NANO YAPILI AMORF METALLERİN DURUM DENKLEMLERİNİN MOLEKÜLER DİNAMİK YÖNTEMİ İLE BELİRLENMESİ

Abstract

Durum denklemleri, maddelerin termodinamik parametrelerini hesaplamak için kullanılmaktadır. Moleküler dinamik benzetim metotları, analitik yaklaşımlara alternatif olarak bu hesapları yapmak için kullanılabilir. Bu tez çalışmasında, moleküler dinamik benzetim metodu kullanılarak, nikel ve bakır metalleri için izoterm ve izobar eğrileri elde edilmiştir. Nikel sisteminin atomları arasındaki fiziksel etkileşmeler Voter-Chen tipi gömülmüş atom metodu ile, bakır metali için de Johnson tipi gömülmüş atom metodu kullanılarak modellenmiştir. Çalışmalarda, periyodik sınır şartlarının kullanıldığı ve kullanılmadığı iki grup moleküler dinamik benzetimi gerçekleştirilmiştir. Sınır şartlarının kullanıldığı sistemler ?hacimli - bulk? olarak, sınır şartlarının uygulanmadığı sistemler ise ?nano yapı? olarak isimlendirilmiştir. Her iki grup çalışmada da, hızlı soğutma tekniği kullanılarak elde edilmiş amorf yapılar incelenmiştir. Nikel metali için 108 - 6912 arasında atom bulunduran nano yapıların ve aynı şekilde bu sistemlerin amorf fazlarının termodinamik özellikleri incelenmiştir. Bu yapıların atom sayısına bağlı entalpi ve potansiyel enerji değişimleri karşılaştırmalı olarak tartışılmıştır. Elde edilen verilerden V=f (P, T) denklemleri ve yüzey grafikleri oluşturuldu. Sonuçlar, Vinet, Birch-Murnaghan ve Davydov durum denklemleri ile karşılaştırılarak tartışıldı. Moleküler dinamik yöntemle belirlenen sonuçların analitik hesaplamalarla tutarlı olduğu görüldü. Ayrıca, nano yapılı amorf sistemlerin hacimlerini belirlemek için farklı bir yöntem denendi ve uygun sonuçlar ürettiği görüldü. Buna göre, nano yapılı sistemlerin hem hacimli kristal yapılara göre hem de amorf fazlı yapılarına göre daha yoğun yapılandıkları tespit edildi. Anahtar Kelimeler: Moleküler dinamik benzetimi, durum denklemleri, amorf yapılar, nano yapılar, termodinamik parametreler.

Equations of state are used to calculate the thermodynamics parameters of matters. Instead of analytical calculations, the molecular dynamics simulation methods as alternative approach can be used to calculate equations of state. In this thesis, the isotherm and isobar curves for nickel and copper metals have been obtained by using molecular dynamics simulations. Voter-Chen and Johnson type of embedded atom methods have been used for modeling the physical interactions between atoms of nickel and copper, respectively. The molecular dynamics method have been carried out in two different ways. In the first, which is called bulk-structured, periodic boundary conditions were acted on the molecular dynamics cell while in the second, called nano-structured, periodic boundary conditions were not acted. In the both applications, thermodynamics properties of the amorphous model systems obtained by rapid quench technique applied in an another molecular dynamics simulation have been investigated. The thermodynamics properties of nano structures and its amorphous phases consisting of different number of atoms varying from 108 to 6912 have been investigated. The variation of enthalpy and potential energy with the number of atoms have been analyzed with respect to each other. V=f(P,T) relations and its surface graphs have been produced from the obtained results. The results have been discussed by comparing the calculated results with those obtained from Vinet, Birch-Murnaghan and Davydov equations of state. It has been concluded that the results from molecular dynamics simulations are in consistent with those from the analytical expressions. In addition, a different method to calculate the volume of nano-structured amorphous systems have been developed and its results are in good agreement with experimental data. It has been determined by this method that the nano-structured systems are more densely formed as compared to both bulk crystals and amorphous structures. Keywords: Molecular dynamics simulation, equation of state, amorphous structures, nano structures, thermodynamic parameters.