İki Boyutlu Van der Waals Malzemelerin Termoelektrik Özelliklerinin İncelenmesi
Tez Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Üniversitesi, Fen Fakültesi, Fizik Bölümü, Türkiye
Tez Danışmanı: Fahrettin Sarcan
Tezin Onay Tarihi: 2026
Tezin Dili: Türkçe
Özet:
Küresel ölçekte artan enerji tüketimi, sürdürülebilir, verimli ve güvenilir enerji teknolojilerine yönelik araştırmaları daha önemli bir hale getirmiştir. Bu kapsamda enerji verimliliğinin artırılması ve atık olarak açığa çıkan ısının yeniden kullanılabilir enerjiye dönüştürülmesi güncel araştırma konularındandır. Termoelektrik sistemler, sıcaklık farkını doğrudan elektrik enerjisine dönüştürebilmeleri sayesinde atık ısı geri kazanımı açısından enerji dönüşüm teknolojilerinden biri olarak öne çıkmaktadır. Bu sistemlerde yüksek verim elde edilebilmesi, malzemenin elektriksel ve termal taşınım özelliklerinin birlikte kontrol edilebilmesine bağlıdır. Geleneksel termoelektrik malzemelerde performans artışının sınırlı kalması, araştırmaları düşük boyutlu malzeme sistemlerine yönlendirmiştir. Bu doğrultuda atomik kalınlığa sahip iki boyutlu yarıiletken malzemeler ve özellikle geçiş metali dikalkojenitleri, tabaka sayısına bağlı olarak değişebilen elektronik yapıları, yüksek yüzey/hacim oranları ve sınır-arayüzey kaynaklı fonon saçılmaları nedeniyle termoelektrik araştırmalar için dikkat çekici bir malzeme grubu olarak öne çıkmaktadır. Ancak bu malzemelerin termal iletkenlikleri; tabaka sayısı, alttaş türü ve arayüzey etkileşimlerine bağlı olduğu için sistematik olarak incelenmesi gerekmektedir.
Bu tez kapsamında, MoS2’nin tabaka sayısına ve bulunduğu alttaşın özelliklerine bağlı termal özellikleri optotermal Raman yöntemiyle incelenmiştir. Bu amaçla farklı tabaka sayılarına sahip MoS2 pulları mekanik soyma yöntemiyle elde edilmiş ve viskoelastik transfer yöntemiyle SiO2/Si, Si3N4 ve PDMS alttaşları üzerine aktarılmıştır. İncelenen 1L, 4L ve külçe MoS2 örneklerinin tabaka sayıları oda sıcaklığında gerçekleştirilen fotolüminesans, Raman spektroskopisi ve Atomik Kuvvet Mikroskobu ölçümleri ile belirlenmiştir. Daha sonra sıcaklığa ve laser gücüne bağlı Raman ölçümleri kullanılarak MoS2’ye ait karakteristik Raman modlarının pik konumlarındaki değişimler analiz edilmiş, sıcaklık katsayıları ve laser gücüne bağlı Raman katsayıları elde edilmiştir. Elde edilen katsayılar kullanılarak farklı alttaşlar üzerindeki MoS2 örnekleri için optotermal Raman yaklaşımı kapsamında termal iletkenlik/etkin termal iletkenlik değerleri hesaplanmıştır. Böylece tabaka sayısı ve alttaş türünün MoS2’nin termal taşınım davranışı üzerindeki etkisi karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir.
Elde edilen sonuçlar, MoS2 örneklerinin termal iletkenlik katsayılarının hem tabaka sayısına hem de alttaş türüne bağlı olarak belirgin şekilde değiştiğini göstermiştir. 1L MoS2 için en yüksek termal iletkenlik değeri SiO2/Si alttaş üzerinde 63,5 W m-1.K-1 olarak hesaplanırken, Si3N4 ve PDMS alttaşları üzerinde bu değerler sırasıyla 22,5 W m-1.K-1 ve 20,8 W m-1.K-1 olarak bulunmuştur. 4L MoS2 örneklerinde termal iletkenlik değerleri SiO2/Si, Si3N4 ve PDMS alttaşları için sırasıyla 27,5 W m-1.K-1, 23,4 Wm-1.K-1 ve 22,3 W m-1.K-1 olarak elde edilmiştir. Külçe MoS2 örneklerinde ise bu değerler aynı alttaşlar için sırasıyla 22,8 W m-1.K-1, 37,8 W m-1.K-1ve 25,9 W m-1.K-1 olarak belirlenmiştir. Bu bulgular, MoS2’nin termal taşınım davranışında tabaka sayısının yanı sıra alttaş kaynaklı ısı yayılımı, arayüzey etkileşimleri ve fonon saçılma süreçlerinin belirleyici olduğunu ortaya koymaktadır. Bu nedenle, 2B TMD tabanlı termoelektrik ve optoelektronik aygıtların tasarımında malzemenin yalnızca tabaka sayısının değil aynı zamanda bulunduğu alttaşın da dikkate alınması gerekmektedir.