler. Bundan dolayı, parçacıkların gördükleri potansiyel dalga karakterine sahip olmayan klasik parçacıkların gördükleri potansiyelden farklıdır. Bu fark klasik potansiyele etkin kuantum potansiyel olarak adlandırılan diğer bir potansiyelin eklenmesiyle ifade edilebilir. Etkin kuantum potansiyel yaklaşımında, klasik dağılım fonksiyonu, etkin kuantum potansiyelin ilave edilmesiyle kuantum dağılım fonksiyonu ile yer değiştirilir. Böylece, yerel yoğunluk üzerindeki kuantum etkiler etkin kuantum potansiyel yardımıyla modellenir. Çoğu tersinmez süreçte akılar sürücü kuvvetler ile lineer ilişkili olarak yazılabilir. Aynı anda birden fazla sürücü kuvvetin var olduğu bir sistemde bileşik transport söz konusu olur ve bir sürücü kuvvet birden fazla transportun sürücü kuvveti olarak işlev görür. Örneğin sıcaklık gradyeni sadece ısı transferine yol açmaz aynı zamanda difüzyona da yol açar. Sürücü kuvvetlerin bu tür ikincil etkileri çapraz etkiler olarak adlandırılır. Özellikle nano sistemlerde, gaz moleküllerinin ortalama serbest yolu sistem boyutları ile karşılaştırılabilir olduğundan çapraz etkiler ihmal edilemez ve bileşik transport önem kazanır. Makro sistemlerde ise direkt sürücü kuvvetler transport üzerinde baskın olduğundan çapraz etkiler ihmal edilirler. Sonuç olarak, nano ölçekte kuantum ölçek etkilerinin hem direkt hem de çapraz transport katsayıları üzerindeki etkilerinin araştırılması önem kazanmaktadır. Bu çalışmada; dikdörtgen transport geometrisi için relaksasyon zamanı yaklaşımı altında Boltzmann transport denklemi kullanılarak Maxwellian, Fermi ve Bose gazlarının direkt ve çapraz transport katsayıları hem kuantum ölçek etkisi dikkate alınmadan hem de kuantum ölçek etkisi dikkate alınarak çıkarılmıştır. Parçacık-parçacık ve parçacık-duvar çarpışmaları sonucu meydana gelen transport süreçleri ayrı ayrı incelenmiştir. Parçacık-duvar çarpışmaları sonucu meydana gelen transport süreçlerinde transport katsayıları üzerindeki kuantum ölçek etkilerinin, parçacık-parçacık çarpışmaları sonucu meydana gelen transport süreçlerindekilerden daha güçlü olduğu görülmüştür. Direkt (iletim, difüzyon ve termal iletkenlik) ve çapraz (Soret, Peltier ve Dufour) transport katsayıları 1, 2 ve 3 boyutlu dikdörtgen geometrilerde Maxwellian, Fermi ve Bose gazları için çıkarılmış ve D boyutlu dikdörtgen geometriler için genelleştirilmiştir. Kuantum ölçek etkisi ihmal edildiğinde, kuantum dejenerasyonunun transport katsayıları üzerindeki etkileri ayrıca incelenmiştir. Transport katsayıları üzerinde kuantum ölçek etkileri hem klasik hem de dejenere durumlarda incelenmiştir. Genel olarak, Fermi gazında artan dejenerasyonla transport katsayıları üzerinde kuantum ölçek etkilerinin azaldığı, bununla beraber Fermi gazındaki bu durumun tersine Bose gazında ise kuantum ölçek etkilerinin arttığı görülmüştür. Ayrıca, transport katsayılarında kuantum ölçek düzeltmeleri ile termal düzeltmelerin yanı sıra bileşik bir düzeltme olarak termo-ölçek düzeltmeleri de ortaya çıkmıştır. Evrensel Wiedemann-Franz yasasının kuantum ölçek etkileri nedeniyle evrenselliğini kaybettiği gösterilmiştir. Sonuç olarak, hem direkt hem de çapraz etkilere ait transport katsayıların kuantum ölçek etkileri nedeniyle transport domeninin ölçek ve geometrisine bağlı olduğu görülmüştür. Bu sebeple domenin şekli ve ölçeği transport süreçleri üzerinde ilave bir kontrol parametresi olmaktadır. Bu kontrol parametreleri kullanılarak yeni transport süreçleri tanımlanabilir ve kuantum ölçek etkilerini kullanan yeni mikro ve nano makineler dizayn edilebilir.