Computational methods of materials properties analysis in the nanoscale

Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η παρουσίαση του σημαντικού ρόλου που έχουν οι ατομιστικές προσομοιώσεις ευρείας κλίμακας για τη διερεύνηση φαινομένων στη νανοκλίμακα σε ποικίλες θεματικές στον τομέα της επιστήμης των υλικών. Προσεγγίσεις βασισμένες σε προσομοιώσεις ab initio, δυναμικής των ατομιστικών spin και μοριακής δυναμικής χρησιμοποιήθηκαν για να εξάγουν συμπεράσματα σε πέντε επιλεγμένες μελέτες περίπτωσης, σε θέματα που αφορούν ιδιότητες ημιαγωγών, μεταφορά θερμότητας στη νανοκλίμακα, ιδιότητες φωνονίων και μαγνητικές ιδιότητες. Στην πρώτη μελέτη περίπτωσης, προσομοιώσεις ab initio και μοριακής δυναμικής πραγματοποιήθηκαν για τη διερεύνηση ενός είδους εξάρμοσης που παρατηρείται συχνά στο GaN που έχει αναπτυχθεί με ημιπολικό τρόπο ανάπτυξης. Οι δομικοί σχηματισμοί των πυρήνων των εξαρμόσεων καθορίστηκαν από τις προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, ακολουθούμενες από τη λεπτομερή ανάλυση της επίδρασης του κάθε ένα από αυτούς στο διάγραμμα ηλεκτρονιακών ζωνών του υλικού με χρήση ab initio προσομοιώσεων. Στη δεύτερη μελέτη περίπτωσης, η επίδραση του διαχωρισμού του In και της εναπόθεσής του στον πυρήνα των εξαρμόσεων που έχει παρατηρηθεί πειραματικά και θεωρητικά σε κράμματα InGaN, στη θερμική αγωγιμότητα του υλικού, μελετήθηκε με χρήση προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής. Οι τιμές της θερμικής αγωγιμότητας που προέκυψαν για αυτό το είδος της ατέλειας δομής για μεταβλητή περιεκτικότητα In, συγκρίθηκαν με τι αντίστοιχες τιμές που υπολογίστηκαν για κράματα InGaN με αντίστοιχη περιεκτικότητα In χωρίς ατέλειες δομής, όπου τα άτομα In βρίσκονται σε τυχαίες πλεγματικές θέσεις Ga, είτε σε αυτές που υπολογίστηκε από προηγούμενη θεωρητική μελέτη πως είναι ενεργειακά προτιμητέο. Η ανισοτροπία της θερμικής αγωγιμότητας σε συνάρτηση της περιεκτικότητας In για κάθε περίπτωση, καθώς και η επίδραση της θερμοκρασίας, υπολογιστηκαν και συγκρίθηκαν για τα παραπάνω συστήματα. Στην πέμπτη μελέτη περίπτωσης, οι ιδιότητες φωνονιών του YAG διερευνήθηκαν με χρήση υπολογισμών ab initio. Άμεση σύγκριση με πειραματικές τιμές ανέδειξε την εγκυρότητα της μεθόδου που χρησιμοποίηθηκε, σε εύρος τιμών έως και κοντά στο σημείο τήξης του υλικού. Στην τέταρτη μελέτη περίπτωσης, η μερική αντικατάσταση του Sm από το φθηνό κράμμα mischmetal αναλύθηκε μέσω προσομοιώσεων ab initio, με σκοπό τη βελτιστοποίηση της αναλογίας μεταξύ κόστους και απόδοσης, για την εύρεση στοιχιομετριών με χαμηλότερο κόστος και εμπορικό ρίσκο για την κατασκευή μόνιμων μαγνητών. Οι ιδιότητες τριών σχετικών δυαδικών κραμμάτων μελετήθηκαν για σύγκριση. Τέλος, στην πέμπτη περίπτωση, η επίδραση των ατόμων Cr στις μαγντικές ιδιότητες νανοσωματιδίων πυρήνα-φλοιού Ni@NiO διερευνήθηκε με συνδυαστική χρήση προσομοιώσεων ab initio και δυναμικής των spin. Οι ιδιότητες των επί μέρους υλικών υπολογίστηκαν στην bulk μορφή τους και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για τον καθορισμό των βρόχων υστέρησής τους. Προσομοιώσεις ab initio χρησιμοποιήθηκαν επίσης και για τη διερεύνηση δομικών και μαγνητικών φαινομένων σε ένα μικρό νανοσωματίδιο Ni@NiO.