Graphene-like materials for electronic applications

Abstract

Two-dimensional (2D) materials have gained vast interest in nanotechnology since these materials exhibit extraordinary properties due to electron confinement. Starting with graphene, many other 2D materials with characteristics of metals, semiconductors, insulators, and their magnetic analogues have been studied over the years. Insulators show importance as dielectric layers. Low dimensional metallic materials are used in electrical conduction. Ultra-thin semiconductors have variety of potential applications due to their characteristic band gap. Magnetic analogues of low dimensional materials are used in spintronics, offering high frequency, controllable switching. In addition, defects in these materials alter their physical properties and the concept can be adopted in order to use in different practices. Therefore it is important to study array of such materials and consider the alteration in their lattice theoretically and experimentally. In this thesis, first-principles calculations are used to predict insulating calcium halide single-layers are predicted, determine the effects of strain and V dopant in recently synthesized magnetic semiconducting VI3 single-layers, propose synthesis of magnetic, semiconducting manganese fluorides from manganese dichalcogenides, investigate the affects of defects and simulate scanning tunneling microscopy images in order to compare with experimental results, and finally to determine rather the detection of volatile organic compounds (VOC) such as methanol and ethanol by graphene-based sensors is feasible or not. Experiments are carried out to construct and further investigate the mechanism of VOC detection and working, highly sensitive alcohol sensors.

İki boyutlu (2B) malzemeler, electronların hapsolması sonucu olağanüstü sonuçlar sergilemesinden dolayı nanoteknolojide büyük ilgi görmüştür. Grafen ile başlayarak, diğer metal, yarı-iletken, yalıtkan ve bunların manyetik analogları olan diğer 2B malzemeler yıllardır çalışılmaktadır. Yalıtkan malzemeler dielektrik tabakalar olarak önem göstermektedir. Düşük boyutlu metalik malzemeler elektrik iletiminde kullanılır. Ultra-ince yarı-iletkenlerin, karakteristik band aralıkları nedeniyle farklı uygulamalarda potansiyel uygulamaları mevcuttur. Düşük boyutlu malzemelerin manyetik analogları spintronikte kullanılır ve yüksek frekanslı, kontrol edilebilir anahtarlama sunar. Bunlara ek olarak, bu malzemelerdeki kusurlar fiziksel özelliklerini değiştirmekte ve bu konsept farklı uygulamalarda kullanılmak benimsenebilmektedir. Bu nedenle, bu tür malzemeler dizisini incelemek ve yapılarındaki değişimi teorik ve deneysel olarak değerlendirmek önemlidir. Bu tezde, ilk-prensip hesaplamaları kullanılarak yalıtkan kalsiyum halojenürlerin tek-tabakalı yapıları öngörülmesi; manyetik yarı-iletken VI3 tek-tabakalı yapılarında gerilim uygulayarak ve V katkısı yapılarak etkileri incelenmesi; ultra-ince manyetik yarı-iletken mangan florürlerin 2B mangan dikalkojenürler kullanılarak sentezlenmesi; kusurların etkilerini incelemek ve taramalı tünelleme mikroskobu resimlerini simüle ederek deneysel verilerle karşılaştırılması; ve son olarak da metanol ve etanol gibi uçucu organik bileşiklerin (UOB) grafen-bazlı sensörler kullanılarak tayin edilmesi gerçekleştirilmiştir. Deneysel olarak da, UOB tayininde kullanılmak ve tayin mekanızmasını incelemek üzere çalışan, yüksek hassaslıkta cihaz geliştirilmiştir.