Search

Bu tez düz, bağımsız tek tabaka kare-sekizgen (so) GaN ve AlN yapılarhakkındadır. Yoğunluk fonksiyonu teorisi (YFT) kullanılarak tek tabaka veçoklu tabakalı so-GaN ve so-AlN yapıların, kararlılıkları, elektronik özelliklerive fonksiyonelleştirilmeleri; adsorbe atomlar ve atomik boşluklar, temel prensiplerpseudo potansiyel düzlem dalga hesapları kullanarak inceledik. Dinamikve termal kararlıkların kapsamlı bir analizini, temel prensipler sonlu sıcaklıkmoleküler dinamiği ve kızıl ötesi Raman aktif modların birlikte analiz edildiğifonon hesaplarına göre yaptık. Bu GaN ve AlN'ın tek katmanlı kare-sekizgenyapıları, yöne bağımlı mekanik özellikler gösterir ve altıgen emsallerine kıyasladaha küçük, temel dolaylı bant aralıklarına sahipler. Bu YFT band aralıkları,düzeltmelerle artabilirler ve daha da geniş olabilirler de. Tek doğrultuda ve çiftdoğrultuda çekme deformasyonları altında temel band aralıkları azalır ve kapanabilirler.Tek katmanların üst üste yığılmasıyla oluşturulan çift katmanlı, üç katmanlı ve üç boyutlu (3B) katmanlı yapıların enerjetikleri, bağlanmaları ve sonuçta oluşan elektronik yapıları incelendi. van der Waals yapılarına kıyasla, katmanlar arasında bariz bir kimyasal bağ kurulması, bağlanmayı etkiler ve bükülmelere neden olarak düzlemsel geometriyi değiştirir. Yığılma dizilenmesineve geometrisine bağlı olarak, enerjetikleri, zayıf dikey bağların sayısı ve direkt band aralıklı elektronik yapıları, ayarlanabilir geniş bir çeşitlilik umudu vaad eden ilgi çekici varyasyonlar gösterir. Ayrıca, tek katmanlı yapıların elektronik ve manyetik özellikleri, çeşitli atomların adsorpsiyonu ya da nötr katyon-anyon boşluğu yaratılarak modifiye edilebilir. Tek tabaka so-GaN ve so-AlN yapılarının düz ve dikey heteroyapıları, gelecek çalışmaları olarak düşünülebilirler. This thesis, deals with the planar free-standing, single-layer, square-octagon (SO)structures of GaN and AlN. We investigated single-layer and multilayer so-GaNand so-AlN structures, their stability, electronic properties and functionalization;adatom and vacancies using first principles pseudopotential plane wave calculations.We performed an extensive analysis of dynamical and thermal stabilityin terms of ab-initio finite temperature molecular dynamics and phonon calculationstogether with the analysis of Raman and infrared active modes. Thesesingle layer square-octagon structures of GaN and AlN display directional mechanicalproperties, and have fundamental indirect band gaps, which are smallerthan their hexagonal counter parts. These DFT band gaps, however, increaseand become wider upon correction. Under uniaxial and biaxial tensile strainthe fundamental band gaps decrease and can be closed. The energetics, bindingand resulting electronic structure of bilayer, trilayer and 3D layered structuresconstructed by stacking of the single layers were examined. In contrast to thevan der Waals solids, a signicant chemical bonding between layers affects thebinding and transforms the planar geometry by inducing buckling. Depending onthe stacking sequence and geometry, energetics, number of weak vertical bondsand direct band gap electronic structure display interesting variations promisinga wide range of tunability. Furthermore, electronic and magnetic properties ofthese single-layer structures can be modied by adsorption of various adatoms,or by creating neutral cation-anion vacancies. As a future work, in-plane andvertical heterostructures of single layer so-GaN and so-AlN structures could beconsidered. 82

Bu tez çalışması, çeşitli yeni iki boyutlu balpeteği yapıların elektronik, manyetik, mekanik ve optik özelliklerini ortaya koyarak bu yapıların nano ölçekte yeni cihaz tasarımı için kullanılabilirliklerinin yoğunluk fonksiyoneli teorisi ile incelenmesini kapsamaktadır. Ayrıca, kuantum mekaniksel moleküler dinamik simülasyonları ve fonon analizleri yardımıyla yeni iki boyutlu malzeme öngörüleri ve mevcut iki boyutlu malzemelerin muhtemel yeni kararlı fazları detaylı olarak incelenmiştir.İlk olarak, yoğunluk fonksiyoneli teorisiyle geliştirilen hesaplama yöntemleriyle iki boyutlu grafen ve boron nitrat kompozit malzemeleri incelenerek, dikey ve yatay grafen / boron nitrat kompozitlerinin büyüme adımları gösterilmiştir. Daha sonra, bu kompozit malzemelere dışardan elektrik alan uygulanarak, bu sistemlerde depolanan enerji ve elektriksel yük değerleri hesaplanmıştır. Dolayısıyla, grafen / boron nitrat kompozit malzemelerin yüksek performaslı nanokapasitör olarak kullanılabiliecekleri gösterilmiştir. Bu nanokapasitörler, geniş boyutlarda klasik kapasitörler gibi davranmalarına karşın, boyutları nano ölçeğe indirilidiğinde kuantum mekaniksel davranışlar sergilemektedirler. Tezin daha sonraki bölümünde, düzlemsel olarak büyütülen grafen / boron nitrat kompozit malzemelerinin çeşitli özelliklerinin, kompozit içinde bulunan grafen veya boron nitrat miktarına göre nasıl değiştiği incelenmiştir. Farklı kombinasyonlar kullanılarak alaşımlar, çizgisel kompozitler ve ince katkılama tarzı malzemeler elde edilerek bunların atom inceliğinde devrelerde kullanım için özellikleri hesaplanmıştır.Ayrıca, karbon / boron nitrat nano kompozitlerinin kısa atomik zinciler şeklinde büyümeleri incenerek, bu zincirlerin yüksek sıcaklıklarda bozulmadan kararlı olarak kalabildikleri gösterilmiştir. Zincirlerin elektronik ve manyetik özelliklerinin zincirdeki atom sayısına göre çift / tek disparitesi gösterdiği gözlemlenmiştir. Ayrıca, bu zincirlerin düzlemsel olarak birleştirilmesi sonucu elde edilen ve yeni bir iki boyutlu malzeme olan alfa-grafen yapısının kararlılığı fonon analizleriyle ispatlanmıştır.Tezin son iki bölümünde grafenin silikon, germanyum, azot ve antimon benzerleri incelenmiştir. İki boyutlu silikon ve germanyum yapılarında oluşan kafes tarzı yeni geometrik yapılar ortaya konularak, bu kafes yapısının tabakalı silikon ve germanyum elde edilmesinde temel unsur olduğu gösterilmiştir. Tezin son bölümünde, yeni malzeme tasarımı ve öngörüleri üzerinde durularak, iki boyutlu silika, iki boyutlu azot ve antimon bal peteği benzeri yapılarının kararlı geometrileri ve bu yapıların özellikleri açıklanmıştır. This thesis presents a variety of new two dimensional honeycomb-like structures and heterostructures; the main objective being to determine their fundamental electronic, magnetic, mechanical and optical properties for new device and material design. Utilization of existing two dimensional materials for nanoscale device design, understanding the fundamental properties of their composite structures, explaining the existing data on known two dimensional materials and using computational simulations to discover new materials are the main concerns of this thesis.We begin by assessing the validity of density functional theory on monolayer composites of graphene and boron nitride. We show that it is possible to grow vertical graphene / boron nitride heterostructures on top of each other and reveal the growth mechanisms at the atomistic level. We then utilize this vertical heterostructure for a nanoscale capacitor design by applying an external electric field. We test and show how first principles methods can be used to investigate the properties of materials under electric field. After explaining the reliable methods, capacitance values are calculated for the model for various thicknesses, which show quantum mechanical size effects at small separations that recede as the separations get larger; as the later is confirmed by experimental observations.The next part of the thesis, investigates the electronic properties of lateral graphene / boron nitride heterostructures, and show how these composites act differently depending on the concentrations of graphene and boron nitride in the composite system. Namely, different behaviors of alloys, $/delta$-doping and line compounds are revealed. Following this, these lateral heterostructures are utilized as nanoscale planar capacitors for atomically thin circuitry.As a final remark on carbon and boron nitride nanocomposites, the next chapter of this thesis describes the growth mechanisms of one dimensional carbon/boron nitride short atomic chains and show their stabilities at elevated temperatures. The electronic and magnetic properties of these chains exhibit even/odd disparity depending on the number of atoms in the chain. These chains also construct another two dimensional allotrope of graphene, namely graphyne, when connected to each other on the same plane. The properties of graphyne and its boron nitride analogue described in the following chapter introduces a new monolayer allotrope of carbon and boron nitride.The following chapter turns to silicon and germanium analogue of graphene, silicene and germanene. Dumbbell type reconstructions of silicene and germanene are introduced, which lead to layered silicene and germanene. Dumbbell units introduced here form the fundamental building blocks of experimentally observed layered silicene and germanene.The last chapter of the thesis looks at new material design and prediction studies based on computational simulations. Oxygenated silicene leads to a new monolayer piezoelectric material called silicatene. Finally, the monolayer structures of Group V elements nitrogen and antimony are also shown to be stable by phonon calculations and high temperature molecular dynamics simulations. 195

Bu tezde ilk prensiplere dayanarak bal peteği örgüsüne sahip iki boyutlu nano yapıların üzerine elektriksel yüklenmenin etkilerini günümüz gelişmiş metodlarını kullanarak inceledik. Grafen, molibden disülfür (MoS2), bor nitrür (BN), grafan (CH), ve folorografen (CF) yakın zamanda sentezlenebildi ve çok önemli yapısal, elektriksel ve manyetik özelliklere sahiptirler. Bu bağlamda bize göre bu malzemelerin elektriksel yük altında fiziksel özelliklerinin değişiminin incelenmesi ileriki olası uygulamalar ve bu malzemelerin daha iyi anlaşılabilmesi için önem arz etmektedir.Yapıdan elektron çekilmesiyle bağ uzunluklarının ve dolayısıyla örgü vektörlerinin büyüdüğünü gösterdik. Bu sebepten fononlar yumuşadı ve Raman-aktif fonon modlarının frekansları düştü. Normalde oldukça yüksek yasak enerji aralığına sahip olan BN ve MoS2 gibi malzemeler iletken haline geldiler. Pozitif yüklenme neticesinde artı yüklerin bu malzemelerin üç katmanlı yapılarında en dış katmanlarında toplandığı görüldü. Daha sonrasında pozitif yüklenme miktarını arttırılmasıyla birbirlerine zayıf van der Waals bağlarıyla bağlanmış olan katmanların ayrıldığı görüldü. Bu neticeler elektriksel yüklenme yardımıyla çok katmanlı grafit, BN ve MoS2 yapılarından tekli katmanların elde edilebilmesini öngörmektedir. Ek olarak bazı atomların elektriksel yüklenme neticesinde grafen üzerine bağlanma enerjilerinin ve manyetik momentlerinin değiştirilebileceğini gösterdik. Düzlem dalga metodunun sınır koşulları içinde kullanılmasıyla ortaya çıkan yapay yetersizliklerin atomik orbital tabanlı başka yöntemler kullanılarak aşılabileceğini gösterdik.Oksitlenmiş grafen üzerine elektriksel yükün etkilerini araştırmaya başlamadan önce oksijen atomlarının grafen üzerine bağlanmasını detaylı birşekilde inceledik. Grafen bağları üzerindeki elektriksel yük miktarının oksijen atomlarının grafen üzerine bağlanmasını kontrol eden en önemli unsur olduğunu ortaya çıkardık. Daha sonrasında ise oksijen atomlarının grafen üzerindeki difüzyon bariyerlerinin elektriksel yüklenme ile belirgin şekilde değiştiğini gösterdik. Elde ettiğimiz bu sonuçlar deneysel verilerdeki pozitif yüklenmenin grafenin oksitlenmesine yol açtığını negatif yüklenmenin ise oksitlenmiş grafenin normal grafene dönüşmesine yol açtığı şeklindeki sonuçlarını kısmen desteklemektedir ve başka etkenlerin de bu oluşumlarda rol oynayabileceğini öngörmektedir. In this thesis we employ state-of-the-art ? rst-principles calculations based on density functional theory (DFT) to investigate the e ? ects of static charging on two-dimensional (2D) honeycomb nanostructures. Free standing, single-layer graphene and other similar single-layer honeycomb structures such as boron nitride (BN), molybenum disul ? de (MoS2 ), graphane (CH) and ? uorographene (CF) have been recently synthesized with their unusual structural, electronic and magnetic properties. Through understanding of the e ? ects of charging on these nanostructures is essential from our points of view in order to better understand their fundamental physics and developing useful applications.We show that the bond lengths and hence 2D lattice constants increase asa result of electron removal from the single layer. Consequently, phonons soften and the frequencies of Raman active modes are lowered. Three-layer, wide band gap BN and MoS2 sheets are metalized while these slabs are wide band semiconductors, and excess positive charge is accumulated mainly at the outermost atomic layers. Excess charges accumulated on the surfaces of slabs induce repulsive force between outermost layers. With increasing positive charging the spacing between these layers increases, which eventually ends up with exfoliation when exceeded the weak van der Waals (vdW) attractions between layers. Thisresult may be exploited to develop a method for intact exfoliation of graphene, BN and MoS2 multilayers. In addition we also show that the binding energy and local magnetic moments of speci ? c adatoms can be tuned by charging. We have addressed the de ? ciencies that can occur as an artifact of using plane-wave basis sets in periodic boundary conditions and proposed advantages of using atomic orbital based methods to overcome these de ? ciencies. Using the methods and computation elucidated in this thesis, the e ? ects of charging on periodic as wellas ? nite systems and the related properties can now be treated with reasonable accuracy.The adsorption of oxygen atoms on graphene have been investigated exten-sively before dealing with the charging of graphene oxide (GOX). The energetics and the patterns of oxygen coverage trends are shown to be directly related with the amount of bond charge at the bridge sites of graphene structure. We ? nally showed that the di ? usion barriers for an oxygen atom to migrate on graphene surface is signi ? cantly modi ? ed with charging. While the present results comply with the trends observed in the experimental studies under charging, we believe that there are other factors a ? ecting the reversible oxidation-reduction processes. 108

Manyetik rezonans görüntüleme tekniği sunduğu invazif olmayan görüntüleme kapasitesi nedeniyle büyük ilgi çekmektedir. Manyetik rezonans görüntüleme tekniğinde istenilen dokunun görüntülenmesi için kontrast ajanları kullanabilmektir. Yaygın olarak kullanılan gadolinyum tabanlı kontrast ajanları, yüksek toksik özellikler ve de yüksek deteksiyon seviyeleri nedeniyle eleştirilmektedirler. Süperparamanyetik demir oksit nanoparçacık tabanlı kontrast ajanları, sahip oldukları nanometre ölçeğinde gösterdikleri üstün manyetik kuvvet ve düşük toksik özellikleri sayesinde gadolinyum tabanlı kontrast ajanlarına güzel bir alternatiftirler. Parçacıkların yüzeyinde bulunan aktif biyoaktif moleküller bu avantajların sağlanmasında büyük rol oynamaktadır. Sunulan bu çalışmada, demir oksit nanoparçacıklarının ko-presipitasyon ve termal dekompozisyon yöntemleri ile sentezlenmesi ve yüzeylerinin fonksiyonalizasyonu gösterilmiştir. Elde edilen parçacıklar Fourier Transform Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR), Circular Dichroism (CD), Reoloji, X-Işını Saçılım Spekroskopisi (XRD), X-ray fotoelektron spektroskopisi (XPS), titreşimli örnek manyetometresi (VSM), manyetik rezonans görüntüleme tekniği (MRI) Atomik Kuvvet Mikroskopu (AFM), Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM), Geçirmeli Elektron Mikroskopu (TEM) ile elde edilmiş ayrıca sentezlenen parçacıkların biyolojik örnekler ile etkileşimi incelenmiştir. ile karakterize edilmiş ve sentezlenen parçacıkların biyolojik örnekler ile etkileşimi incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre termal dekompozisyon yöntemi hem parçacık büyüklüğünün kontrolü hem de topaklaşmanın önlenmesi için en uygun yöntemdir. Termal dekompozisyon yöntemi ile sentezlenmiş parçacıkların kaplanması için amfifilik peptitler kullanılmıştır. Hidrofobik etkileşim prensibine dayanan bu yöntem ile parçacıklara suda çözünebilirlik ve biyoaktiflik kazandırılmıştır. Sentezlenen parçacıklar 35 nm civarlarında olup r2 değerleri 100.4 ve 93.7 s-1mM-1 olduğunu göstermektedir. Elde edilen in vitro sonuçlara göre parçacıkların biyouyumlu olduğu ve hücrenin çevresinde toplandığı gözlemlenmiştir. Sentezlenen parçacıkların MRI contrast ajanı kullanımı MR aletiyle ölçülmüştür. Magnetic resonance imaging (MRI) has attracted intensive interest due to its non-invasive monitoring capacity. Gadolinium based contrast agents, most widely used CA, suffer from high level of toxicity and high threshold of detection. Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) based contrast agents (CA) are good alternatives for gadolinium based CAs, since they have extraordinary magnetic properties within nanometer size and relatively low toxicity. Surface active group of SPIONs are mostly responsible for these advantages. In this thesis, we studied biofunctionalization of iron oxide magnetic nanoparticles with variety of peptide molecules for the solubilization and biofunctionalization of SPIONs. Particle synthesis was carried out via two methods: co-precipitation and thermal decomposition and they were compared by means of size and stability. Several characterization methods, such as Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Circular Dichroism (CD), Rheology, X-ray diffraction (XRD) X-ray photon spectroscopy (XPS), vibrating sample magnetometer (VSM), Magnetic resonance imaging (MRI), Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM) were used in order to fully characterized the SPIONs prepared.methods were used in order to fully characterize the SPIONs. Thermal decomposition is the best method to control the particle size and avoid aggregation problems. Peptide amphiphile molecules are used to non-covalently functionalize SPIONs synthesized by thermal decomposition method to provide water solubility and biocompatibility. Particles are found to be around 35 nm with r2 values of 100.4 and 93.7 s-1mM-1 which are comparable with commercially available SPIONs. In vitro cell culture experiments revealed that peptide-SPION complexes are biocompatible and are localized around the cells due to their peptide coating. Finally, SPIONs were evaluated in terms of their potential use as MRI contrast agent. 98

III-nitrürlerin potansiyel olarak sahip oldukları performans, yüksek kırılma indisleri nedeniyle oluşan tam yansımadan dolayı ketlenmektedir. Kırılma indisi 2.7 olan galyum nitrür içinde yol alan ışık, gelme açısı 22° ila 24° arasında olan kritik eşikten fazla olması durumunda hava-galyum nitrür sınırından geçememekte ve gerisingeriye malzeme içine yansımaktadır. Bu durumda, galyum nitrür tabanlı ışık saçan diyotların kuvantum kuyularında üretilen ışığın yalnızca %12'den daha az bir kısmı cihaz dışına çıkabilmektedir. Bu ışığın %66'lık büyük bir kısmı galyum nitrür içinde hapsolmakta, %22'lik bir kesimi ise taban malzeme olan safir içinde yönlenmektedir. Bu tez çalışmasında, galyum nitrür tabanli ışık saçan diyotların ışık çıkarım verimlerini artırmak için iki boyutlu fotonik kristal yapıları kullanılmıştır. Bu bağlamda, Kaliforniya Santa Barbara Üniversitesi işbiliğiyle Amerika'da büyütülen galyum nitrür tabanli malzemeler, Orta Doğu Teknik Üniversitesi ve Bilkent Üniversitesi'nde işlenmiş olup ardından fotonik kristal yapıları p katkı malzemeli katman üzerine basılmıştır.Bu tez iki ana çalışmadan oluşmuştur. Bu çalışmalardan bir tanesi karakterizasyon ve üretim çalışmalarıyken diğer çalışma simülasyon ve modellemeleri kapsamaktadır. Karakterizasyon ve üretim aşamasında öncelikle galyum nitrür malzemesinin reaktif iyon delme (RIE) sistemiyle işlenmesi karakterize edilmiştir. Karakterizasyon bölümünün tamamlanmasının ardında p tipi katkılama aktivasyonu Orta Doğu Teknik Üniversitesi'nde yapılmıştır. Ardından Amerika'da üretilmiş olan bu malzemelerin ışık saçan diyot üretimi sürecindeki işlemler Bilkent Üniversitesi bünyesindeki sınıf-100 mertebesinde bulunan temiz odada yürütülmüş ve karakterizasyon sırasında edinilen bilgiler ışığında diyot üretimi başarıyla tamamlanmıştır. Son bir basamak olarak fotonik kristal yapıları karesel ve üçgensel geometrilerde olmak üzere elektron ışını yazıcısında diyotlar üzerine basılmış ve reaktif iyon sisteminde son halini almıştır. Potential performance of III-Nitride based devices is hindered mainly because of an optical phenomenon called total internal reflection (TIR). With a refractive index of 2.7, GaN material has 22°-24° critical angle which means less than 12% of light can just escape the structure. While 66% of the light generated in quantum well region of a GaN based light emitting diode (LED) is trapped in the GaN layer, 22% of the light is guided in the sapphire substrate. In order to increase the extraction efficiency of GaN based LEDs, two dimensional photonic crystals were used in this thesis. LED wafers used were fabricated in collaboration with University of Santa Barbara, California (UCSB). These LED wafers were processed in the scope of the thesis and photonic crystal (PC) structures were patterned on the p layer of the device.This thesis work is concentrated on two parts; first part is characterization and fabrication, and second part is simulation. In characterization and fabrication part, firstly GaN material etching characterizations were completed using dry etching method by reactive ion etcher (RIE). After characterization step was completed, p doping activation was done and then LED wafers were processed in clean room class-100 environment, As a final step, two dimensional square and triangular photonic crystal lattice structures were patterned by using electron beam writer and these structures were transferred on to p layer of GaN LED by using RIE. Measurements and imaging regarding material and optical properties, fabrication quality and extraction enhancement. 252

X-Işını Fotoelectron Spektroskopisi, yüzeylerin kimsalar analizi için bilinen ve yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Bu tez çalışmasında, nano-yapılandırılmış malzemelerin fotovoltaik ve fotoiletkenlik özelliklerinin X-Işını Fotoelektron Spektrası üzerindeki etkilerinin karakterizasyonu çalışılmıştır. Bu teknik, X-Işını Fotoelektron Spektroskopisinin kimyasal özgüllüğü ile yüzey fotovoltaj spektrokopisinin gücünü birleştirip, aynı zamanda static veya dinamik aydınlatma altında fotoiletkenliği karakterize edebilmeyide mümkün kılabilmektedir. X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi ile elde edilen spektrumu niceliksek olarak tanımlayan bir teorik model de oluşturulmuştur. Bu çalışmada, oluşturulmuş olan model,eşbenzer- ve farklı birleşme noktası olan güneş pilleri, metal ve yarıiletken substratlar üzerinde CdS nanoparçacıklar ve silikon-karbon nanotüp sistemleri gibi bir çok farklı numune sistemlerinde denenmiştir. Nanoyapılandırılmış bir sistemde fotovoltaj dağılımını karakterizeetmek için kısmı kristallendirilmiş a-Si/c-Si güneş hücresi üretilmiştir. Nano-boyuttaki bir sistemde fotoilenkenlik ve fotovoltaik özellikleri aynı anda karakterize etmek için CdS nanoparçacıkları sıvı faz dan sentezlenmiştir. Çok duvarlı ve tek duvarlı karbon nanotüpler filmer farklı substratlar üzerinde X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi ile karakterize edilmiştir. Numunelerin ve güneş pillerinin yapısal karakterizasyonu için Enerji Dispersiv Spektroskopisi, Küçük Açışı X-Işını Spektrokopisi, Taramalı Elektron Mikroskopisi, X-Işını Kırılım Ölçer, Raman Mikroskopisi gibi çeşitli teknikler kullanılmıştır. X-Ray Photoelectron Spectroscopy is a widely used characterization method for chemical analysis of surfaces. In this thesis, We report characterization of photovoltaic and photoconductivity effects on nanostructured surfaces through light induced changes in the X-ray photoelectron spectra (XPS). The technique combines the chemical specificity of XPS and the power of surface photovoltage spectroscopy (SPV), with the addition of the ability to characterize photoconductivity under both static and dynamic optical excitation. A theoretical model that quantitatively describes the features of the observed spectra is presented. We demonstrate the applicability of the model on a multitude of sample systems, including homo- and heterojunction solar cells, CdS nanoparticles on metallic or semiconducting substrates, and carbon nanotube films on siliconsubstrates. A-Si/c-Si heterojunction solar cell is fabricated to characterize photovoltage generation in a nanostructured solar cell. Cadmium Sulfide (CdS) nanoparticles were synthesized by a solvo-thermal route. Both Multi Wall Carbon Nanotube (MWCNT) and Single Wall Carbon Nanotube (SWCNT) films were characterized with different substrates by XPS. Raman Microscopy, EDS, SEM, XRD, SAXS are used to characterize the samples and solar cells. 77

Katı hal peptit sentezi yöntemi ile üretilmiĢ kendiliğinden düzenlenen peptit amfifiller, doku mühendisliği çalışmaları için kullanılmaktadır. Peptit amfifil molekülleri nanofiber olarak düzenlenir, bu nanofiberler de ekstraselüler matriks benzeri üç boyutlu ağlar oluştururlar. Elektrostatik etkileşimler nanofiber oluşumu üzerinde etkilidirler. Peptit üzerindeki yüklerin nanofiber oluşumundaki etkileri bu araştırmada çalışılmıştır. pH değişikliği, ya da zıt yüklü elektrolit ve biyomakromoleküllerin eklenmesiyle, yüklü grupların nötralizasyonu ve peptit agregasyonunu sağlanmıştır. Peptit nanofiber jellerinin kontrollü oluşumunu anlamak, kolajen benzeri biyoaktif yapılar üretilip bunların doku mühendisliği ve anjiyojenez çalışmalarında kullanılmalarını mümkün kılacaktır. Fourier Transform Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR), Circular Dichroism (CD), Reoloji, pH titrasyonu, Atomik Kuvvet Mikroskopu (AFM), Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM), Geçirmeli Elektron Mikroskopu (TEM) sonuçları ve peptit amfifil moleküllerinin anjiyojenez amaçlı kullanım olasılıkları anlatılmaktadır. Self-assembling peptide amphiphiles, synthesized through solid phase peptide synthesis; a bottom-up approach, have been used with various tissue engineering purposes. Peptide amphiphile molecules self-assemble into nanofibers, which form three dimensional networks mimicking the extracellular matrix. Electrostatic interactions affect the formation of nanofibers. The effect of charged groups on the peptides on nanofiber formation were studied in this work. Neutralization of the charged groups by pH change, electrolyte addition or addition of oppositely charged biomacromolecules triggered the aggregation of the peptides. To understand the controlled formation of the gels composed of peptide nanofibers better can help the researchers develop bioactive collagen mimetic nanofibers for tissue engineering studies and use them in angiogenesis. Results obtained by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Circular Dichroism (CD), Rheology, pH titration, Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM); as well as the potential of using the peptide amphiphile molecules to promote angiogenesis, are described. 75

Çalışmamda kısmi bir (nanoşerit) ve iki boyutlu bal peteği SiC malzemesini ilk prensiplerden başlayarak inceledim. Boyutsallık etkilerini takip için üç boyutlu SiC allotroplarından bazılarını ve gerçek bir boyutlu SiC zincirlerini çalışmama dahil ettim. Değişik boyutlardaki SiC malzemesinin kararlılığı, fonon hesaplarıyla tahlil edilmiştir. İki boyutlu bal peteği şeklindeki SiC ve nanoşeritleri iyonik, manyetik olmayan, geniş bant aralıklı yarı-iletkenlerdir. Öz enerji (GWo) hesaplarıyla bu bant aralığı artmıştır. Hidrojen atomları ile doyurulduğunda, `armchair` SiC nanoşeritlerin yanlarındaki atomlardan oluşan bantlar kaybolmakta ve bant aralığı artmaktadır. Atom boşluğu, soğurulan yabancı atomlar ve Si ya da C atomlarının yerini alan yabancı atomların iki boyutlu ve nanoşerit SiC üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu araştırılan etkilerden bazılarının tek katmanlı SiC malzemesini işlevlendirebileceği saptanmıştır. In this thesis a study of electronic and magnetic properties of two dimensional(2D), single layer of silicon carbide (SiC) in hexagonal structure and its quasi 1Darmchair nanoribbons are presented by using first-principles plane wave method.In order to reveal dimensionality effects, a brief study of 3D bulk and 1D atomicchain of SiC are also included. The stability analysis based on the calculationof phonon mode frequencies are carried out for different dimensionalities. It isfound that 2D single layer SiC in honeycomb structure and its bare and hydrogenpassivated nanoribbons are ionic, non magnetic, wide band gap semiconductors.The band gap further increases upon self-energy corrections. Upon passivation ofSi and C atoms at the edges of nanoribbon with hydrogen atoms, the edge statesare discarded and the band gap increases. The effect of various vacancy defects,adatoms and substitutional impurities on electronic and magnetic properties in2D single layer SiC and in its armchair nanoribbons are also investigated. Some ofthese vacancy defects and impurities, which are found to influence physical propertiesand attain magnetic moments, can be used to functionalize SiC honeycombstructures for novel applications. 70

Dev manyetik direncin (DMD) kesfedilisi ile spintronik adında yeni bir alanortaya cıktı. Yukunun yanı sıra, elektronun spin serbestlik derecesini dekullanılması daha az enerji tuketen yuksek hızlı aygıtlar tasarlanmasına fırsatverir. Spintronigin ana hedeflerinden biri spin kutuplu akım yaratabilmektir. Birspin durumlu elektronlara ileten ama diger spin durumlu elektronlar icin yalıtkangibi davranan yarım-metalik malzemeler bu amac icin uygun adaylardır. Birbakıma spin suzgeci gibi calısırak ve gecen akım spin kutuplu yaparlar. Karbon gecis metali bilesiklerinin periyodik yapılarının yarım-metal ozelligi ve gecismetali kaplı dogrusal karbon zincirlerinin spin suzgeci ozelligi bizi bu calısmayasevketmistir.Bu calısmada, CrCnCr atomik zincirlerinin spin bagımlı iletkenlik ozellikleriincelenmi¸stir. Uygun elektrotlara baglanmıs CrCnCr manyetik molekulleriningerilim altındaki elektronik ve manyetik ozellikleri calısılmıstır. Tum hesaplamalardurum yogunlugu teorisini, denge dısı Green fonksiyonu tekniginibirlestiren bir metodla yapılmıstır.Tek n sayılı CrCnCr molekullerde C?C bagları kumulenik karakterdeyken,cift sayılı yapılarda poli-alkin karakterdedir. Bu yapılarda Cr atomları Catomları uzerinde net manyetik momentler induklerler. Cift n sayılı yapılardaCr atomları uzerindeki net manyetik momentler birbirlerine ters(AF) olacaksekilde hizalanmayı secerken, tek n sayılı yapılarda birbirlerine paralel(FM)olurlar. Bu durum molekul elektrodlara baglanınca tersine doner. Boylesistemlerin iki uclu iletkenlik hesapları gosterir ki iletkenlik ozellikleri de n'yebaglıdır. Aygıt bolgesinde denge dısı durum yaratan gerilim voltajı, spin-dejeneremolekuler seviyelerin birbirinden ayrılmasına neden olur. Bu durumda iletkenlikozellikleri spine baglı olarak degisir. Tek sayılı CrCnCr iki uclu siteminin temaldurumu belirli bir voltajda AF'den FM'ye degistigi gozlemlenmektedir. Boylelikleba¸slangı¸cta kapalı durumda olan spin suzgeci gerilim altında acılmıs olur.Molekuler bir spin suzgecinden gecen spin kutuplu akımın gerilim voltajı ilekontrolu gosterilmistir. Bu yapılar DMD aygıtlarının molekuler boyutta birbenzeridirler. Bu tur molekuler spin suzge¸cleri geleneksel DMD aygıtlarınıncalısması icin gereken manyetik alanlar olmaksızın da islev gosterebilirler. With the discovery of giant magneto resistance a new field called spintronicsis emerged. Utilizing spin-degree of freedom of the electron as well as its charge,high-speed devices which consumes low energy can be designed. One of the mainconcerns of spintronics is creating spin polarized currents. Half-metallic materials,which conduct electrons of one spin state but behave as an insulator for the otherspin state, are ideal candidates for this purpose. In a way they function as spinvalves,and the current passing through these materials will be spin polarized.The half-metallic property of periodic atomic chains of carbon-transition metalcompounds and spin-valve property of transition metal caped finite carbon linearchains motivated our study. In this work, we analyzed the spin dependenttransport properties of CrCnCr atomic chains. We connected the magneticCrCnCr molecules to appropriate electrodes and studied their electronic andmagnetic properties under applied bias. All the calculations are carried out usinga method which combines density functional theory (DFT) with non-equilibriumGreen?s function (NEGF) technique. For CrCnCr molecules with odd n weobserved cumulenic bond lengths, while the C?C bonds are in polyynic naturefor even n. In these structures Cr atoms induce net magnetic moments on Catoms. The magnetic moment on Cr atoms favors anti-parallel (AF) alignmentfor even n and parallel (FM) alignment for odd n. This situation is invertedwhen the molecules are connected to the electrodes. Two-probe conductancecalculations of such systems reveal that their conductance properties are also ndependent. Finite bias voltages which create non-equilibrium conditions withinthe device region, causes the spin-degenerate molecular levels of the device to beseparated from each other. Then conductance properties of the device becomespin dependent. We observe that the ground state CrCnCr two-probe systemswith odd n changes from AF to FM at a critical voltage. Thus, we have a spinvalvewhich is initially in ?off-state? turned on with applied bias. We achievedto control spin-polarization of the current transmitted through a molecular spinvalvewith applied bias voltage. We showed that they are molecular analogues ofGMR devices. These molecular spin-valve devices function without any need ofan external magnetic field as it is required in conventional GMR devices. 71

Ankara : The Department of Physics and the Institute of Engineering and Science of Bilkent University, 2008. Thesis (Master's) -- Bilkent University, 2008. Includes bibliographical references leaves 70-73. In this thesis we investigated structural, electronic and magnetic properties of 3d (light) transition metal (TM) atomic chains and Cr nanowires using firstprinciples pseudopotential plane wave calculations. Infinite periodic linear, dimerized linear and planar zigzag chain structures, as well as their short segments consisting of finite number of atoms and chromium nanowires have been considered. For most of the infinite periodic chains, neither linear nor dimerized linear structures are favored; to lower their energy the chains undergo a structural transformation to form planar zigzag and dimerized zigzag geometries. Dimerization in both infinite and finite chains are much stronger than the usual Peierls distortion and appear to depend on the number of 3d-electrons. As a result of dimerization, a significant energy lowering occurs which, in turn, influences the stability and physical properties. Metallic linear chain of vanadium becomes half-metallic upon dimerization. Infinite linear chain of scandium also becomes half-metallic upon transformation to the zigzag structure. The end effects influence the geometry, energetics and the magnetic ground state of the finite chains. Structure optimization performed using noncollinear approximation indicates significant differences from the collinear approximation. Variation of the cohesive energy of infinite and finite-size chains with respect to the number of 3d-electrons are found to mimic the bulk behavior pointed out by Friedel. Furthermore, we considered Cr nanowires, which have cross section comprising a few (4,5 - 9,12) atoms. Chromium nanowires are found to be in a local minimum in the Born-Oppenheimer surface and are ferrimagnetic metals. The type of coupling, as for ferromagnetic or antiferromagnetic, between neighboring Cr atoms depends on their interatomic distances. The spin-orbit coupling of finite chains are found to be negligibly small for finite molecules and Cr nanowires. Ataca, Can M.S.

Bu tezde grafin nanoşeritlerin elektronik ve manyetik özelliklerinin ağ örğü deliklereve heterojen kesit oluşumuna göre nasıl değiştiğini pseudo potansiyellidüzlem dalga metodlu yoğunluk fonksiyoneli teorisi ile inceledik. Grafin tabanlımalzemelerin geleceğin teknolojisinde oldukça önemli bir yere sahip olması beklenmektedirve bu yüzden bu malzemenin fiziksel özelliklerini belirleyen faktöleriniyi anlaşılması gerekmektedir. Biz gösterdik ki grafin şeritlerin elektronik vemanyetik özellikleri delik sonucu oluşan dalga durumları yüzünden oldukça fazlaetkilenmektedir. Armchair türü grafin şeritlerin yasak enerji aralıkları hidrojenledoyurulmuş delikler sayesinde modifiye edilebilmektedir. Bu delikler malzemeyemetalik özellik kazandırabilmekte hatta manyetik olmayan armchair şeritlereyerel manyetik özellikler dahi kazandırabilmektedir. Zigzag türü grafin şeritlerdeise kenar durumlarının delik yüzünden oluşan durumlar ile etkileşmesi sonucuantiferromagnetik halden ferrimagnetic hale geçiş gözlemlenmektedir. Dahada ilginci bütün bu etkiler deliğin yapısına ve oluştuğu yere göre değişikliklergöstermektedir. Deliklerden ayrı olarak bizler farklı kalınlıktaki grafin şeritlerinbirleştirilmesi ile oluşturulan grafin yapılarının çoklu kuantum kuyu yapılarınınoluşturduklarını da gösterdik. Yeni yapıyı oluşturan bileşenler aynı malzemeolduğu için bu sistemler geleneksel heterojen yapılardan farklılık göstermektedir.Heterojen sistemi oluşturan şeritlerin kalınlıkları ve boyları, birbirlerine olan konumları,simetrileri heterojen sistemin elektronik özelliklerinin kontrol edilmesindeönemli rol oynamaktadır. Daha ileriki çalışmalarımız, grafin şeritleri ve onlarınfarklı kalınlıklarının birleştirilmesi ile oluşturulan heterojen yapıların yasak enerjiaralıklarının uygulanılan gerilme ile değiştiğini de göstermektedir. Bu tezyukarıda anlattığımız bütün etkenlerin grafin şeritlerine olan etkilerinin incelendiğikapsamlı bir çalışmayı sunmaktadır. In this thesis, we investigated the effects of vacancy and heterojunction formationon electronic and magnetic properties of graphene nanoribbons (GNRs)by using first principles pseudopotential plane wave method within Density FunctionalTheory. Graphene based materials are expected to be very important infuture technology. Through understanding of all the factors which influence theirphysical properties is essential. We have shown that electronic and magneticproperties of graphene nanoribbons can be affected by defect-induced itinerantstates. The band gaps of armchair nanoribbons can be modified by hydrogensaturated holes. Defects due to periodically repeating vacancies or divacanciesinduce metallization, as well as magnetization in non-magnetic semiconductingnanoribbons due to the spin-polarization of localdefect states. Antiferromagneticground state of semiconducting zigzag ribbons can change to ferrimagnetic stateupon creation of vacancy defects, which reconstruct and interact with edge states.Even more remarkable is that all these effects of vacancy defects are found to dependon their geometry and position relative to edges. We also predicted thatperiodically repeated junctions of graphene ribbons of different widths form multiplequantum well structures having confined states. These quantum structuresare unique, since both constituents of heterostructures are of the same material.The width as well as the band gap, for specific superlattices are modulated indirect space. Orientation of constituent nanoribbons, their widths, lengths andthe symmetry of thejunction are some of the crucial structural parameters to engineerelectronic properties of these systems. Our further studies on nanoribbonsand nanoribbon superlattices showed the strong dependence of band gaps andmagnetic moments on applied uniaxial stress. This thesis presents an extensivestudy of size modulation and defect formation on graphene nanoribbons. 75

ÖZET KARBON NANOTÜPLERDE TEK ATOM SOGURULMASININ İNCELENMESİ Engin Durgun Fizik, Yüksek Lisans Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Salim Çıracı Eylül, 2003 Bu çalışmada çok sayıda yabancı atom için temel prensiplerden başlayarak ve durum yoğunluğu teorisi kullanılarak, tek atomun yarı iletken ve metalik tek duvarlı karbon nanotüp (TDNT) üzerinde soğurulması incelenmiştir. Alkali ve basit metallerden, geçiş metalleri ve Grup IV elementlerine kadar bir çok atomu içeren bir alanda kararlı soğurulma geometrileri ve bağlanma enerjileri analiz edilmiştir. Bağlanma karakterinin ve buna bağlı fiziksel özelliklerin soğurulan atomun türüne ve elektron yapısına bağlı olduğu anlaşılmıştır. TDNT'nin özelliklerinin soğurulan atomla birlikte fraklı özellikler gösterdiği gözlenmiştir. İyi iletkenlik özelliği gösteren Zn, Cu, Ag ve Au gibi metaller zayıf bağ yaparken; Ti, Sc, Nb ve Ta gibi geçiş metalleri ile C ve Si gibi Grup IV elementlerinin oldukça kuvvetli bağlar oluşturduğu anlaşılmıştır. Soğurulan C atomunun iki TDNT arasında kuvvetti ve yönlü bağ oluşturarak bu iki tüpün birleşmesini sağladığı görülmüştür. Ni, Pd ve Pt dışındaki geçiş metallerinin manyetik ta ban düzeyine sahip olduğu ve bu düzeylerin manyetik momentlerinin oldukça yüksek değerde olduğu tesbit edilmiştir. Elde ettiğimiz sonuçlar nanotüplerin değişik atomlarla kaplanarak ilginç özellikler kazanabileceğini ve bu özellikler sayesinde bir boyutlu nano-mıknatıslar, nano-iletkenler ve quantum teller gibi uygulamalarda kullanılabileceğini öngörmektedir. Anahtar sözcükler: ab initio, temel prensipler, karbon nanotüp, durum yoğunluğu teorisi, soğurulma, bağlanma, metaller, kaplama. iv ABSTRACT A STUDY OF ADSORPTION OF SINGLE ATOMS ON CARBON NANOTUBES Engin Durgun M.S. in Physics Supervisor: Prof. Dr. Salim Çıracı September, 2003 The adsorption of individual atoms on the semiconducting and metallic single- wall carbon nanotubes (S WNT) have been investigated by using first-principles pseudopotential plane wave method within Density Functional Theory. The sta ble adsorption geometry and binding energy have been determined for a large number of foreign atoms ranging from alkali and simple metals to the transition metals and group IV elements. We have found that the character of the bond ing and associated physical properties strongly depend on the type of adsorbed atoms, in particular on their valence electron structure. Our results indicate that the properties of SWNTs can be modified by the adsorbed foreign atoms. While the atoms of good conducting metals, such as Zn, Cu, Ag and Au, form very weak bonds, transition metal atoms, such as Ti, Sc, Nb and Ta, and group IV elements C and Si are adsorbed with relatively high binding energy. Owing to the curvature effect, these binding energies are larger than the binding energies of the same atoms on the graphite surface. We have showed that the adatom carbon can form strong and directional bonds between two SWNTs so that the tubes are connected. These connects can be used to produce nanotube networks or grids. Most of the adsorbed transition metal atoms excluding Ni, Pd and Pt have a magnetic ground state with a significant magnetic moment. Our results suggest that carbon nanotubes can be functionalized in different ways by their coverage with different atoms, showing interesting applications such as one-dimensional nanomagnets or nanoconductors and conducting connects etc. Keywords: ab initio, first principles, carbon nanotube, density functional theory, adsorption, binding, metal, coating. iii 60

ÖZET KARBON NANOTÜPLER ÜZERİNDE HİDROJEN MOLEKÜLÜNÜN SOĞRULMASI VE AYRIŞMASI Yavuz Öztürk Fizik, Yüksek Lisans Tez Yöneticsi: Prof. Dr. Salim Çıracı Ocak, 2004 Daha önce, karbon nanotüplerin yakıt hücresi teknolojileri için yüksek hidrojen depolama kapasitesi ve diğer gerekli fiziksel özellikleri sunabileceği önerilmişti. Bu tezde DFT içerisinde kapsamlı temel-ilke pseudopotansiyel düzlem dalga hesapları yürütülerek; (8,0) zigzag tek-çeperli karbon nanotüpte (SWNT) hidro jen molekülü soğrulması, ayrılması ve ayrışması incelenmiştir. Bulgularımız göstermiştir ki, yalın SWNT üzerine H2 molekülü bağlanamazken, dairesel ke sitte eliptik deformasyona sebep olan esnek radyal bir deformasyon bu molekülün fiziksel soğrulmasını mümkün kılmaktadır. Li atomunun önsoğrulması da ben zeri bir etkiyle fiziksel soğrulmayı arttırmaktadır. Soğrulmuş bir H2'nin es nek radyal baskının kaldırılmasıyla geri kazanılabilmesi depolama açısından son derece önemlidir. Ayrıca SWNT üzerine önsoğrulmuş Pt atomunun H2 molekülü ile güçlü kimyasal bağlar yaptığını bulduk. Tek bir H2 molekülü birden fazla önsoğrulmuş Pt atomunun etki alanına girerse Pt-H bağları oluşturan iki H ato muna ayrışmaktadır. H2 ile önsoğrulmuş Pd atomu arasında da, öncekine nazaran daha zayıf olmakla beraber, benzer bir etkileşim görülmüştür. Biz bu bulguların karbon nanotüplerde hidrojen depolanmasıyla ilgili çelişen sonuçlara açıklık ge tireceği ve yakıt hücresi teknolojisine önemli katkılarda bulunacağı kanısındayız. Anahtar sözcükler: ab initio, temel prensipler, karbon nanotüp, durum fonksiyonu teorisi, soğurulma, bağlanma, hidrojen -depolanması, yakıt hücresi. IV ABSTRACT ADSORPTION AND DISSOCIATION OF HYDROGEN MOLECULE ON CARBON NANOTUBES Yavuz Öztürk M.S. in Physics Supervisor: Prof. Dr. Salim Çıracı January, 2004 Earlier, it has been suggested that carbon nanotubes can provide high storage capacity and other physical properties suitable for the fuel cell technologies. In this thesis we have investigated adsorption, desorption and dissociation of hy drogen molecule on the surface of the zigzag (8,0) single-wall carbon nanotube (SWNT) by carrying out extensive first-principles pseudopotential plane wave calculations within the Density Functional Theory (DFT). We found that while H2 molecule cannot be bound to the surface of bare SWNT, an elastic radial deformation leading to the elliptical deformation of the circular cross-section ren ders the physisorption of the molecule possible. Coadsorption of Li atom on the SWNT makes the similar effect, and hence enhances the physisorption. That an adsorbed H2 can be desorbed upon releasing the elastic radial strain is extremely convenient for the storage. In addition to that, we found that a Pt atom coad- sorbed on the SWNT can form a strong chemisorption bond with a H2 molecule. If a single H2 molecule engages in interactions with more than one coadsorbed Pt atom at its close proximity it dissociates into single H atoms, which, in turn, make Pt-H bonds. The interaction between H2 and coadsorbed Pd atom is similar to Pt, but it is weaker. We believe that these findings clarify earlier controversial results related to the storage of H2 in carbon nanotubes, and makes important contributions to fuel cell technology. Keywords: ab initio, first principles, carbon nanotube, density functional theory, adsorption, binding, hydrogen storage, fuel cell. 111 77

Özet SI(IOO) yüzeyi üzerinde epikatman buyume MODELİ Sefa Dağ Fizik Yüksek Lisans Tez Yöneticisi: Prof. Salim Çıracı Ocak 2000 Bu çalışma, genel olarak Si(100) yüzeyinde atomik skaladaki büyüme mekanizmalarını ele almaktadır. Yüzeyin yapısal özelliklerinin ve sıcaklığa göre davranışının irdelenmesinde ` Ab-Initio-K/ıva,ntum Moleküler Dinamik` hesapları kullanılmaktadır. Bu hesaplarda `Yoğunluk Fonksiyonel` yaklaşımına dayalı kendi içinde tutarlı elektronik yapı hesapları ve iyonik durulma hesapları aynı anda yapılmaktadır. Bu yöntemi kullanarak, ilk etapta OK sıcaklığında üzerinde tek atom bulunan ve daha sonra sadece dimer bulunan yüzeyler için yeni atomların en uygun bağ konfigürasyonlarmm ve konumlarının bulunması ile ilgili çalışmayı ele aldık, ikinci etapta sonlu sıcaklıktaki yüzeyde ayrı iki atomun yüzey üzerinde değişik konfigürasyonlarda dimer oluşumları, üçüncü etapta ise oluşan dimerlerin sıcaklığa bağlı davranışları ve bunun sonucunda öteleme ve dönü hareketleri, son etapta da tek boyutta `epikatman` büyümenin oluşumu ve modellenmesi incelenmiştir. Anahtar sözcükler: Silisyum, dimer bağlar, sıcaklık, epikatman büyüme, ab-initio elektronik yapi. MkOmmcusvon mXMMMÜ Abstract A THEORETICAL MODEL FOR THE EPITAXIAL GROWTH OF SI(IOO) SURFACE Sefa Dağ M. S. in Physics Supervisor: Prof. Salim Çıracı January 2000 In this thesis, we investigated atomic scale mechanisms of growth on the Si(100) surface. First principles quantum molecular dynamics calculations are performed, where self- consistent field electronic structure calculations within the density functional theory, and ionic relaxations carried out concomitantly. By using this method, we first determined the binding energy and binding sites of ad- atoms and ad-dimers. In the second stage, we simulated different configuration of dimer construction. In the third stage, we analyzed temperature dependent behaviour of dimers and we investigated translational and rotational motion of dimers. Finally, we presented a new theoretical model for ID epitaxial growth. Keywords: Silicon, dimer bonds, temperature, epitaxial growth, ab-initio electronic structure. 64

Özet KARBON-TEMELLI MATERYALLERİN YAPISAL VE ELEKTRONİK ÖZELLİKLERİ Çetin Kılıç Fizik Doktora Tez Yöneticisi: Prof. Salim Çır acı Haziran 2000 Bu tezde, ilk prensiplere dayalı metodlar ve ayrıca sıkı-bağlanma ve empirik potansiyel modeller kullanılarak karbon-temelli materyaller nano skalada in celendi. İlgi odağı kafes benzeri yapılar arasında kübane molekülünde ve grafit-temelli materyaller arasında karbon nanotüplerdedir. İlk prensiplere dayalı hesaplar kübane benzeri yapıların Si ve Ge gibi diğer grup IV elementleri için de var olabileceklerini öngörüyor. Yüksek sıcaklıkta kuvantum moleküler dinamik simülasyonları yapılarak kübane'den cyclooctatetraene'e bir dönüşüm yolu belirlendi. Kübane katısının yapısal ve elektronik özellikleriyle birlikte alkali metal atomlarıyla katkılanması incelendi. Karbon nanotüplerin basınç altında incelendiği çalışmada komşu nanotüpler arasında kovalent bağ kurulmasına binaen yeni karbon formları belirlendi. Tek duvarlı karbon nanotüplerin elektronik yapısının radyal deformasyonlardan etkilendiği gösterildi. Mesela, bazı zigzag nanotüplerin baskı sonucunda yarıiletkenlikten metalliğe geçiş gösterdiği bulundu. Bu özellik kullanılarak değişebilir ve geri dönümlü kuvantum yapılarının bir karbon nanotüp üzerinde var edilebileceği gösterildi. Son olarak, ııınano skalada aykırı moleküler aygıtlara imkan tanıyacak başka kuvantum yapıları önerildi. Anahtar sözcükler: Kübane molekülü, Katı kübane, Karbon nanotüpler, Kuvan tum moleküler dinamik, Elektronik yapı hesapları iv Abstract STRUCTURAL AND ELECTRONIC PROPERTIES OF CARBON-BASED MATERIALS Çetin Kılıç Ph. D. in Physics Supervisor: Prof. Salim Çıracı June 2000 In this thesis, some carbon-based materials in nano scale have been investigated by using first-principles methods as well as transferable tight-binding and empirical potential models. The focus of interest has been in the cubane molecule among cage-like structures and in the carbon nanotubes among graphite-related materials. The first-principles calculations predict that cubane-like structures can exist for other group IV elements such as Si and Ge. The energetics and dynamics of such molecules has been studied. By performing quantum molecular dynamics simulations at high temperature a deformation path from cubane to cyclooctatetraene has been established. For solid cubane the structural and electronic properties and doping by alkali metal atoms have been studied. In the study of carbon nanotubes under pressure some new carbon forms due to covalent bonding between the neighboring tubes has been identified. It has been shown that the electronic structure of single wall carbon nanotubes is affected by radial deformations. For example, some zigzag nanotubes have been found to experience semiconductor-to-metal transition as a result of compression. Expjoiting this property, it has been shown that variable and reversible quantum structures canbe realized on a single carbon nanotube. Finally, other quantum structures which can lead to novel nano-scale molecular devices have been proposed. Keywords: Cubane molecule, Solid cubane, Carbon nanotubes, Quantum molecular dynamics, Electronic structure calculations n 110

Özet atomik düzeyde sürtünmenin teorisi Alper Buldum Fizik Bölümü Fizik Doktora Tez Yöneticisi: Prof. Salim Çıracı Haziran 1998 Sürtünme, çok eski, iyi bilinildiği sanılan fakat hakkında çok az şey bilinen ve çok karmaşık bir fiziksel olaydır. Bu tez çalışmasında, sürtünmenin atomiksel teorisini oluşturmayı amaçladım. Öncelikle, basit modellerle, gerçeğe yakın sistemlerin moleküler dinamik metodu ile simülasyonlarıyla ve elektronik yapı ve kuvvet hesaplarıyla, sürtünmenin pek çok atomiksel olaylarını ve yapışma-kayma hareketini irdeledik. İlk olarak, basit bir modelle, sürtünmenin ve yapışma-kayma hareketinin en temel mekanizmalarını, materyal parame trelerinin ve yöresel elastik deformasyonun etkilerini de hesaba katarak keşfettik. Daha sonra, çok sivri ve küt metal iğnelerin metal yüzeylerine temasını, delmesini ve ardından geri çekilmesini, ve kuru sürtünmesini atomik düzeyde çalıştık. Smırsal yağlamanın atomik düzeyde temellerini anlamak için ( yapısal transformasyonlar, yüke dayalı davranışlar ve kaplama oranının etkileri gibi ) moleküler dinamik simülasyonları gerçekleştirdik. Tüm bu atomiksel simüslayonlarm ve hesaplamaların ışığında, enerji kaybı mekanizmalarını ve kuvantum ısı transferini çalıştık.VI Anahtar sözcükler: Sürtünme, triboloji, atomik düzeyde sürtünme, nanotriboloji, atomik kuvvet mikroscopu, sürtünme kuvvet mikroskopu, yağlama, smırsal yağlama, enerji kaybı, kuvantum ısı transferi, ısı iletkenliği. Abstract THEORY OF ATOMIC SCALE FRICTION Alper Buldum Ph. D. in Physics Supervisor: Prof. Salim Çıracı June, 1998 Friction is an old and important but at the same time very complex physical event. This thesis aims to develop an atomic scale theory of friction. We investigate various atomic processes and stick-slip motion by using simple models and by using simulation of realistic systems based on the state- of-the art molecular dynamics and ab-initio electronic structure and force calculations. Theoretical studies of dry sliding friction, which has a close bearing on the experiments done by using the atomic and friction force microscope were performed. First, a simple model is used to investigate the basic mechanisms of friction and stick-slip motion, whereby the effect of material parameters and local elastic deformation of the substrate were also examined. Then, atomic scale study of contact, indentation, subsequent pulling and dry sliding of a sharp and blunt metal tips on a metal surface were studied. In order to understand the atomic-scale aspects of boundary lubrication such as interesting coverage and load dependent behavior and structural transformations, molecular dynamics simulations were performed on a model system that has two Ni(llO) surfaces and a xenon layer confined between these two surfaces. Finally, in view of the atomic processes revealed from computer simulations an energy dissipation mechanism and quantum heat iiiIV conduction were studied. Keywords: Friction, tribology, atomic scale friction, nanotribology, Atomic force microscope, Friction force microscope, lubrication, bound ary lubrication, energy dissipation, quantum heat transfer, heat conductance. 109

Özet grafit yüzeyindeki noktasal kuvantum değmelerinin atomik, elektronik ve nakil özellikleri Çetin Kılıç Fizik Yüksek Lisans Tez Yöneticisi: Prof. Salim Ciraci Eylül 1997 Bu tezde grafit yüzeyine bastırılan sert tünelleme tipinin oluşturduğu değmede iletkenliğin değişimi incelendi. Çalışma, atomik yapının değmenin büyüme evresinde analiz edilmesi amacıyla, moleküler dinamik simülasyonları ve bozulan materyallerin temel prensiplere dayalı elektronik yapı hesaplarını içermektedir, iletkenliğin değişimlerini belirlemek üzere, katmanlı yapıdan ötürü, grafit yüzeyindeki değmenin iletkenliğinin metallere kıyasla belirgin farklılıklar gösterdiğini ispat eden bir teori geliştirildi. Anahtar sözcükler: Grafit, noktasal kuvantum değme, moleküler dinamik simülasyonları, Tersoff potansiyeli, band yapısı hesaplan Abstract ATOMIC, ELECTRONIC, AND TRANSPORT PROPERTIES OF QUANTUM POINT CONTACTS ON GRAPHITE SURFACE Çetin Kılıç M. S. in Physics Supervisor: Prof. Salim Ciraci September 1997 In this thesis, the variation of conductance is investigated through a contact formed by a hard tunneling tip pressing to a graphite substrate. The study involves the molecular dynamics simulations to reveal the atomic structure during the growth of the contact, and the electronic structure calculations of deformed materials from first-principles. A theory is developed to predict the conductance variations, which proves that owing to the layered structure, the conductance of the contact on the graphite surface exhibits dramatic differences as compared to that of metals. Keywords: Graphite, quantum point contact, molecular dynamics simula tions, Tersoff potential, band structure calculations 67

Özet ATOMLARIN METAL YÜZEYLERİNDE YATAY VE DÜŞEY YÖNDE KONTROLLÜ HAREKETLERİ Alper Buldum Fizik Yüksek Lisans Tez Yöneticisi: Prof. Salim Çıracı Kasım 1994 Geçenlerde bazı deneyler, tarama tünelleme mikroskobu (TTM) kullanılarak, metal yüzeylerinde bulunan atomların istenilen pozisyonlara taşınabileceğini gösterdi. Daha fazlası, bir atomun TTM'nin iki elektrodu arasında tersinir bir şekilde, kontrollü olarak hareket ettirilebileceği gösterildi ki bu durumda iki sabit iletkenlik değeri elde ediliyordu. Adsorbe olmuş atomların ya da moleküllerin kontrollü dinamiği yeni bir araştırma alanı açtı. Bu tez çalışması, bir asal gaz atomunun (Xe) metal yüzeylerinde, yatay ve düşey yönde kontrollü hareketlerinin teorik olarak incelenmesidir. Xe atomunun Ni(llO) ve Pt(lll) yüzeylerinde yatay hareketleri Tungsten bir iğne tarafından sağlanıyor. Bu atomun iğne ve metal yüzeğiyle etkileşim enerjisi amprik bir potansiyelle ifade edildi. Moleküler statik metoduyla potansiyel enerji yüzeyleri hesaplandı ve adsorbsiyon pozisyonları tayin edildi. Moleküler dinamik metoduyla, verilen bir iğne yüksekliğinde Xe atomunun koordinatlarındaki değişiklikler elde edildi. İğne yüksekliğine bağlı olarak Xe atomunun üç çeşit hareketi keşfedildi: 1) İtilme 2) Çekilme 3) İğneye yapışarak taşınma. Xe atomunun metal yüzeyi ile iğne arasındaki kontrollü ve tersinir hareketi iniki düzgün Pt(lll) yüzeğiyle çalışıldı. Xe atomunun Pt(lll) yüzeğiyle etkileşimi için kısa mesafe ve uzun mesafe etkileşimlerini içeren ve pek çok deneysel veriyle test edilmiş bir ampirik potansiyel kullanıldı. Atomun efektif yükü ve metal yüzeyi ile arasında oluşan dipol momenti, atomla metal yüzeyi arasındaki mesafenin bir fonksiyonu olarak hesaplandı. Xe atomunun iki Pt(lll) yüzeyi arasındaki potansiyel enerji eğrisi ve bu eğrinin özdeğerleri ve öz fonksiyonları uygulanan voltajın ve iki elektrot arasındaki mesafenin bir fonksiyonu olarak hesaplandı. Bu modelin içinde, Zenon'un tünellemesi, dipol uyarılması ve rezonant tünelleme, elektrogöç gibi Xe atomunun geçişinde rol oynayan çeşitli mekanizmalar incelendi. Xe atomunun geçiş hızı çeşitli mekanizmalara göre hesaplandı. Bu hızın uygulanan voltaja nasıl bağlı olduğu keşfedildi. Toplam geçiş hızının genel davranışı akımın ya da voltajın üstel bir fonksiyonu şeklinde değil. Düşük voltajda sıcaklık destekli atom tünellemesi etkili iken yüksek voltajda dipol uyarılması ve rezonant tünelleme daha etkin oluyor. Anahtar sözcükler: Tarama tünelleme mikroskobu, atom geçişi, atom anahtarı, tünelleme, fiziksel adsorbsiyon, kimyasal adsorbsiyon, Ander son Newns modeli, moleküler statik, moleküler dinamik, elastik olmayan elektron tünellemesi, elektrogöç, dipol uyarılması, rezonant tünelleme. iv Abstract CONTROLLED LATERAL AND PERPENDICULAR MOTION OF ATOMS ON METAL SURFACES Alper Buldum M. S. in Physics Supervisor: Prof. Salim Çıracı November 1994 Nanoscale modification of matter has been the subject of interest. Recently, several experimental studies have demonstrated that by using a scanning tunneling microscope one can translate atoms on metal surfaces to a desired position. Furthermore, it has been shown that an atom between surface and tip can be transferred reversibly which results in bistable conductance. The controlled dynamics of adsorbed species has opened a new field of research. This thesis work provides a theoretical investigation of the controlled lateral and perpendicular motion of an inert gas atom (Xe) on metal surfaces. The lateral motion of Xe on the Ni(llO) and Pt(lll) surfaces is manipulated by a W tip. The interaction energy of the physisorbed atom with the tip and metal surface is described by an empirical potential. Using molecular statics the energy surfaces are calculated and the adsorbtion sites are determined. By using the molecular dynamics calculations, the variation in the coordinates of the adsorbate Xe with the tip moving at a given height are obtained. Three different modes of Xe translation are distinguished depending on the height of the tip. These are i) carriage on the tip, ii) pushing and, iii) pulling modes. The rangeof the tip height where one of these modes occur is strongly depended on the relaxation of electrodes and the geometry of the tip. Controlled and reversible transfer of atoms between the metal surface and the tip is studied by the transfer of Xe between two flat Pt(lll) surfaces. Physisorption of Xe on the Pt(lll) surface is studied by an empirical potential including short and long-range interactions and yielding correct account of several experimental data. Effective charge on Xe and the dipole moment constructed therefrom are calculated as a function of the Xe-surface separation. The potential energy curve of Xe between two Pt(lll) surfaces and quantum states of Xe therein are calculated as a function of the applied voltage and separation between two Pt(lll) surfaces. Within this model, various mechanisms, such as tunneling of Xe, dipole excitation and resonant tunneling, electromigration contributing to the transfer of Xe are examined. The transfer rate of Xe is then calculated for different mechanisms. Its dependence on the bias voltage is explored. The overall behavior of the total transfer rate is not a power law. While at low bias voltages thermal assisted atom tunneling is effective, the dipole excitation and resonant tunneling becomes dominant at high bias voltages. Keywords: Scanning tunneling microscope, atom transfer, atom switch, physisorption, chemisorption, Anderson-Newns model, molec ular statics, molecular dynamics, inelastic electron tunneling, electromigration, dipole excitation, resonant tunneling. 11 69

Özet DUŞUK BOYUTLU YARIİLETKEN SİSTEMLERİN ELEKTRONİK YAPISI Oğuz Gülseren Fizik Doktora Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Salim Çıracı Temmuz 1992 Büyütme tekniklerindeki son gelişmeler düşük boyutlu yapay yarıiletken sistemlerinin üretimini sağlamıştır. Bu malzemelerde bulunan serbest elektron ve boşluklar üç boyutlu sistemlerdekine göre farklı bir kuantumlaşma ile alışılmamış elektronik özellikler göstererek yeni aygıt uygulama alanlarına yol açmaktadırlar. Bu çalışmada, yarıiletken süperörgülerindeki serbest taşıyıcıların önemli nitelikleri anlatıldı ve bazı 2 boyutlu yarıiletken sistemlerin elektronik yapısı kuramsal olarak incelendi. Bunlar gerilmiş Si/Ge süperörgüleri, 6- katkılama, Si (100) yüzeyi ve bu yüzeyin tarama tünelleme mikroskobu ile incelenmesinde ki uç-örnek etkileşimleri ve sınırlı uzunluktaki süperörgülerde Wannier-Stark yerelleşmesi olarak sıralanabilir. Gerilmiş Gem/Sin süperörgülerinin elektronik yapısı, denemesel sıkı bağlanma yöntemi kullanılarak çalışıldı. Kuşak süreksizliği, alt-örgü periyodu ve yatay örgü değişmezinin geçiş enerjileri üzerine etkileri incelendi, m + n = 10vera = 6 iken Ge (001) üzerine büyütülmüş GeTO/Sin süperörgülerinin direk kuşak aralığı olabileceği bulundu. Öte yandan, süperörgü Brillioun bölgesinin merkezinde, en yüksek değerlilik kuşağından en düşük iletkenlik kuşağına olan geçişlerin düzlem iviçi veya dik polarize olmuş ışık için optik matris elemanlarının çok küçük olduğu bulundu. Germanyum içindeki Si ^-tabakasının elektronik yapısı tabaka orbitalleri ile yazılmış Green fonksiyonu ile incelendi. Kuşak kenarlarında iki boyutlu parabolik alt-kuşaklar bulundu. Bu yaklaşım, periyodik yinelenen modelleri kullanmadan tek kuantum kuyusunun elektronik yapısını hesaplamak için de geliştirildi. Değişik sayıda ^-tabakası kullanarak GemSin süperörgülerinde kuantum kuyusu oluşumu çalışıldı. Silisyum kuantum kuyusunun yüksekliği değiştirilerek alt- kuşak yapısı gözlendi. İki boyutlu elektron gazında (2BEG), sadece elektron-fonon etkileşiminden dolayı akustik modların sınırlanması öne sürüldü. Örneğin modulasyon katkılama gibi bir yolla yaratılan 2BEG'da sınırlanmış modlar düzgün örgü özelliklerinde bile bulk fononlarından ayrılırlar. Bu etki, modların dalga vektörü q ile artar ve q = 2kp (kp Fermi dalga vektörüdür) iken en yüksek olur. Birçok elektron tabakası bulunduğu durumda sınırlanma etkisinin değişik özellikleri gözükür. Si (100) yüzeyinin tarama tünelleme mikroskobu ile incelenmesi ve uç-örnek etkileşimleri Green fonksiyonu yöntemi ile araştırıldı. Kuşak hesaplamalarında denemesel sıkı bağlanma metodu kullanıldı. Asimetrik ve simetrik dimer yüzey yeniden yapılanma modellerinin her ikisi de incelendi. Küçük uç-örnek uzaklıklarında, yüzey atomlarının durum yoğunluklarının değişiminde, SN, yüzey durum enerjilerinde bir düşme gözlendi. Bu düşme, uç-örnek uzaklığı artıkça azaldı. Uç atomunun aşağıdaki veya yukarıdaki yüzey atomunun üzerinde olması AiV'ni asimetrik dimer modelinde farklı etkilerken, simetrik dimer modelinde simetrik bir değişim gözlendi. Son deneysel çalışmalar Wannier-Stark yerelleşmesi üzerinde önemli bilgiler vermiştir. Bu çalışmaları göz önüne alarak, elektrik alan uygulanmış süperörgü yapılarında sayısal hesaplamalar ile Wannier-Stark merdiveni incelendi. Geniş bir elektrik alan aralığında, Wannier-Stark merdiveni enerjilerinin değişimi ve karşılık gelen dalga fonksiyonlarının yerelleşmesi araştırıldı. Sonuçlarımız, çok sayıda kuantum kuyusu ve çok kuşak içeren sınırlı periyodik sistemlerde Wannier- Stark merdiveninin bulunduğunu gösterdi. Mini-kuşak durumlarının elektrikalan uygulanmasıyla kuantum kuyularında yerelleştiği bulundu. Bu durumların enerjileri elektrik alanı ile doğrusal bir kayma gösterdi. Fakat, küçük alan değerlerinde doğrusal olmayan bir kayma bulundu. Çok kuşak hesaplamaları, değişik kuyu bölgelerinde sınırlanmalarına karşın değişik kuşak durumlarının karıştığını göstermiştir. Anahtar ^ sözcükler: Süperörgü, kuantum kuyusu, örgü uyuşmazlığı, gerilmiş süperörgüler, deformasyon potensiyeli, optik geçişler, denemesel sıkı bağlanma yöntemi, Green fonksiyonu, tabaka orbitali, £-katkılama, akustik fonon sınırlanması, elektron- fonon etkileşimi, tarama tünelleme mikroskobu, uç-örnek etkileşimi, yüzey yeniden yapılanması, Wannier-Stark merdiveni, Wannier-Stark yerelleşmesi. vı Abstract ELECTRONIC STRUCTURE OF LOW DIMENSIONAL SEMICONDUCTOR SYSTEMS Oğuz Gülseren Ph. D. in Physics Supervisor: Prof. Dr. Salim Çıracı July 1992 Recent progress made in the growth techniques has led to the fabrication of the artificial semiconductor systems of lower dimension. Electrons and holes in these materials have quantization different from those of the three dimensional systems presenting unusual electronic properties and novel device applications. In this work, the important features of the free carriers in semiconductor superlattices are examined, and the electronic structure of some novel 2D semiconductor systems are investigated theoretically. This thesis studies various systems of lower dimensionality such as: the strained Si/Ge superlattices, 6-doping, Si (100) surface and the tip-sample interaction in scanning tunneling microscopy (STM) study of this surface, and Wannier-Stark localization in finite length superlattices. The electronic energy structure of pseudomorphic Gem/Sin superlattices is investigated by using the empirical tight binding method. Effects of the band offset, sublattice periodicity and the lateral lattice constant on the transition energies have been investigated. It is found that Gem/Si` superlattices grown on Ge (001) can have a direct band gap, if m + n = 10 and m = 6. However, optical matrix elements for in-plane and perpendicular polarized light are negligible forthe transition from the highest valence band to the lowest conduction band state at the center of the superlattice Brillouin zone. The electronic structure of the Si £-layer in germanium is explored by using the Green's function formalism with layer orbitals. We found two dimensional parabolic subbands near the band edges. This approach is extended to treat the electronic structure of a single quantum well without invoking the periodically repeating models. Quantum well formation in GemSin superlattices is also studied by using different number of ^-layers. Subband structure is observed by changing the height of the Si quantum well. The confinement of acoustical modes within 2D EG due to only the electron- phonon interaction is proposed. The confined modes split out from the bulk phonons, if the 2D EG is created by means of modulation doping. This occurs even if the lattice has uniform parameters. The effect is more pronounced when the wave vector q of the modes increases and is maximum at q = 2kp (kp is the Fermi wave vector). In the case of several electron sheets the additional features of the confinement effect appear. Green's function method is also applied to treat the modifications of electronic state density in STM. The tip-sample interaction in STM study of Si (100) surface is explored by calculating the Green's function within the empirical tight binding method. Both of the proposed reconstruction models, buckled and symmetrical dimer model, is investigated. A dip occurs in the change of density of states of surface atoms at the energy of surface states for small tip-sample distances, and it decreases with increasing tip-sample separation. Although, in-plane tip position (above the up- or down-surface atom) affects the surface atoms differently in buckled dimer model, it influences the surface atoms symmetrically in symmetric dimer model. Recent experimental studies revealed the significant information on the Wannier-Stark localization. Following these experimental results, the Wannier- Stark ladder is investigated by carrying out numerical calculations on a multiple quantum well structure under an applied electric field. The variation of the Wannier-Stark ladder energies and localization of the corresponding wave nfunction are examined for a wide range of applied electric field. Our results show that Wannier-Stark ladder do exist for finite but periodic system which consists of a large number of quantum well having multi-miniband structure. It is found that the miniband states are localized in the well regions with the applied electric field, while the continuum states preserve their extended character. Energies of the well states show a linear shift with the electric field except the small field values in which a nonlinear shift is resulted. Multiband calculations show that there is a mixing between the different band states although they are localized in different well regions. Keywords: Superlattice, quantum well, mismatch, strained superlattice, deformation potential, optical transition, empirical tight binding method, Green's function, layer orbital, 6-doping, acoustical phonon confinement, electron-phonon interaction, scanning tunneling microscopy, tip-sample interaction, surface reconstruction, Wannier-Stark ladder, Wannier-Stark localiza tion. m 159

Özet DUŞUK BOYUTLU USTÜNILETKEN SİSTEMLER. M. Zafer Gedik Fizik Doktora Tez Yöneticisi: Prof. Salim Çıracı Eylül 1992 Son beş yılı üstüniletkenliğin altın devri olarak adlandırmak mümkündür. Bu alandaki en önemli iki gelişme bakır oksit ve fullerene üstüniletkenlerin bulunuşudur. Bu çalışmada, düşük boyutluluk vurgulanarak, bu malzemelerdeki bazı olası çift oluşturma mekanizmaları incelendi. İlk olarak, etkileşen kuvantum kuyu çiftlerinin elektrik alanındaki mümkün fazlarını belirleyebilmek için, eski bir problem, uzayda ayrılmış elektron-delik sistemi çalışıldı, ikinci olarak, mikroskopik bir model ve bu modelin Ginzbur-Landau şekliyle, değişken sayıda tabakalardan oluşan yapıların üstüniletkenlik geçiş sıcaklıkları ve dış manyetik alanlara tepkileri araştırıldı. Ayrıca bir tabakalar arası çiftleşme mekanizmasının, fonon aracılı tünelleme, üstüniletkenliğe yol açabileceği gösterildi. Son olarak, fullerene moleküllerinin küresel şekillerinin etkileri bir molekül üzerinde kısa menzilli çekici bir potensiyelle etkileşen iki fermiyon problemi çözülerek incelendi. Alkali metal katkılı fullerene'lerde gözlenen üstüniletkenliğin mümkün bir mekanizması olarak, elektronlarla moleküllerin ışınsal yöndeki titreşimlerinin etkileşimleri araştırıldı. mAnahtar sözcükler: Ustüniletkenlik, etkileşen kuvantum kuyu çiftleri, uzayda ayrılmış elektron- delik sistemleri, Kosterlitz-Thouless geçişi, Wigner kristali, uyartı yoğunlaşması, tabakalı üstüniletkenler, üstüniletken-yalıtkan üstünörgüleri, üstüniletken ince film leri, yüksek sıcaklık üstüniletkenleri, fonon aracılı tünelleme, elektron-fonon etkileşimi, fullerene'ler, bağlı-durum oluşumu, polaron, negatif U Hubbard modeli. Abstract SUPERCONDUCTING SYSTEMS OF LOW DIMENSIONALITY M. Zafer Gedik Ph. D. in Physics Supervisor: Prof. Salim Çıracı September 1992 It is possible to call the last five years as the golden age of superconductivity. The two most important developments in the field are the discovery of copper oxide and fullerene superconductors. In this work, some possible pairing mechanisms for these materials are examined by giving emphasis on the reduced dimensionality. First, an older problem, spatially separated electron-hole system, is investigated to identify the possible phases in coupled double quantum well structures in electric field. Secondly, the superconducting transition temperature and response to external magnetic fields of layered systems with varying number of layers are studied by means of a microscopic model and its Ginzburg- Landau version. It is also shown that an interlayer pairing mechanism, phonon assisted tunneling, can induce superconductivity. Finally, effects of the spherical structure of fullerenes are examined by solving a two fermion problem on an isolated molecule where the particles interact via a short range attractive potential. As a possible mechanism of superconductivity in alkali metal doped fullerenes, coupling between electrons and the radial vibrations of the molecule is investigated.Keywords: Superconductivity, coupled double quantum wells, spatially separated electron-hole system, Kosterlitz-Thouless transition, Wigner crystal, exciton condensation, layered superconductors, superconductor-insulator superlattices, superconducting thin films, high temperature superconductors, phonon assisted tunneling, electron-phonon interaction, fullerenes, bound-state formation, polaron, negative U Hubbard model. n 100

ÖZET YÜKSEK Tc ÜSTÜİLETKENLİK M. Zafer Gedik Fizik Yüksek Lisans Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Salim Çıracı Aralık, 1989 Yüksek sıcaklık üstüniletkenliğindeki son gelişmelerin bir tekrarı yapıldı. Yeni malzemelerin fiziksel özellikleri özetlendi. Yüksek Tcry/ açıklamak amacıyla ileri sürülen yeni teoriler anlatıldı. Özel bir yönser aralık durumunda, yüksek Tc üstüniletkenlerinden yapılan eklemlerde, tek parçacık tünellemesi için akım ve iletkenlik hesaplandı. Tünellemenin düzgün olduğu varsayıldı. İletkenlik eğrisindeki tepenin konumunun, Fermi yüzeyinin şekliyle belirlendiği bulundu. İki geometri göz önüne alındı: CuOı düzlemlerine koşut ve dik tünelleme. Bu iki konum için bulunan tepe konumlarının sırasının, deneysel sonuçlara ters düştüğü görüldü. Tek kuşak üstüniletkenlik teorisinin, gözlenen tünelleme izgelerini açıklamaya yeterli olmadığı sonucuna varıldı. Anahtar kelimeler : Üstüniletkenlik, yönser aralık, yüksek sıcaklık üstüni letkenlik, tünelleme. iv ABSTRACT HIGH Tc SUPERCONDUCTIVITY M. Zafer Gedik M. S. in Physics Supervisor: Prof. Dr. Salim Çıracı December, 1989 A critical summary of the recent developments in high temperature super conductivity is given. Physical properties of the new materials are summarized. The new theories proposed to explain high Tc are reviewed. In the case of a special type anisotropic gap, the currents and conductivity for single particle tunneling in high Tc superconductor junctions are calculated. Tunneling is as sumed to be specular. The position of the peak in the conductivity curve, is found to be determined by the shape of the Fermi surface. Two geometries are considered: tunneling parallel and perpendicular to CnOi planes. The order of the peaks for these two configurations turns out to be opposite to experimental results. It is concluded that, conventional one band theory of superconductivity is not enough to explain observed tunneling spectra of high Tc superconductors. Keywords: Superconductivity, anisotropic gap, high temperature supercon ductivity, tunneling. in 138

ÖZETÇE TARAMA TÜNELLEME MİKROSKOBUNUN ATOMSAL KURAMI TEKMAN, Ahmet Erkan Yüksek Lisans Tezi, Fizik Bölümü Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Salim Çıracı Ocak 1988, 99 sahife Tarama Tünelleme Mikroskobunun yüzey yapısı belirlenmesinde güçlü bir araç olduğu ortaya çıkmıştır. Şu ana kadar öne sürülen kuramlar uç yüzeyden uzakta iken mikroskobun çalışma ilkesini açıklayabilmektedirler. Ufak uç yüksekliği durumunda uç ile yüzey arasında atomik boyuttaki etkileşimin kurama eklenmesi gerekmektedir. Uç ve yüzeyin oluşturduğu bileşik sistemin elektronik yapısı Denemesel Sıkı Bağlanma yöntemi ile grafit için hesaplandı. Uç çevresinde Uç Güdümlenmiş Yöreselleşmiş Durumlar oluştuğu bulundu. Bu durumların tünellenme olayında önemli katkılarının olduğu gözlendi. Bu durumların tünelleme akımına katkıları hesaplandı. Anahtar sözcükler: Tarama Tünelleme Mikroskobu, Tünelleme, Deneme sel sıkı Bağlanma, Uç Güdümlenmiş Yöreselleşmiş Durumlar, Grafit. iii ABSTRACT ATOMIC THEORY OF THE SCANNING TUNNELING MICROSCOPE TEKMAN, Ahmet Erkan M. S. in Physics Supervisor : Prof. Dr. Salim Çıracı January 1988, 99 pages The Scanning Tunneling Microscope is proven to be one of the most powerful tools for surface structure determination. Present theories are able to explain the operation of the microscope when the tip is far from the surface. For the small tip height case the atomic-scale interaction of the tip and the surface has to be included in the theory. The electronic structure of the combined system of the tip and the surface is calculated with an Empirical Tight Binding approach for graphite. It is found that in the vicinity of the tip some Tip Induced Localized States are formed. These states play an important role in the tunneling phenomenon. The contribution of these states to the tunneling current is calculated. Key words: Scanning Tunneling Microscopy, Tunneling, Empirical Tight Binding, Tip Induced Localized States, Graphite. ii 99