ازمهم ترین خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است، که باعث غالب شدن آثار سطحی و در نتیجه ایجاد ویژگی های جدید و متفاوت با انبوهه در آن ها می شود. یکی از تبعات آثار سطحی‏، افزایش فعالیت شیمیایی سیستم است که بدین وسیله می توان کارآیی کاتالیزورهای شیمیایی را به نحو موثری بهبود بخشید. نانوذرات مس از جمله نانوذرات فلزی هستند که دارای کاربردهای فراوان در کاتالیزورها و صنایع گوناگون‏ هستند از این رو در این پایان نامه ویژگی های نانوخوشه های مس، با استفاده از محاسبات ابتدا به ساکن مورد بررسی قرار گرفته است. در این پروژه از بسته ی محاسباتی "شبیه سازی مولکولی ابتدا به ساکن موسسه فریتز هابر (‎‎fhi-aims)‎استفاده کرده ایم. این بسته ی محاسباتی تمام الکترونی و پتانسیل کامل برای توصیف دقیق و کارآمد ویژگی های مواد و مولکول ها به کار می رود. در نرم افزار fhi-aims با اعمال تصحیح ‎gw بر ترازهای مجازی کوهن-شم می توان محل نسبتاً دقیق ترازهایhomoو‎‎lumo‎را به دست آوردو‎‎در‎ نتیجه خواص الکترونی سیستم را محاسبه کرد. در ابتدا به منظور اطمینان از صحت محاسبات خواص بلور و دوتایی مس با دو نرم افزار ‎fhi-‎aims‎ و ‎ wien2k‎‎ ‎محاسبه و ‎با‎ هم مقایسه کردیم. تطابق نتایج به دست آمده با این دو نرم افزار‏، ‎‎ما را از ادامه ی محاسبات با نرم افزارfhi-‎aims س‎‎پس بهینه سازی پارامترهای ورودی و ‎انتخاب‎ تابعی تبادلی-همبستگی مناسب‏ مورد بررسی قراز گرفت و با استفاده از پارامترهای بهینه، خواص ساختاری‏، مغناطیسی‎‏، ارتعاشی و الکترونی نانوخوشه های خالص دو تا نه اتمی مس مورد محاسبه قرار گرفت. یک گذار ساختاری از دو بعد به سه بعد بین نانوخوشه های شش و هفت اتمی مشاهده شد. به صورت یک جهش مشهود در مقادیر عدد هم آرایی و طول پیوند میانگین ‎‎‎‎‎‎ مشهود است. نانوخوشه های با تعداد زوج اتم به دلیل بسته بودن پوسته الکترونی شان از نانوخوشه های فرد پایدارتر می باشند؛ همچنین خواص الکترونی از جمله پتانسیل یونش‏، الکترون خواهی‏ و سختی شیمیایی نیز پایداری نانوخوشه های زوج را تایید می کند. به منظور بهبود خاصیت کاتالیزوری نانوخوشه‎ های مس، این نانوخوشه ها را با پالادیم آلیاژ می‎ کنند. از این رو اثر جایگزینی یک و دو اتم پالادیم را در نانوخوشه های خالص دو تا نه اتمی مس مورد بررسی قرار داده و سپس خواص ساختاری، الکترونی، ارتعاشی و مغناطیسی نانوخوشه های آلیاژی را محاسبه کردیم.‎ ‎مشاهده‎ شد که آلیاژ کردن نانوخوشه های خالص مس با پالادیم منجر به تغییراتی در پایداری نسبی و همچنین خواص ساختاری‏، مغناطیسی و الکترونی این نانوخوشه ها می شود.‎‎ ‎‎‎

نانولوله‏ها با خواص منحصر به فرد مکانیکی، الکتریکی و اپتیکی جایگزین مناسبی برای بیشتر مواد به کار رفته در صنعت می‏باشند. تاکنون نانولوله‏هایی از جنس‏های مختلف از جمله کربن، گالیوم نیترید، سیلیکن کاربید، روی اکسید، آلومینیوم نیترید و بور نیترید ساخته شده اند که امروزه از میان آن ها نیم رساناهای نیتروژن‎ دار به دلیل ویژگی های منحصر به فرد، بیش تر توجه محققین را به خود جلب کرده است و از آن جا که افزودن ناخالصی به نانولوله‎ ها، خواص ساختاری و الکترونی آن ها را تغییر می دهد و می تواند باعث ایجاد قطبش اسپینی شود هر روزه تحقیقات و نتایج جدیدی در این زمینه ارائه می شود. تاکنون در این زمینه آلیاژ نانولوله ی گالیوم نیترید با بعضی از عناصر واسطه 3d و 5d گزارش شده است. در این پژوهش نانولوله ی گالیوم نیترید (5,5) قبل و بعد از افزودن ناخالصی هایی از خانواده عناصر واسطه 4d از جمله ایتریم، زیرکونیم و نیوبیم مورد بررسی قرار گرفته است. محاسبات با استفاده از برنامه pwscf از بسته نرم افزاری کوانتوم اسپرسو انجام شده است. این برنامه بر اساس نظریه ی تابعی چگالی و با در نظر گرفتن امواج تخت به عنوان توابع موج پایه در بسط توابع موج الکترونی و استفاده از شبه پتانسیل بنا شده است. نتایج نیم رسانایی نانولوله ی گالیوم نیترید خالص را با گاف غیرمستقیم 80/1 تأیید می کند و نشان می دهد که نانولوله های گالیوم نیترید آلاییده با ایتریم و نیوبیم حالت نیم رسانایی خود را حفظ می کنند و فقط گاف آن ها تغییر می کند اما افزودن زیرکونیم، باعث فلز شدن آن می شود. هم چنین محاسبات نشان می دهند نانولوله ی گالیوم نیترید آلاییده با هر سه ناخالصی، پایدارتر از حالت خالص می باشند که نانولوله ی آلاییده با زیرکونیم از همه پایدارتر و نانولوله آلاییده با نیوبیم پایداری کم تری نسبت به بقیه دارد.

در این پژوهش به بررسی کاهش گاف نواری در نانولایه ی بورنیترید با استفاده از اثر جذب یک، دو، چهار، شش و هشت اتم هیدروژن بر نانولایه ی بورنیترید شش گوشی پرداخته شده است. به این منظور ویژگی های ساختاری و الکترونی نانولایه ی بورنیترید خالص و نانولایه ی بورنیترید با جذب هیدروژن مورد بررسی قرار گرفته است. محاسبات بر پایه ی نظریه ی تابعی چگالی و با استفاده از کد محاسباتیpwscf مبتنی بر شبه پتانسیل انجام شده است. نتایج عایق بودن نانولایه ی بورنیترید را تأیید می کند. علاوه بر این نتایج به دست آمده حاکی آز آن است که جذب اتم های هیدروژن تغییراتی در پایداری نسبی و خواص الکترونی نانولایه ی بورنیترید ایجاد می کند. ساختار نواری و چگالی حالت ها برای پایدارترین ساختارها محاسبه شده است. با جذب یک اتم هیدروژن سیستم پایدار نشده است. با جذب دو و چهار اتم هیدروژن بر روی نانولایه ی بورنیترید دو ایزومر پایدار به دست آمده است. که برای جذب دو اتم هیدروژن، یک ایزومر فلز مغناطیسی و دیگری نیمه رسانا است. در حالی که با جذب چهار هیدروژن یکی از ساختارها باعث نیمه فلز شدن نانولایه ی بورنیترید و ساختار دیگر نیم رسانا با گاف 9/2 الکترون ولت شده و جذب شش و هشت اتم هیدروژن بر روی صفحه ی بورنیترید، باعث کاهش گاف نواری سیستم شده است. نتایج نشان می دهد که نانولایه ی بورنیترید تمایل بیشتری به جذب هشت اتم هیدروژن دارد. در ضمن مولکول هیدروژن به دلیل نیروهای بین مولکولی نسبتاً ضعیف واندروالسی تمایلی به جذب بر روی نانولایه ی بورنیترید ندارد.

نانولوله‏ ها با ویژگی های منحصر به فرد مکانیکی، الکتریکی و اپتیکی جایگزین مناسبی برای بیشتر مواد به کار رفته در صنعت می‏باشند. تاکنون نانولوله ‏هایی از جنس‏ های مختلف از جمله کربن، نیترید گالیوم ، کاربید سیلیکن ، اکسید روی ، نیترید آلومینیوم و نیترید بور ساخته شده اند که امروزه از میان آن ها نیم رساناهای نیتروژن‎ دار به دلیل ویژگی های منحصر به فرد، بیش تر توجه محققین را به خود جلب کرده است و از آن جا که افزودن ناخالصی به نانولوله‎ ها، ویژگی های ساختاری و الکترونی آن ها را تغییر می دهد و می تواند باعث ایجاد قطبش اسپینی شود هر روزه پژوهش ها و نتایج جدیدی در این زمینه ارائه می شود. تاکنون در این زمینه آلیاژ نانولوله ی نیترید آلومینیوم با عناصر واسطه 3d گزارش شده است. در این پژوهش نانولوله ی نیترید آلومینیوم (5,5) پیش و پس از افزودن ناخالصی هایی از خانواده عناصر واسطه 4d از جمله ایتریم، نیوبیم و روتنیم مورد بررسی قرار گرفته است. محاسبات با استفاده از برنامه pwscf از بسته نرم افزاری کوانتوم اسپرسو انجام شده است. این برنامه بر اساس نظریه ی تابعی چگالی و با در نظر گرفتن امواج تخت به عنوان توابع موج پایه در بسط توابع موج الکترونی و استفاده از شبه پتانسیل بنا شده است. نتایج نیم رسانایی نانولوله ی نیترید آلومینیوم خالص را با گاف غیرمستقیم 3/142 الکترون ولت تأیید می کند و نشان می دهد که نانولوله های نیترید آلومینیوم آلاییده با ایتریم و نیوبیم حالت نیم رسانایی خود را حفظ می کنند و فقط گاف آن ها تغییر می کند اما افزودن روتنیم، باعث فلز شدن آن می شود. هم چنین محاسبات نشان می دهند نانولوله ی آلومینییوم نیترید خالص پایدارتر از نانولوله آلاییده با هر سه ناخالصی می باشند

نانولوله اکسید روی خالص غیرمغناطیسی ونیم رسانا می باشدکه بعد از آلاییده شدن با اتم نقره رسانا شده و باجذب اتم اکسیژن برحالت آلاییده به نیم فلز تبدیل می شود که درصنعت اسپین ترونیک کاربرد زیادی دارد.