İki Boyutlu Sistemler ile Au Arayüzlerinin Nanotribolojik Özellikleri Üzerine Teorik ve Deneysel Bir Çalışma

TOFFOLİ, Daniele; TOFFOLİ, Hande

İki Boyutlu Sistemler ile Au Arayüzlerinin Nanotribolojik Özellikleri Üzerine Teorik ve Deneysel Bir Çalışma

Yürütücü

Hande TOFFOLİ (Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü, Ankara, Türkiye)

Araştırmacı(lar)

Daniele TOFFOLİ (Adres Yazılmamış)

6 6

Proje Grubu: MFAG Sayfa Sayısı: 0 Proje No: 115F493 Proje Bitiş Tarihi: 01.04.2019 Metin Dili: Türkçe İndeks Tarihi: 17-03-2020

İki Boyutlu Sistemler ile Au Arayüzlerinin Nanotribolojik Özellikleri Üzerine Teorik ve Deneysel Bir Çalışma

Öz:

2015 yılında yayınlanan bir rapora göre dünya enerji üretiminin yaklaşık beşte biri sürtünme sonucu kaybolmaktadır. Özellikle otomotiv sanayisinde bu kaybın 2012 yılı itibarıyla, toplam maliyetin üçte birine kadar çıkabildiği belirtilmiştir. Gerek çevre kirliliğini azaltmak, gerekse sürtünme sonucunda ortaya çıkan aşınmayı yavaşlatmak açısından, malzemeler arasındaki sürtünme kuvvetlerinin davranışının anlaşılması ve azaltılması son derece önemlidir. Leonardo Da Vinci ile başlayıp Amontons ve Coulomb?a kadar uzanan ve triboloji olarak adlandırılan sürtünme ve aşınma çalışmalarında gelinen en son nokta, sürtünmenin atomistik özelliklerinin ele alınması olmuştur. Gittikçe küçülen skalalarda üretim teknolojilerinin ilerlemesiyle beraber nanoboyuttaki sistemler ulaşılabilir hale gelmiştir. Grafit ve diğer katmansal yapılar, katmanlar arasındaki etkileşmenin küçük olmasından dolayı iyi birer kaydırıcı malzeme adayıdır. Gerçekten de grafenin katmanları arasındaki sürtünme katsayısının konvansiyonel malzemelere göre çok daha düşük olduğu kanıtlanmıştır. Literatürde bu tür iki boyutlu sistemlerin kendi aralarında oluşturduğu arayüzlerin sürtünme davranışı üzerine birçok çalışma olsa da bu malzemelerle metal yüzeyleri arasındaki arayüzler üzerine incelemeler çok daha azdır. Projemizde, literatürdeki bu açığın giderilmesi amacıyla altın (Au) ve iki boyutlu sistemler arasındaki çeşitli arayüzlerin tribolojik özellikleri hem deneysel hem de teorik olarak ele alınmıştır. Teorik olarak yük yoğunluğu fonksiyoneli teorisi (DFT) ve moleküler dinamik (MD); deneysel olarak ise atomik kuvvet mikroskopisi (AKM) ile gerçekleştirilen çalışmalarımızda grafen/Au, h-BN/Au ve MoS2/Au arayüzlerinin özellikleri incelenmiştir. Ayrıntılı sonuçlarımızdan her üç katmanlı materyalin de Au ile olan arayüzünde son derece düşük bir sürtünme katsayısına sahip olduğu ıspatlanmıştır. Hem yığın Au hem de Au kümeleri ile olan arayüz incelenmiş, böylelikle proje önerimizde de bahsettiğimiz büyüklüğün etkisi incelemesi de gerçekleştirilmiştir. Çalışmalarımızdan üç adet tez ve çok sayıda bildiri çıkmıştır. Makalelerimiz yayına hazır duruma getirilmiştir.

Anahtar Kelime: AKM yanal kuvvet sürtünme katsayısı moleküler dinamik DFT Nanotriboloji

Konular: Fizik, Uygulamalı Nanobilim ve Nanoteknoloji

Erişim Türü: Erişime Açık

Allen, M. P., Tildesley, D. J. 1991. “Computer simulation of liquids”, Oxford university press: New York.
1- Friction at the Au/Graphene Interface: A Density Functional Theory Investigation (Bildiri - Uluslararası Bildiri - Sözlü Sunum),
Becke, A. D. 1993., “Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange”,J. Chem. Phys. 98 1372–1377.
2- DENSITY FUNCTIONAL THEORY INVESTIGATION ON THICKNESS AND LOAD DEPENDENCY OF FRICTION FORCE BETWEEN GRAPHENE AND AU INTERFACES (Tez (Araştırmacı Yetiştirilmesi) - Yüksek Lisans Tezi),
Berman, D., Erdemir A. ve Sumant, A. V. 2014. “Graphene: a new emerging lubricant”, Materials Today, 17, 31-42.
Binnig, G., Quate, C. F. ve Gerber, Ch. 1986. “Atomic Force Microscope”, Phys. Rev. Lett., 56, 930
Bonelli, F., Manini, N., Cadelano, E., Colombo, L. 2009. “Atomistic simulations of the sliding friction of graphene flakes”, European Journal of Physics B, 70, 449-459.
Bowden, F.P. and Tabor, D. 1953. "The adhesion of solids", in "Structure and Properties of Solid Surfaces", ed. R. Gomer and C.S. Smith, pp. 203-239, publ. Chicago, IL, University of Chicago Press.
Brndiar, J., Turanský, R., Dietzel, D., Schirmeisen, A., Stich, I. 2011.” Understanding frictional duality and bi-duality: Sb-nanoparticles on HOPG.”, Nanotechnology, 22, 085704.
Cahangirov, S., Ataca, C., Topsakal, M., Sahin, H., Ciraci, S. 2012. “Frictional figures of merit for single layered nanostructures”, Physical Review Letters, 108, 1-5.
Cahangirov, S., Ciraci, S., Özçelik V. O. 2013. “Superlubricity through graphene multilayers between Ni(111) surfaces”, Physical Review B 87, 205428.
Ceperley, D. M., and Alder, B. J. 1980. ” Ground State of the Electron Gas by a Stochastic Method”, Phyical Review Letters. 45 566–569.
Choi, J. S., Kim, J.-S., Byun, I.-S. Lee, D. H., Lee, M. J., Park, B. H., Lee, C., Yoon, D., Cheong, H., Lee, K. H., Y.-W. Son, Park, J. Y., Salmeron, M. 2011. “Friction Anisotropy–Driven Domain Imaging on Exfoliated Monolayer Graphene” Science, 333, 607-610.
Daw, M. S., Baskes, M. 1984. "Embedded-atom method: Derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals". Physical Review B, 29, 6443–6453
Derjaguin, B. V., Muller, V. M., Toporov, Y. P., 1975. “Effect of contact deformations on the adhesion of particles”, Journal of Colloid and Interface Science, 53(2), 314-326.
Dietzel, D., Mönninghoff, T., Herding, C., Feldmann, M., Fuchs, H., Stegemann, B., Ritter, C., Schwarz, U. D., Schirmeisen, A. 2010. “Frictional duality of metallic nanoparticles: Influence of particle morphology, orientation, and air exposure”, Physical Review B, 82, 035401
Dion, M. , Rydberg, H., Schröder, E., Langreth, D. C. and Lundqvist, B. I. 2005. “Van der Waals Density Functional for General Geometries” Phys. Rev. Lett. 92, 246401.
Domı́nguez-Meister, S., Rojas, T. C., Brizuela, M., Sánchez-López, J. C. 2017. “Solid lubricant behavior of MoS2 and WSe2-based nanocomposite coatings”, Science and Technology of Advanced Materials, 18, 122–133.
Ferrari, A. C., Meyer, J. C., Scardaci, V., Casiraghi, C., Lazzeri, M., Mauri, F., Piscanec, S., Jiang, D., Novoselov, K. S., Roth, S., Geim, A. K. 2006. “Raman spectrum of graphene and graphene layers”, Physical Review Letters, 97, 187401.
Feynman, R. P. 1939. "Forces in Molecules". Phys. Rev. 56, 340.
Frenkel Y., Kontorova, T. 1938. Zh. Eksp. Teor. Fiz. 8, 89.
Gnecco, E., Bennewitz, R., Gyalog, T., Loppacher, Ch., Bammerlin, M., Meyer, E., Güntherodt, H.-J. 2000. “Velocity Dependence of Atomic Friction”, Physical Review Letters, 84, 1172.
Grimme, S. 2004. “Semiempirical gga-type density functional constructed with a long-range dispersion correction” Journal of Computational Chemistry, 25, 1463.
Grimme, S., Antony, J., Ehrlich, S., Krieg, H. 2010. “A consistent and accurate ab initio parametrization of density functional dispersion correction (DFT-D) for the 94 elements H-Pu”, Journal of Chemical Physics 132, 154104.
Guerra, R., Tartaglino, U., Vanossi, A., Tosatti, E. 2010. “Ballistic nanofriction”, Nature Materials, 9, 634-637..
Hod, O. 2012. “Interlayer commensurability and superlubricity in rigid layered materials”, 86, 1-7.
Hohenberg, P. ve Kohn, W. 1964. “Inhomogeneous Electron Gas”, Physical Review, 136, B864-B871.
Holmberg K. ve Erdemir A. 2015. “Global Impact of Friction on Energy Consumption, Economy and Environment”, FME Transactions, 43, 181-185.
Johnson, K. L., Kendall, K., Roberts A. D. 1971. “Surface Energy and the Contact of Elastic Solids”, Proceedings of the Royal Society of London A, 324, 301-313.
Kim S. Y., Park H. S. 2009.” Multilayer friction and attachment effects on energy dissipation in graphene nanoresonators” Applied Physics Letters 94, 101918.
Kimura, Y., Wakabayashi, T., Okada, K., Wada, T., Nishikawa, H. 1999. “Boron nitride as a lubricant additive”, Wear, 232, 199–206.
Kitt, A. L., Qi, Z., Rémi, S., Park, H. S., Swan, A. K., Goldberg, B. B. 2013. “How graphene slides: Measurement and theory of strain-dependent frictional forces between graphene and SiO2”, Nano Letters, 13, 2605-2610.
Klimeš, J., Bowler, D. R., Michaelides, A. 2010. “Chemical accuracy for the van der Waals density functional”, Journal of Physics: Condensed Matter 22, 022201.
Kohn, W., Sham, L. J. 1965. "Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects". Physical Review, 140, A1133–A1138.
Kwon, S., Ko, J.-H., Jeon, K.-J., Kim, Y.-H., Park, J. Y. 2012. “Enhanced Nanoscale Friction on Fluorinated Graphene”, Nano Letters, 12, 6043−6048.
Lee, C., Li, Q., Kalb, W., Liu, X. Z., Berger, H., Carpick, R. W., Hone, J. 2010. “Frictional characteristics of atomically thin sheets”, Science, 328, 76-80.
Liang, Z., Keblinski P. 2015.”Slip length crossover on a graphene surface”, 142, 134701.
Marchetto, D., Feser, T., Dienwiebel, M. 2015. “Microscale study of frictional properties of graphene in ultrahigh vacuum”, Friction, 3, 161–169.
Mate, C. M., McClelland, G. M., Erlandsson, R., Chiang, S. 1987. “Atomic-scale friction of a tungsten tip on a graphite surface”, Physical Review Letters, 59, 1942-1945.
Maugis, D. 1992. Journal of Colloid and Interface Science 150, 243-269.
Neitola R., Ruuska, H., Pakkanen T. A. 2005. “Ab Initio Studies on Nanoscale Friction between Graphite Layers: Effect of Model Size and Level of Theory”, Journal of Physical Chemistry B, 109, 10348-10354
Novoselov, K. S., Jiang, D., Schedin, F., Booth, T. J., Khotkevich, V. V., Morozov, S. V., Geim, A. K. 2005. “Two-dimensional atomic crystals”, Proceedings of the National Academy of Science USA, 102, 10451-10453.
Paolicelli, G.,Tripathi, M., Corradini, V., Candini, A., Valeri, S. 2015. “Nanoscale frictional behavior of graphene on SiO2 and Ni(111) substrates”, Nanotechnology, 26, 055703.
Perdew J. P., Zunger, A. 1981. “Self-interaction correction to density-functional approximations for many-electron systems” , Physical Review B, 23, 5048.
Perdew J. P., Burke K., and Ernzerhof, M. 1997. Physical Review Letters, “Generalized Gradient Approximation Made Simple”, 78, 1396.
Prandtl, L. 1928. Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik 8, 85.
Sader, J. E., Chon, J. W. M., Mulvaney, P. 1999. “Calibration of rectangular atomic force microscopy cantilevers”, Review of Scientific Instruments, 70, 3967-3969.
Schwarz, U. D., Köster, P., Wiesendanger, R. 1996. “Quantitative analysis of lateral force microscopy experiments”. Review of Scientific Instruments, 67, 2560-2567.
Smolyanitsky, A., Killgore, J. P., Tewary, V. K. 2012. “Effect of elastic deformation on frictional properties of few-layer graphene”, Physical Review B, 85, 035412.
Stuart, T., Harrison, J., “A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions” Chem Phys, 112, 6472-6486 (2000).
Szlufarska, I., Chandross, M., Carpick, R. W. 2008. “Recent advances in single-asperity nanotribology”, Journal of Physics D: Applied Physics, 41, 12300
Tomlinson, G. A. 1929. Philosophical Magazine 7, 905.
Vanderbilt, D. 1990. “Soft Self-Consistent Pseudopotentials in a Generalized Eigenvalue Formalism.”, Phys. Rev. B 41 R7892.
Varenberg, M., Etsion, I., Halperin, G. 2003. “An improved wedge calibration method for lateral force in atomic force microscopy”, Review of Scientific Instruments, 74, 3362-3367.
Verlet, L. 1967. "Computer "Experiments” on Classical Fluids. I. Thermodynamical Properties of Lennard−Jones Molecules". Physical Review, 159, 98–103.
Wang, L.-F., Ma, T.-B., Hu, Y.-Z., Zheng, Q., Wang, H., Luo, J. 2014a. “Superlubricity of two-dimensional fluorographene/MoS2 heterostructure: a first-principles study”, Nanotechnology, 25, 385701.
Wang, J., Li, J., Fang, L., Sun, Q., Jia, Y.2014. “Charge Distribution View: Large Difference in Friction Performance Between Graphene and Hydrogenated Graphene Systems”, Tribology Letters, 55, 405-412.
Wang, J., Li, L., Ziting, S., Guo, P., Li, M., Zhao, B., Fang, L., Yang, L. 2018. “Ultralow Interlayer Friction of Layered Electride Ca2N: A Potential Two-Dimensional Solid Lubricant Material”, Materials, 11, 2462/1-10
Ye, Z., Martini. A. 2014. “Atomistic Simulation of the Load Dependence of Nanoscale Friction on Suspended and Supported Graphene”, Langmuir, 30, 14707-14711.

APA	TOFFOLİ H, TOFFOLİ D (2019). İki Boyutlu Sistemler ile Au Arayüzlerinin Nanotribolojik Özellikleri Üzerine Teorik ve Deneysel Bir Çalışma. , 1 - 0.
Chicago	TOFFOLİ Hande,TOFFOLİ Daniele İki Boyutlu Sistemler ile Au Arayüzlerinin Nanotribolojik Özellikleri Üzerine Teorik ve Deneysel Bir Çalışma. (2019): 1 - 0.
MLA	TOFFOLİ Hande,TOFFOLİ Daniele İki Boyutlu Sistemler ile Au Arayüzlerinin Nanotribolojik Özellikleri Üzerine Teorik ve Deneysel Bir Çalışma. , 2019, ss.1 - 0.
AMA	TOFFOLİ H,TOFFOLİ D İki Boyutlu Sistemler ile Au Arayüzlerinin Nanotribolojik Özellikleri Üzerine Teorik ve Deneysel Bir Çalışma. . 2019; 1 - 0.
Vancouver	TOFFOLİ H,TOFFOLİ D İki Boyutlu Sistemler ile Au Arayüzlerinin Nanotribolojik Özellikleri Üzerine Teorik ve Deneysel Bir Çalışma. . 2019; 1 - 0.
IEEE	TOFFOLİ H,TOFFOLİ D "İki Boyutlu Sistemler ile Au Arayüzlerinin Nanotribolojik Özellikleri Üzerine Teorik ve Deneysel Bir Çalışma." , ss.1 - 0, 2019.
ISNAD	TOFFOLİ, Hande - TOFFOLİ, Daniele. "İki Boyutlu Sistemler ile Au Arayüzlerinin Nanotribolojik Özellikleri Üzerine Teorik ve Deneysel Bir Çalışma". (2019), 1-0.

APA	TOFFOLİ H, TOFFOLİ D (2019). İki Boyutlu Sistemler ile Au Arayüzlerinin Nanotribolojik Özellikleri Üzerine Teorik ve Deneysel Bir Çalışma. , 1 - 0.
Chicago	TOFFOLİ Hande,TOFFOLİ Daniele İki Boyutlu Sistemler ile Au Arayüzlerinin Nanotribolojik Özellikleri Üzerine Teorik ve Deneysel Bir Çalışma. (2019): 1 - 0.
MLA	TOFFOLİ Hande,TOFFOLİ Daniele İki Boyutlu Sistemler ile Au Arayüzlerinin Nanotribolojik Özellikleri Üzerine Teorik ve Deneysel Bir Çalışma. , 2019, ss.1 - 0.
AMA	TOFFOLİ H,TOFFOLİ D İki Boyutlu Sistemler ile Au Arayüzlerinin Nanotribolojik Özellikleri Üzerine Teorik ve Deneysel Bir Çalışma. . 2019; 1 - 0.
Vancouver	TOFFOLİ H,TOFFOLİ D İki Boyutlu Sistemler ile Au Arayüzlerinin Nanotribolojik Özellikleri Üzerine Teorik ve Deneysel Bir Çalışma. . 2019; 1 - 0.
IEEE	TOFFOLİ H,TOFFOLİ D "İki Boyutlu Sistemler ile Au Arayüzlerinin Nanotribolojik Özellikleri Üzerine Teorik ve Deneysel Bir Çalışma." , ss.1 - 0, 2019.
ISNAD	TOFFOLİ, Hande - TOFFOLİ, Daniele. "İki Boyutlu Sistemler ile Au Arayüzlerinin Nanotribolojik Özellikleri Üzerine Teorik ve Deneysel Bir Çalışma". (2019), 1-0.