Mechanical properties of boron nanotubes

dc.contributor.advisor Kırca, Mesut
dc.contributor.author Çalışkan, Emre
dc.contributor.authorID 503191531
dc.contributor.department Solid Mechanics
dc.contributor.department Katı Cisimlerin Mekaniği
dc.date.accessioned 2022-08-11T07:22:40Z
dc.date.available 2022-08-11T07:22:40Z
dc.date.issued 2021-11-05
dc.description Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Graduate School, 2021
dc.description.abstract Boron nanotubes (BNTs) which can be considered as structural analogs of carbon nanotubes (CNTs) and boron nitride nanotubes (BNNTs) offer remarkable mechanical, electrical, and chemical properties. As the building unit of BNTs, boron, the fifth element in the periodic table, is the lightest elemental substance that can form interatomic covalent bonds possessing multiple bonding states, which in turn provides a variety of allotropes with diverse physical and chemical properties. BNTs exhibit metallic behavior regardless of their chirality and diameters, which renders them extremely attractive in the design of novel electronic nanodevices, such as field-effect transistors, light-emitting diodes, field emission displays. In these applications, mechanical properties play a significant role since the mechanical strain is usually employed to adjust the electronic properties of the BNTs. Therefore, mechanical properties, such as tensile strength and elastic Young's modulus, of the boron nanotube structures hold significant importance. In literature, most of the theoretical studies regarding the boron nanotubes are based on the first-principles density functional theory calculations. As an alternative approach, reactive molecular dynamics can provide accurate and quick results depending on the accuracy of the force field. Furthermore, unlike density functional theory calculations, molecular dynamics can be used to investigate large systems. In the present study, boron nanotubes are simulated using reactive molecular dynamics simulations. Although this method has been extensively practiced for borophene, to the best of our knowledge, it has not been used to simulate BNTs yet. We created 10 different BNTs with different vacancy ratios ranging between 0 and 0.33 in two different chiral directions, zigzag and armchair. Simulations are conducted for different diameters, lengths, and aspect ratios using four different strain rates and three different temperatures, 1, 300, and 600 K. We conducted tensile tests to inspect the mechanical properties. Mechanical properties and thermal stabilities of BNTs are highly dependent on their vacancy ratio, atomic configuration, and chirality. Our results indicate that BNTs with exhibit highly anisotropic behavior. Young moduli and ultimate tensile stress of nanotubes are generally two times higher in the zigzag direction, yet the ultimate tensile strain is two times higher in the armchair direction, except for some configurations. Stiffness and strength in general decrease while the vacancy ratio and temperature increase. The potential energy difference per atom due to the bond order is the main root of the defect formation. Some structures exhibit plastic behavior owing to stable bond formations during tensile. We believe that our study will drive further research for BNTs using classical molecular dynamics since it will allow large-scale simulation and modeling. Their vacancies can be exploited for several applications such as hydrogen storage. Thermal properties, nanocomposites with BNTs can be subject to future studies.
dc.description.abstract Karbon nanotüpler (KNT) ve bor nitrat nanotüpler (BNNT) ile yapısal benzerlikler gösteren bor nanotüpler (BNT); üstün mekanik, elektriksel ve kimyasal özelliklerinden dolayı araştırmacıların ilgisini çeken nano malzemelerdir. Bor nanotüplerin yapı taşı, periyodik tablodaki beşinci element olan bor, atomları arasında farklı tiplerde kovalent bağlar kurabilen en hafif atomdur. Bu sayede fiziksel ve kimyasal özellikleri farklı olan allotroplar oluşturabilmektedir. Bor nanotüpler, karbon nanotüplerden farklı olarak, yarıçaplarından ve heliselliklerinden bağımsız olarak metalik özellik göstermektedir. Bu durum bor nanotüpleri nano elektronik cihazların tasarımında kullanışlı kılmaktadır. Aynı zamanda, bu uygulamalarda mekanik birim uzama ile elektronik özelliklerin kontrolü yapıldığından çekme dayanımı ve elastik Young modülü gibi mekanik özellikler detaylı olarak incelenmelidir. Yapısal kararlılığa sahip bor nanotüpler ilk olarak 1997 yılında Boustani ve Quandt tarafından önerilmiştir. İlk prensip hesaplamaları kullanarak yaptıkları çalışmalarında bor nanotüplerin ve borofen tabakaların yapısal ve elektronik özelliklerini incelemiş ve bor atomlarının birkaç farklı tipte allotropik yapılar ve bor nanotüpler oluşturabildiklerini bulmuşlardır. Bu çalışmayı takiben Ciuparu vd. 2004 yılında Mg-MCM-41 katalist üzerinde ilk defa saf bor nanotüp sentezi gerçekleştirmiştir. 2004 yılından günümüze devam edilen deneysel çalışmalarda farklı yöntemler kullanılarak da bor nanotüp allotropları sentezlenmesi başarılmıştır. Bor nanotüpler birim hücrelerindeki boşluk sayısının toplam atom yeri sayısına oranına göre isimlendirilmektedir. Literatürde boşluk oranı η ile gösterilmektedir. Aynı boşluk oranlarında faklı hücre yapısı olabileceğinden allotroplara genellikle özel isimler verilmiştir. Bu çalışmada 2-pmmn (η=0, kısmi düzlemsel üçgen kafes yapılı), β12 ve β13 (η=1/6), β4 (η=1/8), β5 (η=2/15), χ3 (η=1/5), α (η=1/9), δ3 (η=1/3), η1/8b ve η4/27 yapıları incelenmiştir. Literatürde çapı 1,7 nanometre (nm) veya 2 nm'den düşük α-BNT'lerin bazı atomlarının eğrileşme kaynaklı düzlem dışı burkulmasından dolayı Fermi seviyesinde oluşan bant açılması sebebiyle yarı iletken özellik gösterebileceğini iddia eden çalışmalar bulunmaktadır. Ancak, takip eden çalışmalarda yüzey burkulmasının standart yoğunluk fonksiyonel teorisinden kaynaklı yapay bir olgu olduğu gösterilmiştir. Bu çalışmalar, hesaplamalı olarak Møller–Plesset pertübasyon teorisi ve dağılım-düzeltimli yoğunluk fonksiyonel teorisine ve deneysel çalışmalara dayanmaktadır. Dolayısıyla, araştırmacılar yüzey burkulması olmayan durumlarda α-BNT'lerin tamamen metalik olduğu sonucuna ulaşmıştır. Literatürde çeşitli bor nanotüp allotroplarının; çaptan, kafes yapısından ve kirallikten bağımsız olarak metalik özellik gösterdiğini belirten çalışmalar mevcuttur. Bor nanotüpleri tam metalik özelliğinden dolayı, alan etkili transistörler, ışık yayıcı diyotlar, alan emisyonlu ekranlar gibi yeni elektronik nano malzemelerin tasarımında oldukça avantajlıdır. Aynı zamanda, mekanik birim uzama elektronik özelliklerin kontrolü için kullanıldığından; elastisite modülü, kopma dayanımı ve kopma birim uzaması gibi mekanik özellikler bu tür uygulamalarda önemli bir rol oynamaktadır. Nano seviyede yapılan deneysel çalışmaların belirsizlikler barındırmasının yanı sıra, karmaşık ve pahalı olduğu bilinmektedir. Bu durum sayısal simülasyon tekniklerini alternatif olarak öne çıkarmaktadır. BNT'lerin mekanik özelliklerinin incelenmesi için günümüze kadar genellikle yoğunluk fonksiyonel teorisi tabanlı kuantum mekaniği hesaplamaları kullanılmıştır. Nano malzemelerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin incelenmesinde kullanılan bir diğer yöntem moleküler dinamik simülasyonlarıdır. Bu yöntem, kullanılan potansiyele bağlı olarak güvenilir sonuçlar vermektedir. Aynı zamanda hızlı ve çok sayıda parçacığın aynı anda modellenebilmesine olanak sağlamaktadır. Dolayısıyla, moleküler dinamik simülasyonları sıklıkla tercih edilen atomik simülasyon tekniklerinden biridir. Yapılan çalışmada bor nanotüpler reaktif moleküler dinamik simülasyon yöntemi ile modellenmiştir. BNT'lerin iki boyutlu formu olan borofenler için sıklıkla kullanılan bu yöntem, araştırmacının bilgisi dâhilinde, bor nanotüpler için ilk defa uygulanmıştır. Moleküler dinamik simülasyonlarında atomlar arasındaki etkileşimi modellemek için Adri van Duin vd. tarafından geliştirilen ReaxFF olarak bilinen reaktif kuvvet alanı (potansiyel fonksiyonu) kullanılmıştır. Bu kuvvet alanı sürekli olarak bağ oluşumuna ve kırılmasına izin vermektedir. Bor atomları arasındaki ReaxFF parametreleri için Pai vd. tarafından sıvı karbon-bor-nitrojen malzemelerin modellenmesi için hesaplanan ReaxFFCBN parametrizasyonu kullanılmıştır. Bu potansiyelin iki boyutlu borofen için ilk prensip hesaplamalarına yakın sonuç verdiği bulunmuştur. Literatürde bor tabanlı malzemelerin simülasyonu için, Stillinger-Weber, Tersoff gibi, farklı potansiyeller bulunsa da, bu potansiyel fonksiyonları ile sadece belirli konfigürasyonlar modellenebilmektedir. Yazarın bilgisi dâhilinde ReaxFF dışında tüm bor nanotüp konfigürasyonlarının modellenmesine olanak sağlayan başka bir potansiyel fonksiyonu bulunmamaktadır. Bor nanotüp yapıların elde edilmesi için ideal kafes yapısına sahip borofenleri oluşturan ve istenen eksende çevirerek bor nanotüp haline getiren kodlar oluşturulmuştur. Birim hücre parametreleri kısmi düzlemsel yapılar için a, b ve h doğrultularında sırasıyla 1.614, 2.866 ve 0.911 Å; düzlemsel yapılar için a ve b doğrultularında sırasıyla 2.926 ve 5.608 Å olarak alınmıştır. Moleküler dinamik simülasyonları açık kaynak kodlu Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS) programı ile yapılmıştır. Zaman integrasyonu için Hız Verlet (Velocity Verlet) adı verilen algoritma kullanılmıştır. LAMMPS içerisinde Aktulga vd. tarafından uygulanan ReaxFF ve ReaxC-OMP paketleri kullanılmıştır. Eksen doğrultusunda sınır etkisinin kaldırılması için periyodik sınır koşulu uygulanmıştır. Diğer doğrultularda 50 Å vakum boşluğu bırakılmıştır. Kodlar ile elde edilen ideal yapılara konjuge-gradyan metodu ile enerji minimizasyonu yapılmıştır. Daha sonra yapılar 1 ps boyunca Nose´-Hoover barostatı ve termostatı kullanan NPT istatistiksel kümesi ile sıfır gerilme durumuna getirilmiştir. Yapılara çekme testi sırasında 1x109, 1x1010 ve 1x1011 1/s hızında sabit mühendislik birim uzaması uygulanmıştır. Tek eksenli çekme sırasında diğer eksenlerdeki gerilmenin sıfırda tutulması için NPT istatistiksel kümesi kullanılmıştır. Makroskobik gerilme tensörü sanal gerilme teoremi kullanılarak hesaplanmıştır. Literatürde bor filmlerinin kalınlığı için mutabık bir sonuç bulunmadığından sonuçlar kalınlıktan bağımsız verilmiştir. Kalınlık belirlendiği durumda bu çalışmada verilen sonuçlar kalınlığa bölünerek gerilme birimi (GPa) cinsinden elde edilebilir. Sonuçlara göre ReaxFF potansiyel alanının başarı ile enerji minimizasyonu yapabildiği görülmüştür. ReaxFF ile simülasyonu yapılan nanotüplerin, 1,61 nm çapında merdiven doğrultusunda δ3 yapısı hariç, izotermal-izobarik istatistiksel küme ile termal kararlıklarını koruyabildiği görülmüştür. Çalışmamızda, Mortazavi ve diğerlerinin borofen için bulduğu sonuçlara benzer olarak, enerji minimizasyonu ve termalizasyon sırasında birim hücre parametrelerinin değiştiği görülmüştür. Enerji minimizasyonu sırasında simülasyon kutusunun boyutları eksenel ve tercih edilen radyal doğrultuda sırasıyla yaklaşık %10 ve %20 artmaktadır. Yoğunluk fonksiyonel teorisine göre birim hücre parametreleri farklı olsa da mekanik cevabın yakın sonuç verdiği gözlemlenmiştir. Bor nanotüplerin Fermi seviyesindeki bantlarından dolayı tercih edilen doğrultuda radyal yönde genişlemesi, kuantum mekaniği temelli yoğunluk fonksiyonel teorisi hesaplamalarında gözlemlenmiştir. Bu durum nanotüpün elips şeklini almasına sebep olmaktadır. Benzer şekilde, gerçekleştirilen reaktif moleküler dinamik simülasyonlarında enerji minimizasyonu ve termalizasyon sırasında dairesel yapının elipse dönüştüğü görülmüştür. Ayrıca literatürde çeşitli kuantum mekaniği seviyesindeki çalışmalarda gözlemlenen, altıgen hücrelerin ortasında bulunan atomların yüzey burkulması, gerçekleştirdiğimiz reaktif moleküler simülasyonlarında da gözlemlenmiştir. Bu benzerlikler, ReaxFF potansiyel fonksiyonunun bor nanotüplerin yapısal özelliklerini modelleme kapasitesine sahip olduğuna işaret eden göstergelerdir. Üçgen kafes yapılı bor nanotüpün zigzag doğrultusunda karbon nanotüplerden daha yüksek kopma dayanımına ve elastisite modülüne sahip olduğu görülmüştür. Genel olarak bor nanotüplerde gevrek kırılma gerçekleşmektedir. χ3 merdiven, α merdiven, ve α zigzag yapıları sırasıyla en yüksek kopma dayanımı, kopma birim uzaması ve Young modülüne sahip yapılardır. Kopma dayanımı genellikle sıcaklık ve boşluk oranı arttıkça düşmektedir. Termal ve yapısal kararlılığa sahip bor nanotüpler karbon nanotüp veya bor-nitrat nanotüp gibi yapıların yerini alabilecek özelliklere sahiptir. Metalik yapıları ile elektronik nano yapıların yapıtaşı olabilme kapasiteleri bulunmaktadır. Ek olarak, doğal yapılarında bulunan boşluklar sayesinde hidrojen gibi çeşitli malzemelerin depolamasında kullanılabilir. Yapı içerisindeki boşluklar diğer atom veya moleküller için bağ noktası görevi görmektedir. Geliştirdiğimiz yöntem bor nanotüplerin termal özelliklerinin incelenmesi veya çeşitli nano kompozit yapılarda davranışlarının incelenmesinde kullanılabilir.
dc.description.degree M.Sc.
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/11527/20224
dc.language.iso en
dc.sdg.type none
dc.subject interatomic potential
dc.subject porous solids
dc.subject models-molecular
dc.subject numerical modelling
dc.subject atomlararası potansiyel
dc.subject gözenekli katılar
dc.subject modeller-moleküler
dc.subject sayısal modelleme
dc.title Mechanical properties of boron nanotubes
dc.title.alternative Bor nanotüplerin mekanik özellikleri
dc.type masterThesis
Dosyalar
Orijinal seri
Şimdi gösteriliyor 1 - 1 / 1
thumbnail.default.alt
Ad:
503191531.pdf
Boyut:
2.55 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Açıklama
Lisanslı seri
Şimdi gösteriliyor 1 - 1 / 1
thumbnail.default.placeholder
Ad:
license.txt
Boyut:
1.58 KB
Format:
Item-specific license agreed upon to submission
Açıklama