Enerji dönüşüm teknolojilerinde verimlilik arayışı sürerken, kristal yapının atomik düzeyde doğru tahmini kritik bir eşik olarak öne çıkıyor. Aksaray Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü’nde tamamlanan doktora çalışması, bakır sülfür ve bakır selenür bileşiklerinin bilinmeyen yapısal potansiyelini hesaplamalı yöntemlerle gün yüzüne çıkardı.
Bu çalışma, yalnızca mevcut fazları analiz etmekle kalmadı; aynı zamanda daha önce rapor edilmemiş olası kristal fazları da öngörerek literatürde önemli bir boşluğu doldurdu.
Evrimsel Algoritmalarla Kristal Avı
Araştırmada kristal yapı tahmini için evrimsel algoritma temelli USPEX yöntemi kullanıldı. Hesaplamalar, yoğunluk fonksiyonel teorisine (DFT) dayalı olarak VASP paket programı aracılığıyla gerçekleştirildi.
Genelleştirilmiş Gradyan Yaklaşımı (GGA-PBE) ve Projektör Artırılmış Dalga (PAW) potansiyelleri kullanılarak yapılan ilk prensip hesaplamalar, olası fazların enerji-minimum yapılarını belirlemeye odaklandı.
Sonuç çarpıcıydı:
-
Cu₂S için ilk kez 14 olası faz
-
Cu₂Se için ilk kez 4 olası faz
Toplamda 18 potansiyel kristal yapı ilk kez hesaplamalı olarak tahmin edildi.
Sadece Yapı Değil: Mekanikten Titreşime Derin Analiz
Kararlı bulunan tüm fazlar için kapsamlı fiziksel analizler gerçekleştirildi:
Yapısal Özellikler
Örgü parametreleri, taban durum hacimleri ve oluşum entalpileri hesaplandı ve mevcut deneysel verilerle karşılaştırıldı.
Mekanik Özellikler
Elastik sabitler (Cij), Bulk modülü (B), Shear modülü (G), Young modülü (E), Poisson oranı ve anizotropi faktörleri detaylı biçimde incelendi. Debye sıcaklıkları ve ses hızları hesaplanarak mekanik kararlılık analiz edildi.
Elektronik Özellikler
Bant yapıları ve durum yoğunluğu (DOS) analizleriyle fazların yarı iletken karakterleri ortaya kondu. Hesaplanan bant aralıkları literatür verileriyle karşılaştırıldı.
Titreşimsel Özellikler
Fonon dispersiyon eğrileri ve kısmi durum yoğunlukları (PDOS) hesaplanarak dinamik kararlılık test edildi.
Termoelektrik Ufukta Yeni Olasılıklar
Bakır sülfür ve bakır selenür bileşikleri, yüksek sıcaklıklarda süperiyonik iletkenlik ve düşük kafes termal iletkenlik gibi özellikleri nedeniyle termoelektrik uygulamalar açısından büyük önem taşıyor. Bu çalışma, kristal yapı tahmini üzerinden bu malzemelerin sentezlenebilir yeni fazlarını işaret ederek enerji dönüşüm teknolojilerinde yeni tasarım perspektifleri sunuyor.
Özellikle:
-
A2B-tipi yapılarda sentezlenebilirlik olasılığı
-
Deneysel fazlarla karşılaştırmalı kararlılık analizi
-
Yüksek basınç koşullarında potansiyel faz davranışları
gibi başlıklar, ileri malzeme tasarımı açısından dikkat çekici bulgular ortaya koyuyor.
Literatürdeki Boşluk Dolduruldu
Tez kapsamında vurgulanan önemli bir nokta da şu: Cu₂S ve Cu₂Se kristalleri üzerinde doğrudan kristal yapı tahminine yönelik kapsamlı bir çalışma daha önce rapor edilmemiştir. Bu araştırma, evrimsel algoritmalarla sistematik faz araması yaparak bu eksikliği gidermektedir.
Hesaplamalı malzeme bilimi, deneysel sentez öncesi güçlü bir yol haritası sunuyor. Bu doktora çalışması, yalnızca iki önemli termoelektrik bileşiğin yapısal evrenini genişletmekle kalmıyor; aynı zamanda kristal yapı tahmin yöntemlerinin malzeme tasarımındaki dönüştürücü rolünü de somut biçimde ortaya koyuyor.
Enerji teknolojilerinde verimlilik artışı arayışı sürerken, atomik düzeyde yapılan bu tür öngörüler geleceğin malzemelerine yön verecek nitelikte.
Kaynak
Akgün, M. (2025). Hesaplamalı Yöntemlerle Cu₂S ve Cu₂Se Bileşiklerinin Kristal Yapılarının Tahmini ve Analizi. Doktora Tezi, Aksaray Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Fizik Anabilim Dalı. Tez No; 988866
