Metal Nanotellerin Titreşimsel Ve Termodinamik Özellikleri

Abstract

Bu çalışmada, kare ve altıgen kesit alanlı bakır nanotellerin titreşimsel ve termodinamik özelliklerini araştırdık. Kesit alan büyüklüğünün ve germenin bu özelliklerine olan etkisini inceledik. Model sistemlerimizde atomlar arası etkileşimleri gömülü atom yöntemi (GAY) ile tanımlarken, fonon durum yoğunluklarını (FDY) gerçek uzay Green fonksiyonu tekniği ile hesapladık. Nanotellere ait termodinamik fonksiyonları örgü dinamiğinin harmonik yaklasıklığı içinde hesapladık. Germe uygulanmayan nanotellerin FDY hacim atomuna kıyasla farklı özellikler gösterdiğini gördük ve bunların içinde en çarpıcı olanı hacim spektrumunun üzerinde gözlenen yüksek frekans modlarının varlığıdır. Ayrıca, nanotellerin düşük frekans bölgesinde sanki bir boyutlu gibi bir davranış sergileyebilmeleri için kesit alanlarının olabildiğince ufak olması gerektiği sonucuna ulaştık. FDY’lerde gözlenen farklı davranışlara olan tek tek atomik katkılara baktığımızda düşük koordinasyon sayılı yüzey atomlarının düşük frekans modlarında gözlenen artışa, yüksek koordinasyon sayılı iç atomların ise yüksek frekans modlarında gözlenen artışa katkı sağladığını bulduk. Termodinamik fonksiyonlar da tellerin eksen yöneliminden bağımsız olarak kesit alana göre değiştiğini gördük . Isı kapasitesinin sıcaklığa bağımlılığının hacim eşdeğerinden saptığını hesapladık. Nanotellerin kesit alanı küçüldükçe düşük sıcaklıklarda ısı kapasitesine ait kuvvet yasaları bie boyuttan büyük iki boyuttan küçük karakteristik sergilediğini gözledik.

In this thesis, we have investigated vibrational and thermodynamical properties of rectangular and hexagonal Cu nanowires and considered the effect of varying cross-sectional area and the strain. The interactions between the atoms in model systems are defined using the embedded atom method (EAM) and the vibrational densities of states (VDOS) are calculated using the real space Green’s function technique. The thermodynamic functions are calculated within the harmonic approximation of lattice dynamics. The VDOS of a strain-free nanowire showed quite distinctive characteristics compared to that of a bulk atom, the most striking feature of which was the existence of high-frequency modes above the top of the bulk phonon spectrum. We further predicted that the low-frequency characteristics of the VDOS would reveal quasi-one-dimensional behavior only when the wire was extremely thin. Through decomposition of VDOS into local atoms, we also exhibited that while the anomalous increase in the low-frequency density of states was mainly due to the lower coordinated-surface atoms, the enhancement in the high-frequency tail of the spectrum was primarily due to the higher coordinated-inner atoms. As for the thermodynamic functions, we show that vibrational thermodynamic functions are sensitive to the size of wire regardless of the axial orientation. We also find that the dependence of specific heat of nanowires on temperature deviates from that of a bulk material. Furthermore, the low temperature heat capacity reveals almost a quasi-one dimensional power-law characteristic (with a power less than two but more than one) when the wire has the smallest cross-sectional area.