The simulations of amorphous boron materials

Abstract

Boron-based materials and their technological applications have great interests in many scientific and technological areas from materials science to medicine. This doctorate thesis was prepared for the purpose of investigating the atomic structure, electrical and mechanical properties of different boron based amorphous materials by using an ab-initio molecular dynamics technique. The results obtained via a computational method were presented in three main chapters. In the Chapter 3, the influence of hydrogenation on the atomic structure and the electronic properties of amorphous boron nitride (ɑ-BN) was examined. The structural evaluation of ɑ-BN and the hydrogenated (ɑ-BN:H) models revealed that their short-range order was mainly similar to each other. Hydrogenation suppressed the formation of twofold coordinated chain-like structures and tetragonal-like rings and leaded to more sp2 and even sp3 bonding. Furthermore, hydrogenation was found to have an insignificant impact on the electronic structure of ɑ-BN. Secondly, in the Chapter 4, an amorphous boron carbide (a-B4C) model was generated. The pentagonal pyramid-like motifs were found to be the main building units of B atoms in a-B4C and some of which yielded the development of B12 icosahedra. On the other hand, the fourfold-coordinated units were the leading configurations for C atoms. a-B4C was a semiconducting material and categorized as a hard material. In the Chapter 5, amorphous boron carbides (BxC1-x, 0.50x0.95) were systematically created. With increasing B/C ratio, more closed packed materials having pentagonal pyramid motifs form. All models were semiconducting materials. Some amorphous compositions were proposed to be hard materials. Keywords: Amorphous, Hydrogenation, Boron Nitride, Boron Carbide, Ab-initio molecular dynamics technique

Bor esaslı malzemeler ve teknolojik uygulamaları malzeme biliminden tıp alanına kadar birçok bilimsel ve teknolojik alanda büyük bir ilgi görmektedir. Bu doktora tezi, ab-initio moleküler dinamik tekniğini kullanarak farklı amorf bor malzemelerin atomik yapısını, elektronik ve mekanik özelliklerini incelemek amacıyla hazırlanmıştır. Hesaplamalı metot aracılığıyla elde edilen sonuçlar üç ana bölümde rapor edilmiştir. Bölüm 3'te, amorf bor nitrürün (ɑ-BN) atomik yapısı ve elektronik özelliklerine hidrojen eklemenin etkisi incelenmiştir. ɑ-BN ve dört farklı hidrojen konsantrasyonuna sahip ɑ-BN:H modellerinin yapısal değerlendirmeleri kısa erim düzenlerinin esas olarak birbirleriyle aynı olduğunu göstermiştir. Hidrojenasyon, iki kat koordinatlı zincir benzeri yapıların ve dörtgen benzeri halkaların oluşumunu baskılar ve daha fazla sp2 ve hatta sp3 bağı oluşmasına sebep olur. Ayrıca, hidrojenasyonun ɑ-BN'nin elektronik yapısı üzerinde önemsiz bir etkiye sahip olduğu görülmüştür. İkinci olarak, bölüm 4'te, amorf bor karbür (a-B4C) modeli oluşturuldu. B atomları için beşgen piramit benzeri motifler, a-B4C'deki ana yapı birimleridir ve bazıları B12 ikosahedralarının oluşumuna sebep olur. Öte yandan, dört kat koordinatlı birimler C atomları için önde gelen konfigürasyonlardır. a-B4C yarıiletken bir malzemedir ve sert malzeme olarak kategorize edilebilir. Bölüm 5'te, farklı B oranlarına sahip amorf bor karbür bileşikleri (BxC1-x, 0.50x0.95) oluşturulmuştur. Artan B/C oranıyla, beşgen piramit motiflerden oluşan daha kompakt malzemeler oluşur. Amorf bor karbür modellerin hepsi yarı iletken malzemelerdir. Bazı amorf bileşiklerin sert malzemeler olduğu önerilmiştir.. Anahtar Kelimeler: Amorf, Hidrojenleşme, Bor Nitrür, Bor Karbür, Ab-initio moleküler dinamik tekniği