اثر هال در مواد فرومغناطیس علاوه بر سهم عادی که ناشی از نیروی لورنتز و متناسب با میدان مغناطیسی خارجی است، شامل سهم دیگری ناشی از برهم کنش اسپین مدار و متناسب با مغناطش نمونه است که از آن به عنوان اثر غیر عادی هال یاد می شود و می تواند به مقدار قابل توجهی بزرگتر از سهم عادی آن باشد. اخیراً رسانایی غیر عادی هال به زبان مدرن فاز بری و انحنای بری بیان شده است. فاز بری یک نوع فاز هندسی است که به صورت تغییر فاز بردارهای موج در حین پیمودن یک مسیر بسته در فضای پارامتری بیان می شود و از انتگرال انحنای بری روی سطحی که توسط مسیر بسته احاطه شده است محاسبه می شود. نمودار انحنای بری بدست آمده از کارهای مختلف نشان می دهد این کمیت دارای تغییرات شدید و سریع و قله ها و دره های تیز در فضای وارون است. بنابراین انتگرال گیری از چنین کمیتی احتیاج به در نظر گرفتن میلیون ها نقطه ی k در منطقه ی بریلوئن دارد و این مسئله منجر به افزایش حجم و زمان محاسبات می شود. برای رفع این مشکل می توان از روش درونیابی که در کد wannier90 به کار گرفته می شود استفاده کرد. با برنامه های اضافه شده به این کد در این کار، انحنای بری در هر نقطه ی kدر فضای وارون با استفاده از توابع وانیر که توابعی جایگزیده در فضای حقیقی و مناسب برای توصیف ترابرد الکترون ها هستند، محاسبه می شود و سپس رسانایی ذاتی غیر عادی هال برای ماده ی مورد نظر بدست می آید. در این کار رسانایی ذاتی غیر عادی هال برای انبوهه ی آهن با ساختار bcc و انبوهه ی کبالت با ساختارhcp و همین طور برای لایه نازک آهن با استفاده از برنامه های نوشته شده، محاسبه و با مقدار تجربی مقایسه شده است.

در این پایان نامه خواص ساختاری و الکترونی بلور و نانوسیم ایندیم آرسناید به روش محاسباتی بدست آمده است. محاسبات ما بر پایه-ی نظریه تابعی چگالی و به روش شبه پتانسیل با در نظر گرفتن تقریب چگالی موضعی همگن، با استفاده از نرم افزار محاسباتی pwscf انجام شده است. ساختار پایدار بلور ایندیم آرسناید زینک بلند است، گرچه تحت شرایط آزمایشگاهی خاصی در ساختار ورتسایت نیز مشاهده شده است. با در نظر گرفتن تقارن بالا و نسبت کوچک پیوندهای آویزان، نانوسیم هایی با سطح مقطع مثلثی شکل و شش ضلعی در فاز ورتسایت ]0001 [ و سطح مقطع شش ضلعی در فاز زینک بلند در راستای ]111 [ در نظر گرفتیم. برای انتخاب کردن سطوح جانبی نانوسیم، انر‍ژی تشکیل سطوح غیر قطبیده دو ساختار را محاسبه کردیم و سطوح (110) و (1010) به ترتیب در دو فاز زینک بلند و ورتسایت پایدارتر از دیگر سطوح بدست آمدند. محاسبات شبیه سازی نانوسیم ها در ابرسلول واهلیده و بهینه شده انجام شد. با محاسبه انرژی همدوسی نانوسیم ها در قطرهای کوچک، ساختار ورتسایت را پایدارتر از زینک بلند بدست آوردیم که با نتایج تجربه سازگار است. بصورت پدیده شناختی انرژی همدوسی نانوسیم را می توان بر حسب انرژی پیوندهای آویزان تعریف کرد و انرژی همدوسی نانوسیم در قطرهای بزرگتر را می توان برون یابی کرد. نتایج برون یابی شده نشان می دهد که تا قطر 50 آنگستروم نانوسیم های ورتسایت پایدارتر از نانوسیم های زینک بلند هستند. برای قطرهای بزرگتر، سهم پیوندهای آویزان کاهش می یابد و نتایج به سمت مقادیر حالت بلوری ایندیم آرسناید همگرا می شوند. برخلاف حضور پیوندهای آویزان در سطوح نانوسیم فاز پایدار ورتسایت، نانوسیم ها رفتار نیمه-رسانایی را حفظ می کنند. با کاهش قطر، پهنای گاف انرژی افزایش یافته و اثرات محصورشدگی کوانتومی مشهود می باشد. البته این افزایش کندتر از روندی است که الگوی ساده کوانتومی ذره در جعبه و تقریب جرم موثر پیش بینی می کند. با محاسبه چگالی حالات جزیی نانوسیم های فاز ورتسایت مشاهده کردیم اربیتال p4 آرسنیک سهم عمده بالاترین نوار ظرفیت و اربیتال p5 ایندیم سهم عمده پایین ترین نوار رسانش را تشکیل می دهند.

گستردگی استفاده از توابع بلوخ بدلیل توانایی ارزشمند آن ها در توصیف رفتار بلور در فضای اندازه حرکت (وارون) می باشد. استفاده از این توابع هنگامی که خواصی مورد نظر باشند که به رفتار الکترون در فضای معمولی مربوط می شوند، مانند ترابرد الکترون و محدودشدگی الکترون در مواد با مقیاس نانو چندان مناسب نیست. در مقابل توابع بلوخ، توابع جایگزیده ای به نام توابع وانیر معرفی می شوند که یک مجموعه ی کاملا جایگزیده هستند و توانایی چشمگیری در محاسبه خواص الکترون در فضای حقیقی و بویژه توصیف سیستم های با ساختار نانو دارند. معروف ترین بسته محاسباتی برای محاسبه و تولید توابع وانیر، بسته محاسباتی wannier90 می باشد این بسته محاسباتی بگونه ای است که برای آغاز محاسبات خود نیاز دارد که ورودی های آن توسط یک برنامه محاسباتی ابتدا به ساکن از قبل آماده شده باشد. در این پایان نامه تلاش شده است تا نرم افزار مناسبی برای تبدیل نتایج بدست آمده از بسته محاسباتی wien2k به ورودی های مناسب wannier90 نوشته شود تا در نهایت بتوان توابع وانیر را از این مسیر بدست آورد. مهم ترین ورودی های بسته محاسباتی wannier90 ، عناصر ماتریس هم پوشانی توابع موج و ماتریس حدس اولیه تابع وانیر می باشند. با توجه به نوع توابع پایه در wien2k ، ماتریس هم پوشانی به دو سهم داخل کره های اتمی و ناحیه بین جایگاهی تقسیم می شود.در این پایان نامه با اعمال تغییرات مناسب، توابع موج از نرم افزار wien2k استخراج و سپس برنامه های مناسب برای محاسبه عناصر ماتریس هم پوشانی درون کره های اتمی و در منطقه بین جایگاهی نوشته شده است. این نرم افزار حدس اولیه را با استفاده از توابع موج اتمی محاسبه می کند و قابلیت محاسبه ماتریس حدس اولیه را برای 36 اوربیتال هیبریدی مختلف دارا می باشد . همچنین می تواند حدس اولیه را برای حالتی که مرکز حدس اولیه بر مرکز اتم منطبق می باشد ( حالت اتم مرکزی) و یا حالتی که مرکز حدس اولیه بر مرکز پیوند قرار می گیرد (حالت پیوند مرکزی )، محاسبه کند. در نهایت با استفاده از این نرم افزار اتصال دهنده بسته های محاسباتی wien2k و wannier90 ، توابع وانیر، برای دو ساختارانبوهه کربن و سیلیکون محاسبه و انطباق بسیار خوب ساختار نواری این دو سیستم با یک ساختار نواری قابل اطمینان مشاهده شده است. نرم افزار نوشته شده در این پایان نامه که نقش این واسطه را بعهده دارد، isfahan2.9نام دارد.

در رساله حاضر محاسبات ابتدا به ساکن برای تهی جاهای اکسیژن در انبوهه دی اکسید تیتانیوم با استفاده از روشهای بهبود گاف انرژی نظیر gga+u، تقریب بس ذره ای gwو تئابع هیبریدی انجام گرفته است. نتایج حاصل از بکارگیری تقریب gga+uگرچه تاحدی گاف و جایگزیدگی ترازهای تیتانیوم را بهبود می بخشد ولی قادر به توصیف مناسب از ترازهای منتج از حضور تهی جاهای اکسیژن در داخل گاف نیست و آنها را به نوار هدایت منتقل می کند.در ابتدا با استفاده از تقریب gwروی حالت زمینه gga+u که نقطه مناسب تری برای شروع نسبت به ggaمی باشد به بررسی گاف انرژی و الکترون خواهی انواع تهی جاها پرداخته ایم. این نتایج تصحیح شده نشان می دهد که رهیافت جدید تهی جاهای یکبار یونیده اکسیژن را داخل گاف انرژی ناپایدار می کند.بعلاوه این رهیافت برغم بهبودی شایان توجه گاف قادر به جابجایی ترازهای منتسب به این نقص های نقطه ای نمی باشد. در ادامه به سراغ روشهای هیبریدی hseو pbe0 رفته ایم که درون خود بخشی از جمله تبادلی دقیق را دارند. نتایج این روش نشان می دهد که هر دوی این تابعی ها قادر به انداختن ترازهای تهی جاهای یکبار یونیده وخنثی بدرون گاف انر/زی در تطابق با تجربه هستند این در حالی است که روش hse نیز گاف را دقیقا مطلبق با تجربه یعنی 3evگزارش می کند. در بخش دوم به مطالعه ابتدا به ساکن نانوسیمهای مغناطیسی mnas در دو نظم کریستالی با محوریت اتم منگنز و آرسنیک پرداخته ایم. برای توصیف پایداری ساختاری از دو مدل پدیده شناختی یکی مبتنی بر انرزی پیوندهای آویزان و دیگری بر اساس انرژی اتمها بر حسب موقعیتشان در ساختار نانوسیم استفاده شد. نتایج بدست آمده برای انرژی همدوسی حاکی از پایداری تناوبی برای این دو دسته از نانوسیمها می باشد.همچنین تحلیل نتایج انرژی برای لبه و سطح نشان می دهد که اتمهای لبه مسول این رفتار تناوبی می باشند بطوری مه اتم مغناطیسی در لبه منجر به ناپایداری بیشتر می شود. در ادامه نیز برای تحقق شرایط رشد در دما وفشار واقعی از روش ترمودینامیک ابتدا به ساکن بر پایه انسامبل کانونی بزرگ استفاده شد که نتایج این بخش نیز بر تناوبی بودن پایداری ساختاری اشاره دارد.

نانوخوشه های کبالت از جمله نانوذرات مغناطیسی هستند که ویژگی های مغناطیسی جالب توجهی دارند. بروز رفتار ابرپارامغناطیسی در اندازه های کوچکتر از ابعاد تک حوزه ی مغناطیسی، منجر به کاربرد این نانوذرات در بیوپزشکی می شود. به علت بالا بودن نسبت سطح به حجم، واکنش پذیری نانوذرات بسیار بالا بوده و به راحتی در معرض هوا اکسید می شوند. تشکیل پوسته ی پادفرومغناطیس اکسید کبالت (coo) بر روی مغزه ی فرومغناطیس کبالت (co) به ظهور پدیده ی بایاس تبادلی می انجامد که هر چند برای کاربردهای ضبط مغناطیسی اطلاعات مناسب است اما منجر به از بین رفتن رفتار ابرپارامغناطیسی می شود. برای جلوگیری از اکسید شدن نانوذرات به منظور کاربردهای بیوپزشکی، معمولاً نانوذرات را با پوسته ای از فلزات معدنی نجیب از قبیل طلا می پوشانند. در این پایان نامه اولین گام برای پوشش نانوذرات کبالت یعنی جذب یک اتم طلا مورد بررسی قرار گرفته شده است. بسته ی محاسباتی مورد استفاده، نرم افزار "شبیه سازی مولکولی ابتدا به ساکن موسسه ی فریتز هابر (fhi-aims)"است که بر اساس نظریه ی تابعی چگالی به توصیف دقیق و کارآمد تمام الکترونی و پتانسیل کامل ویژگی های اتم ها، مولکول ها، نانوذرات و جامدات می پردازد. در این بسته از توابع اتم-مرکز عددی به عنوان توابع پایه استفاده می شود که عامل سرعت و دقت این بسته ی محاسباتی محسوب می شود. در حال حاضر fhi-aims برای هندسه های غیرتناوبی (خوشه گونه) قابلیت اعمال تصحیحات بس ذره ای مانند تصحیح gw را دارد که در این پایان نامه از آن استفاده شده است. ابتدا خواص ساختاری، الکترونی و مغناطیسی بلور کبالت به عنوان مقادیر حدی خواص نظیر در نانوخوشه های کبالت محاسبه شده است. صحت نتایج حاصله، با تکرار محاسبات توسط بسته ی wien2k تأیید شد. با مقایسه ی نتایج بدست آمده از تابعی های تبادلی همبستگی مختلف، تابعی blyp برای توصیف مناسب نانوخوشه های کبالت انتخاب شد و محاسبات با استفاده از آن انجام شد. خواص ساختاری (هندسه پایدار)، الکترونی (انرژی پیوند، انرژی واپاشی، پتانسیل یونش، الکترون خواهی، گاف homo-lumo و غیره)، مغناطیسی و دینامیکی (بسامدهای ارتعاشی و طیف جذبی فروسرخ) نانوخوشه های con و con-1 au (6 n ?) به صورت نسبیتی اسکالر و اسپین-قطبیده ی هم خط محاسبه شد. هندسه های پایدار خوشه های کبالت، عمدتاً سه بعدی بدست آمدند که در آن ها واپیچش یان -تلر عاملی مهم در تعیین هندسه ی پایدار است. جذب یک اتم طلا به خوشه های دو تا چهارتایی کبالت، به دلیل هیبریدشدگی قوی sd در پیوند طلا-کبالت، باعث پایداری ساختارهای یک یا دوبعدی می شود. اتم های کبالت در نانوخوشه های con به طور فرومغناطیسی نظم یافته اند و مغناطش آن ها بیشتر از مغناطش بلور hcp کبالت بدست آمده است. عدد هم آرایی میانگین نسبت به طول پیوند میانگین نقش بیشتری در مغناطش دارد و جذب اتم طلا به دلیل کم کردن تقارن سیستم و در نتیجه کاهش عدد هم آرایی، به کاهش مغناطش نانوخوشه منجر می شود. عدد جادویی نانوخوشه های con، با احتساب پایداری الکترونی، شیمیایی و دینامیکی، برابر با 6 بدست آمد، هرچند خوشه ی چهارتایی نیز تا حدودی پایدار بدست آمد. پایدارترین نانوخوشه ی con-1 au، خوشه ی چهارتایی (4n = ) بدست آمد. اثر تصحیح gw بر پتانسیل یونش و الکترون خواهی بسیار چشمگیر است و نتایج بدست آمده پس از اعمال تصحیح gw به مقادیر نظیر تجربی نزدیک هستند. این تصحیح متعاقباً به بهبود چشمگیری در گاف homo-lumo سیستم نیز منجر می شود.

در این پروژه، خواص ساختاری و الکترونی بلور ?-mnas را مورد بررسی قرار دادیم. ?-mnas دارای فاز ساختاری هگزاگونال از نوع nias با نظم اسپینی فرومغناطیس است. بلور ?-mnas یک سیستم فلزی است از این رو در نمودار چگالی حالات الکترونی و همچنین ساختار نواری آن، گاف انرژی مشاهده نشد. در نمودار چگالی حالات کل بلور mnas ، به طور تقریبی شکافتگی اسپینی حدود 4ev وجود داشت و در نمودار چگالی حالت های جزیی این سیستم در کانال های اسپینی اکثریت و اقلیت، آثار هیبرید شدگی اوربیتال های p اتم as و d اتم mn در اطراف تراز فرمی مشاهده گردید. سپس محاسبات فونونی را برای بلور و نانوسیم ?-mnas انجام دادیم. محاسبات فونونی در دو بخش جداگانه محاسبات فونونی در مرکز ناحیه بریلوئن و محاسبات فونونی برای کل ناحیه بریلوئن انجام گردید. همه محاسبات بر اساس نظریه تابعی چگالی (dft) و نظریه تابعی چگالی اختلالی(dfpt) با استفاده از نرم افزار pwscf و انرژی تبادلی همبستگی gga انجام گرفته است. در محاسبات فونونی بلور ?-mnas، در هر بخش پس از به دست آوردن ماتریس دینامیکی و فرکانس های ارتعاشی، خواص فونونی مربوط به آن بخش محاسبه گردید. با محاسبه فونون های مرکز ناحیه بریلوئن (نقطه گاما) ضریب گرونیسن در نقطه گاما را محاسبه نمودیم و مشاهده کردیم که در این نقطه مدهای آکوستیکی تحت فشار مدهای نرم تری هستند یعنی در نقطه گاما ضرایب ثابت نیرو برای مدهای آکوستیکی نسبت به مدهای اپتیکی ضعیف تراست. پس از محاسبه فونون های کل ناحیه بریلوئن با استفاده از چگالی حالت های فونونی و شیب مدهای آکوستیکی در ساختار نواری فونونی، خواص مکانیکی مانند ضرایب سختی کشسانی بلور mnas و خواص گرمایی مانند ظرفیت گرمایی ویژه، آنتروپی و ضریب انبساط حجمی بلور محاسبه گردید. در مرحله آخر محاسبات فونونی را برای نانوسیم mnas که یک ساختار یک بعدی است که درجهت z تکرار و در جهت های x و y محدود شده است انجام دادیم. نانوسیم شش گوشی mnas دارای دو ساختار mn-center وas-center است. در این پروژه محاسبات فونونی را برای شعاع اول نانوسیم mn-center به عنوان فاز پایدار انجام دادیم(به علت محاسبات زمان بر فونونی، انجام محاسبات برای شعاع های بزرگ تر مقدور نبود) مشابه قبل، با محاسبه فونون های مرکز ناحیه بریلوئن، ضریب گرونیسن در نقطه گاما را برای یکی از مدهای اپتیکی و با محاسبه فونون های کل ناحیه بریلوئن، خواص گرمایی از جمله ظرفیت گرمایی ویژه نانوسیم را محاسبه کردیم. مشاهده کردیم که در دماهای نزدیک به صفر کلوین، ظرفیت گرمایی نانوسیم بیش از بلور می باشد اما به تدریج منحنی تغییرات ظرفیت گرمایی نانوسیم نسبت به بلور کاهش می یابد. در دماهای بالا (نزدیک دمای اتاق) که انتظار می رود ظرفیت گرمایی طبق قانون دولون-پتی نزدیک به r3 بر هر اتم mnas باشد ظرفیت گرمایی نانوسیم با این مقدار فاصله قابل توجهی دارد. نانوسیم mnas به دلیل اثرات سطحی، برخی از مدهای ارتعاشی خود را از دست داده و در نتیجه ظرفیت گرمایی نانوسیم نسبت به بلور کاهش یافته است.همچنین مدول یانگ بلور و نانوسیم ?-mnas را محاسبه نمودیم و دریافتیم که قطر اول نانوسیم mnas در برابر کشش و تراکم طولی، بسیار سخت تر از بلورmnas است. همچنین بلور و نانوسیم ?-mnas در حالت کششی مدول یانگ کوچکتری نسبت به حالت تراکمی دارند که نشان می دهد این ساختارها نسبت به تراکم مقاومت بیشتری از خود نشان می دهند. از طرفی مدول یانگ بلور ?-mnasرا با محاسبات فونونی نیز به دست آوردیم و با مقایسه نتایج محاسبه مدول یانگ به دو روش فوق در می یابیم که مقدار مدول یانگ به روش فونونی با مدول یانگ بلور در حالت تراکمی متناسب است.

ساخت و کاربرد نانوساختارها و نانوذرات، تحول عظیمی را در علوم و فناوری ایجاد کرده است. دسته ای از این مواد خوشه های کوچک عناصر فلزات واسطه هستند که به دلیل برخورداری از خواص فیزیکی و شیمیایی خاص خود، توجه زیادی را به خود معطوف کرده اند. یکی از این خوشه ها، خوشه های مغناطیسی آهن هستند که به دلیل پیچیدگی های ناشی از نیمه پر بودن اوربیتال dی آن ها، هنوز خواصشان مورد مطالعه و بررسی تجربی و نظری می باشد. در این پروژه با استفاده از برنامه ی شبیه سازی کوانتوم- مکانیکی fhi-aims خواص خوشه های آهن را بررسی کردیم. در ابتدا به منظور تایید صحت نتایج بدست آمده، خواص انبوهه ی آهن را توسط دو نرم افزار aims و wien2k بدست آورده و با هم مقایسه کردیم و تطابق خوبی بین مقادیر کمیات محاسبه شده در دو نرم افزار مشاهده شد. پس از بهینه سازی دقت محاسبات، خواص ساختاری، الکترونی، مغناطیسی و ارتعاشی خوشه های دو تا شش اتمی آهن مورد محاسبه و بررسی قرار گرفت . نتایج حاصل نشان می دهند که ساختارهای سه بعدی با بیشترین تعداد پیوند ممکن، ایزومرهای پایه هستند. این خوشه ها مغناطش میانگین بالاتری نسبت به انبوهه دارند ولی ناپایدارتر از انبوهه هستند و لذا واکنش پذیری بالایی دارند. به طور کلی با افزایش تعداد اتم های خوشه ها، خواص آن ها به خواص انبوهه شبیه تر می شود. از آن جایی که خوشه های آهن به دلیل واکنش پذیری بالا به راحتی با یکدیگر پیوند خورده و کلوخه می شوند و نیز به سرعت اکسید شده و مغناطش بالای خود را از دست می دهند، معمولاً آن ها را با یک یا چند لایه از اتم های طلا پوشش می دهند. لذا به عنوان اولین قدم در بررسی این فرآیند، اثر افزودن یک اتم طلا در خواص خوشه های آهن از جمله در میزان پایداری، مغناطش و جلوگیری از اکسیدشدن را مورد بررسی قرار دادیم. نتایج نشان می دهند که با اضافه شدن اتم طلا، خوشه های آهن پایدارتر می شوند ولی تغییر چندانی در مغناطش آن ها بوجود نمی آید. همچنین مشاهده شد که یک اتم اکسیژن، تمایلی به جذب بر روی خوشه یfeau از سر طلای آن ندارد. این مشاهده پوشش خوشه های آهن بوسیله ی لایه های طلا را برای جلوگیری از اکسید شدن تأیید می کند.

در این پروژه به مطالعه ابتدا به ساکن نمونه هایی نیم فلزی که در صنعت اسپین‎ ‎ترونیک حائز اهمیت هستند پرداخته ایم. کلیه ‏محاسبات در چارچوب نظریه تابعی چگالی می باشند و بسته به نوع نیاز مسأله در بخش های مختلف پروژه یکی از دو کد ‏محاسباتی ‏pwscf‏ و ‏wien2k‏ به کار گرفته شده‎ ‎اند. کد ‏wien2k‏ یک کد محاسباتی تمام الکترونی بر پایه روش ‏‎(l)apw‎‏ جهت ‏بسط توابع موج می باشد و محاسبات کد ‏pwscf‏ مبتنی بر روش شبه پتانسیل و استفاده از امواج تخت به عنوان توابع پایه انجام ‏می شود. در ابتدا مروری اجمالی بر نظریه تابعی چگالی انجام داده ایم. در این بخش تمرکز ویژه ای بر رهیافتlda+u ‎‏ (در تصحیح ‏انرژی همبستگی) که در بخشی از این پروژه نیز به کار رفته است، داشته ایم. سپس صنعت اسپین ترونیک به عنوان پشتوانه عملی ‏موضوع پروژه معرفی و بر اهمیت نیم فلزات در این شاخه تأکید شده است.‏ بخش اول پروژه به مطالعه خواص انبوهه و سطح (001) آلیاژ ‏co2fesi‏ و همچنین مرز مشترک (001)‏co2fesi/gaas‏ اختصاص ‏یافته است. آلیاژ ‏co2fesi‏ جزء آلیاژهای هویسلر می باشد که در آنها وجود خاصیت نیم فلزی مورد انتظار است. در ابتدا یک ‏مطالعه اجمالی بر خواص انبوهه این آلیاژ انجام شد؛ در این مطالعات معلوم شد تصحیح همبستگی الکترون ها از طریق ‏رهیافتlda+u ‎‏ در این آلیاژ از اهمیت جدی برخوردار است به گونه ای که خاصیت نیم فلزی که در تقریب ‏gga‏ در این آلیاژ ‏مشاهده نمی شود، با اعمال تصحیح ‏gga+u‏ در ساختار الکترونی ماده دیده می شود. از این رو برای ادامه محاسبات بر روی ‏ساختارهای سطح و مرز مشترک نیز از این تصحیح استفاده شد. خواص ساختاری در سطح و مرز آلیاژ مورد مطالعه دقیق قرار ‏گرفت، پایداری نسبی پایانه های مختلف بررسی و ساختارهای پایدار در سطح و مرزمشترک مشخص شدند. نتایج نشان داد هر ‏دو پایانه ایده آل آلیاژ و همچنین پایانه اشباع شده توسط آهن در ناحیه پایداری دیاگرام فاز سطح قرار می گیرند. از سوی دیگر ‏در مرز مشترک آلیاژ با ‏gaas‏ تنها پایانه ایده آل ‏coco‏ از آلیاژ امکان شکل گیری دارد؛ اما و پایانه مصنوعی ‏fefe‏ و پایانه ترکیبی ‏ناشی از جایگزینی اتم ‏si ‎‏ با ‏ga‏ در بخشی از ناحیه مجاز از دیاگرام فاز وجود دارد. مقایسه انرژی همدوسی ترکیبات انبوهه ‏متناظر با اتم های سطحی و مرزی نشان داد انرژی همدوسی می تواند معیاری برای تمایل نسبی اتم ها برای حضور در سطح یا ‏مرزمشترک به کار رود. اثرات سطحی (و مرزی بر خواص مغناطیس و الکترونی مورد مطالعه قرار گرفت و نقش حالت های ‏الکترونی سطحی در اشغال گاف نیم فلزی در اتم های مرزی و سطحی بررسی شد. ملاحظه شد در اثر تغییرات ساختار الکترونی اتم ‏های سطحی و مرزی نسبت به حالت انبوهه، خاصیت نیم فلزی در عبور از هیچ یک از پایانه های سطحی و مرزی حفظ نمی ‏شود.‏ در بخش دوم به مطالعه دسته ای از آرسنایدهای عناصر واسطه ‏d‏3 در فاز شبه پایدار زینک بلند پرداخته ایم. این مطالعات از منظر ‏رفتار توپولوژی چگالی بار الکترونی در حجم های مختلف انجام شد. در ابتدا به معرفی روش به کار رفته جهت محاسبه ‏توپولوژی چگالی بار الکترونی به عنوان یک میدان اسکالر سه بعدی پرداختیم، سپس این روش را برای مطالعه ترکیباتxas(x=v, ‎cr, mn, fe, co) ‎‏ به کار گرفتیم. محاسبات توپولوژی توسط کد ‏tecd‏ و ‏critic‏ که به ترتیب از چگالی بار الکترونی به دست ‏آمده از ‏pwscf‏ و ‏wien2k ‎‏ استفاده می کنند، انجام شد. پس از تعیین توپولوژی کلی چگالی بار در این ساختارهای زینک بلند، به ‏بررسی دقیق تر رفتار کمیت های توپولوژیکی حین تغییر حجم و همچنین تغییر عدد اتمی عنصر ‏d‏3 پرداختیم. در نتیجه این ‏مطالعات دریافتیم مدول انبوهه ارتباط نزدیکی با مقدار بار در نقاط پیوندی دارد، به گونه ای که هر چه بار بیشتری در محل ‏پیوندهای بین اتمی وجود داشته باشد، تراکم پذیری پیوندها کاهش یافته و لذا مدول انبوهه افزایش می یابد. از سوی دیگر با ‏مقایسه توپولوژی بار در دو کانال اسپینی مختلف مشاهده شد قطبش اسپینی در کمیت های توپولوژیکی به برهمکنش تبادلی بین ‏اتمی در ماده مربوط می شود و بنابراین نحوه تغییرات آنها در ترکیبات مختلف رفتاری مشابه با دمای کوری مواد دارد.‏

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.‎‎ ‎‎‎

مغناطش مرسوم، در سیستم هایی اتفاق می افتد که دارای عناصر واسطه یا نادر خاکی با اوربیتال های جزئی پر شده ی d‎ یا f‎ باشند. در عمل تمام سیستم های مغناطیسی که در گذشته مطالعه شده یا در تجهیزات به کار گرفته شده اند‏، دارای یون های فلزات واسطه یا خاکی نادر هستند. مشاهده ی مغناطش در سیستم هایی که فاقد اوربیتال های d‎ یا f‎ هستند و یا مغناطش آن ها مربوط به این اوربیتال ها نیست، درک سنتی ما از مغناطش را به چالش کشیده است. این مواد به دو دسته تقسیم می شوند: دسته ای که اتم های یک بلور کامل حامل ممان مغناطیسی هستند و دسته ای که ممان مغاطیسی آن ها به نقایص شبکه شان نسبت داده می شود. از دسته ی اول به طور نظری پیش بینی شده است که ترکیبات گروه های ia و iia با گروه های ‎iv‎ و ‎v‎ در بعضی از حالت های ساختاری، نیم فلزات فرومغناطیس هستند و می توانند کاندیداهایی برای کاربردهای اسپینترونیکی باشند‎. ما در این مطالعه با بکارگیری محاسبات مبتنی بر نظریه ی تابعی چگالی‏ با شبه پتانسیل فوق نرم و با توجه به ساختار مواد مغناطیسی مشابه و نتایج تجربی سنتز ترکیب caas‎‏، مغناطش را در ترکیبات ‎can‎ و ‎caas‎ در دو ساختار مکعبی نمک سنگی ‎rs و بلندروی zb‎ و چهار ساختار شش گوش nias‎، ورتسایت wz، پاد‎nias‎ و ‎nao‎ بررسی کرد ه ایم. نتایج به دست آمده حاکی از اینست که ‎can‎ در ساختارهای مکعبی، ‎nias‎ و ورتسایت و ‎caas‎ تنها در ساختار بلندروی حالت پایه ی فرومغناطیس با ممان مغناطیسی 1?b‎ دارند. تحلیل ساختار الکترونی این مواد نشان می دهد که مغناطش ریشه در اوربیتال p‎ آنیون ها دارد. وجود نوارهای تخت در نزدیکی سطح فرمی ساختارهای مغناطیسی که نشان دهنده ی چگالی بالای حالت های الکترونی است، باعث برآورده شدن معیار استونر و بروز شکافتگی اسپینی و در نتیجه ایجاد مغناطش خودبه خودی می گردد. بزرگ تر بودن برهم کنش تبادلی در اوربیتال 2p‎ اتم نیتروژن نسبت به اوربیتال 4p‎ اتم آرسنیک باعث می شود که ساختارهای بیشتری در ترکیب can‎‎ نسبت به ‎caas‎ حالت پایه ی فرومغناطیس داشته باشند. هیبریدشدگی حالت های d‎ القا شده در کلسیم با حالت های p‎ آنیون به تشدید این موضوع کمک می کند. با توجه به فرضی بودن ساختارهای در نظر گرفته شده به جز ساختار ‎nao‎ پایداری ترکیبات را از دو دیدگاه ترمودینامیکی و دینامیک شبکه مورد بررسی قرار داده ایم. نتایج نشان می دهند که تمامی ساختارها از لحاظ ترمودینامیکی پایدار هستند. اما بررسی ارتعاشات شبکه حاکی از اینست که به جز ساختار nao‎، ساختارهای دیگر دارای فرکانس های موهومی که نشان دهنده ی ناپایداری دینامیکی در سیستم است، هستند. برای یافتن علت ناپایداری دینامیکی توپولوژی چگالی بار الکترونی را در ساختار مختلف بررسی کرده ایم. مطابق نتایجی که به دست آمده است، تمایل آنیون ها برای نزدیک تر شدن به یکدیگر و تشکیل پیوندهای کووالانسی، علت بروز این ناپایداری هاست. آنیون ها در ساختار ‎nao‎ کوتاه ترین فاصله از یکدیگر را نسبت به دیگر ساختارها دارند و توپولوژی خاص چگالی بار این ساختار امکان ایجاد قوی ترین پیوندهای کوالانسی در میان تمامی ساختارها را فراهم می سازد.

این رساله مبتنی بر دو پژوهش است. در اولین پژوهش به مطالعه ی خواص الکترونی بسپار پلی-پارا-فنیلین بر روی گرافین با استفاده از نظریه اختلال بس ذره ای g0w0 پرداخته ایم. تحلیل چگالی بار و پتانسیل الکتروستاتیکی نشان می دهد که دو قطبی های سطحی شکل گرفته ناشی از اندرکنش بسپار-گرافین ضعیف بوده و انتقال بار قابل ملاحظه ای میان بسپار و گرافین رخ نمی دهد. در تقریب چگالی موضعی (lda) ساختار نواری سامانه مرکب را می توان به عنوان برهم نهی ساختارهای نواری هریک از اجزای تشکیل-دهنده در حالت منزوی در نظر گرفت. بنابراین، در تقریب lda، گاف انرژی بسپار پس از جذب فیزیکی بر روی گرافین بدون تغییر باقی خواهد ماند. در محاسبات g0w0 ترازهای الکترونی بسپار طی فرآیند جذب تغییر خواهند کرد و گاف انرژی بسپار جذب شده در مقایسه با گاف انرژی بسپار منزوی کاهش قابل ملاحظه ای را از خود نشان می دهد که این اثر را می توان بر اساس بارهای تصویری القاشده در گرافین شرح داد. برای توصیف تغییرات گاف شبه ذره بسپار بر حسب فاصله جذب بسپار-گرافین از مدل پتانسیل تصویری کلاسیک استفاده کرده ایم. به طور متقابل بسپار بر روی ساختار نواری گرافین تأثیر گذشته و منجر به باز شدن گاف نواری گرافین در نقطه ی دیراک می گردد. اندازه ی این گاف در تقریب lda بسیار کوچک است در حالی که در رهیافت g0w0، به دلیل در نظرگیری آثار بار تصویری ناشی از قطبش ناهمسانگرد زنجیره بسپار، اندازه گاف قابل ملاحظه می باشد. در پژوهش دوم به مطالعه ابتدا به ساکن خواص ساختاری، الکترونی و مغناطیسی بلور، زنجیره های آزاد، سطوح آزاد (100) و (110) و همچنین نانوسیم های باریک [001] mnse در ساختار مکعبی نمک طعام پرداخته ایم. برای مطالعه نانوسیم ها از میان سطح مقطع-های مختلف متناظر با راستای رشد [001]، مقاطع پرتقارن که فاقد دوقطبی ساختاری بوده و از سطوح با اندیس پایین (100) و (110) تشکیل شده اند را انتخاب کرده ایم. نانوسیم های ساخته شده از سطوح (100) را نانوسیم های مربعی و نانوسیم های متشکل از سطوح (110) را نانوسیم های لوزوی نام گذاری کرده ایم. برای افزایش میزان همبستگی الکترون ها در اربیتال d اتم mn، از رهیافت gga+u استفاده شده است. این رهیافت سبب ارتقای نتایج محاسباتی در توافق بهتر با نتایج تجربی می شود. مقایسه انرژی های همدوسی محاسبه شده نشان می دهد که نانوسیم های باریک mnse که از سطوح (100) ساخته شده اند و دارای سطح مقطع های مربعی تیز هستند، پایداری نسبی بالاتری دارند. به منظور تخمین انرژی های تشکیل زنجیره های mnse در لبه ها و وجوه نانوسیم-های mnse از روش پدیده شناسی استفاده شده است. همچنین برای مطالعه و بررسی اثر پیوندهای آویزان سطح بر خواص الکترونی نانوساختارهای mnse، شعاع اول نانوسیم با مقطع مربعی توسط شبه اتم های هیدروژن اشباع شده است. مقایسه ساختارهای نواری الکترونی و انرژی های همدوسی نانوسیم های mnse دست نخورده و نانوسیم های اشباع شده، حاکی از بازهیبریداسیون موثر سطحی و در نتیجه عدم حضور پیوندهای آویزان سطحی در نانوساختارهای مختلف mnse است.

افزایش جهانیِ مصرف انرژی و رو به اتمام بودن منابع فسیلی کره زمین، دانشمندان را ترغیب به یافتن منابع جدید انرژی نموده است. امروزه، تبدیل مستقیم گرما به الکتریسیته با استفاده از مواد ترموالکتریک جدید به عنوان یک منبع ممکنِ انرژی تلقی میشود که میتواند در کاهش گرمای کره زمین نیز موثر واقع شود. با تعبیه مولدهای ترموالکتریک مناسب در اطراف لوله اگزوز خودرو، میتوان بخشی از این گرمای اتلافی را بازیافت و تبدیل به الکتریسیته مفید کرد که از آن در خنک سازی اتاقک خودرو و یا تأمین برق مورد نیاز یخچال آن استفاده میشود. چالش اساسی در زمینه ساخت این نوع مولدها، هزینه تولید و بازده مواد ترموالکتریک است. بازده یک مولد ترموالکتریک از طریق کمیتِ بدون بُعد ضریب بهره zt، با ? رسانندگی الکتریکی، ? ضریب سیبک، ? رسانندگی گرمایی کل و t دما در ارتباط میباشد. ترکیبات سه تایی کالکوژن دار agsbq2 (q= s, se ,te) یک گروه از مواد مورد علاقه برای ساخت قطعات ترموالکتریکی میباشند که به طور ذاتی دارای ضریب سیبک و رسانندگی الکتریکی بالا و رسانندگی گرمایی پایین میباشند و با اعمال آلایش به آنها میتوان این خواص را باز هم بهبود بخشید. به دلیل مشابه بودن خواص پراکندگی اتمهای ag و sb، محققان تاکنون بر اساس آزمایشهای پراش اشعه ایکس و نوترون، قادر به تعیین پیکربندی اتمی این سیستمها به طور دقیق نبوده اند. با این وجود، تمامی اندازه گیریها وجود یک ساختار بلوری مشابه نمک طعام را تأیید میکنند. از اینرو در این تحقیق پنج ساختار بلوری ممکن را در نظر میگیریم و خواص ساختاری، الکترونی و ترموالکتریکی بلور agsbse2 را با استفاده از محاسبات ابتدا به ساکن مورد بررسی قرار میدهیم. خواص ساختاری و الکترونی، در چارچوب نظریه تابعی چگالی و تقریب تبادلی-همبستگی gga-pbe، به روش شبه پتانسیل محاسبه می شود. بدین منظور، از کد pwscf از بسته محاسباتی quantum espresso که در آن از امواج تخت به عنوان پایه های بسطِ توابع موج تک ذره ایِ کوهن-شم استفاده میشود، بهره برده ایم. شبه پتانسیلهای مورد استفاده از نوع بارپایسته و نسبیتی اسکالر میباشند. برای یافتن ساختار پایدار بلور agsbse2 ، پارامترهای شبکه تعادلی، مدول حجمی و انرژی همدوسی، پنج ساختار بلوری ممکن را در نظر میگیریم. در گام بعد، خواص ترموالکتریکی ساختارهای مختلف در چارچوب نظریه ترابرد نیمه کلاسیک بولتزمن، با استفاده از کدهای wannier90 و boltztrap محاسبه و با مقادیر تجربی مقایسه میشوند. ز مقایسه مقادیر محاسبه شده رسانندگی الکتریکی و اندازه گیریهای تجربی، میتوان مقدار تقریبی زمان واهلش را تخمین زد.

یکی از مسائل مهم در زمینه اسپینترونیک تزریق جریان اسپینی از یک فلز فرومغناطیس به نیم رسانا است. در سالهای اخیر فرومغناطیس های نیمرسانا بدلیل توانایی بالا در تولید جریان قطبیده اسپینی مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفتند که آلیاژهای هویلسر از این دسته هستند. نیم فلز موادی هستند که بریا یک نوع اسپین رفتار فلزی و برای نوع دیگر رفتار نیم رسانایی دارند. لذا این مواد در سطح فرمی دارای قطبش اسپینی 100% هستند. در بسیاری از مواد گرچه خاصیت نیم فلزی در انبوهه بروز میکند لیکن تجربه نشان داده است که این خاصیت در مرز مشترک این مواد با نیم رساناها به علت حضور اثرات مرز مشترک که از بی نظمی اتم ناشی میشوند از بین میرود. بنابراین مطالعه اتصال بین نیمرسانا و نیم فلز به ویژه اثرات مرز مشترک بر روی خواص مغناطیسی و الکترونی آنها بسیار مهم است. ترکیب co2cr0.5fe0.5al از جمله آلیاژهای هویسلر است که خاصیت نیم فلزی در حالت انبوهه آن پیش بینی شده است. از مزایای این آلیاژ دمای کوری بالا و مغناطومقاومت تونلی بزرگی در حدود 37% در میدان 0.25 تسلا است. بنابر اطلاعات ما تاکنون مرز مشترک این آلیاژ با نیمرسانا مورد بررسی قرار نگرفته است و بنابراین مشخص نیست که آیا قطبش بالا که در انبوهه آلپاژ مشاهده شده در مرز مشترک آن با نیمرسانا نیز حفظ میشود یا نه؟ همین امر باعث شد که ما مرز مشترک این ترکیب با gaas که از نیمرساناهای متعارف در صنعت الکترونیک است را برای بررسی انتخاب کنیم. در این رساله با استفاده از نرم افزار espresso در ابتدا خواص انبوهه آلیاژ co2cr0.5fe0.5al که از نظر ساختاری به ترکیب co2cr0.6fe0.4al بسیار نزدیک است و از طرفی ابریاخته کوچکتری نیز در مقایسه با آن دارد ارائه شده است. نتایج حاصل از انبوهه حضور خاصیت نیم فلزی در این آلیاژ را تایید میکند. در ادامه مرز مشترک co2cr0.5fe0.5al شبیه سازی شده و خواص الکترونی و مغناطیسی این مرز مشترک با استفاده از محاسبات اولیه کوانتمی در چارچوب نظریه تابعی چگالی اسپینی و با بکارگیری رهیافت شبیه پتانسیل مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بررسی مرز مشترک مختلف آلیاژ با نیمرسانا نشان میدهد که خاصیت نیم فلزی در تمامی مرز مشترک ها کاهش می یابد. با این حال پایانش cral-as علاوه بر اینکه پایدارترین مرز مشترک است قطبش اسپینی آن در حد بالایی باقی میماند. ضمنا نتایج ما بررسی مرز مشترک تغییر یافته crcr-as نشان میدهد که با جایگذاری اتم cr به جای اتم al در پایانش cral-as قطبش اسپینی در مرز مشترک افزایش می یابد. در پایان ناپیوستگی نواری و مقدار سد شاتکی در مرز مشترک محاسبه شدند.

یکی از مهم ترین مسائل و چالش های جهان مدرن، یافتن منابع جدید انرژی می باشد. امروزه، مواد ترموالکتریک با تبدیل مستقیم گرما به الکتریسیته به عنوان یک منبع انرژی تلقی می شوند که می توانند در کاهش گرمای زمین نیز موثر واقع شوند. یکی از نویدبخش ترین کاربردهای ترموالکتریک در صنعت خودروسازی است. به طوریکه شرکت ژنرال موتور بیان داشته است که کاهش تنها 10 درصدی در مصرف سوخت تنها در خودروهای ساخت این شرکت، باعث صرفه جویی معادل 100 میلیون گالن سوخت در سال برای آمریکا خواهد شد. مشکل مواد ترموالکتریک صنعتی اینجاست که دارای بازده پایین هستند به طوری که توان رقابت با وسایل گرمایشی و سرمایش مرسوم را ندارند. بنابراین دانشمندان با به کارگیری فناوری نانو به دنبال یافتن مواد ترموالکتریک جدیدی هستند که بازده خوبی داشته باشند. ابرشبکه ها ازجمله نانوسیستم های دوبعدی هستند که پتانسیل زیاد برای بهبود کارایی ترکیبات ترموالکتریک دارند . به همین دلیل در این تحقیق خواص ترموالکتریکی ابرشبکه (agsbse2)n(agsbte2)n را به ازای 2و1=n مورد بررسی قرار می دهیم. ترکیبات کالکوژن دار agsbq2(q=s,se,te) دسته ای از مواد ترموالکتریک هستند که به طور ذاتی دارای ضریب سیبک و رسانندگی الکتریکی بالا و رسانندگی گرمایی پایین و در نتیجه کارایی ترموالکتریکی بالایی هستند. در این تحقیق با استفاده از محاسبات کوانتومی مبتنی بر نظریه تابعی چگالی و رهیافت شبه پتانسیل به بررسی خواص ساختاری، الکتریکی و ترابردی بلورهای agsbse2 و agsbte2 و ابرشبکه های متشکل از این دو آلیاژ پرداختیم. بر اساس محاسبات انجام شده در تقریب gga، آلیاژهای agsbse2 و agsbte2 شبه فلز پیش بینی می شوند. در حالیکه در واقعیت این آلیاژها نیمرساناهای با گاف باریک هستند. برای رفع این مشکل، از تصحیح های gga+u و اسپین-مدار بهره گرفتیم. اعمال تقریب اسپین-مدار مشکل گاف را برطرف نکرد اما تقریب gga+u تا حدودی توانست گاف بلورagsbse2 را به درستی پیش بینی کند. سپس به بررسی خواص ترابردی این آلیاژها پرداختیم. در گام بعدی، پس از تشکیل ابرشبکه تک لایه و دولایه از دو آلیاژ معرفی شده، خواص ترابرد را در تقریب gga، که گاف های مختلف انرژی به وسیله عملگر قیچی به سیستم اعمال گردیده است ، و تقریب gga+u محاسبه نمودیم. نتایج بدست آمده حاکی از آن است که ابرشبکه تک لایه نسبت به ابرشبکه دولایه و همچنین بلورهای تشکیل دهنده، خواص ترموالکتریکی بهتری از خود نشان می دهد و پیش بینی می شود که این ابرشبکه ضریب بهره بالایی داشته باشد.

مشاهده­ی مغناطش ناشی از اربیتال p در برخی ترکیبات فاقد عناصر واسطه، حوزه­ی جدیدی را در علوم مغناطیس گشوده است. از جمله این ترکیبات می توان به برخی آلیاژهای دوتایی یونی نظیر can و cac اشاره کرد. همراه بودن رفتار فرومغناطیسی این دو ترکیب با ویژگی نیم فلزی در برخی ساختارهای شبه پایدار، می تواند برای صنعت اسپینترونیک نیز نویدبخش باشد. در این کار با استفاده از محاسبات مبتنی بر نظریه­ی تابعی چگالی و روش شبه پتانسیل، به بررسی بلور can و cac در ساختارهای نمک سنگی و بلندروی و همچنین نانولایه­های can و cac در این ساختارها روی زیر لایه­ی مس در راستای (001) پرداختیم. نتایج نشان می دهند که بلور can در ساختار نمک سنگی پایدارتر از ساختار بلندروی است و هردو ساختار رفتار فرومغناطیس نیم فلزی دارند. اما برخلاف انبوهه، نانولایه­­های can و cac ساختار zb را ترجیح می­دهند. خواص ساختاری نانو لایه­های دو ترکیب مورد نظر در دو ساختار zb و rs مورد مطالعه قرار گرفت، پایداری نسبی پایانه­ها و الگو­های مختلف شکل گیری لایه نازک بررسی و ساختار­های پایدار مشخص شدند. محاسبات لایه نازک نشان می دهد که نانو لایه های can و cac روی cu(001) ساختار بلند­روی و به ترتیب پایانه ی نیتروژن و پایانه­ی کربن را ترجیح می دهند. یعنی ترکیبات بررسی شده تمایل به قرار گرفتن از طرف آنیون خود بر روی زیر لایه­ی مس داشتند. همچنین لایه نازک cac پیوند قوی­تری با زیر لایه مس برقرار می­کند. برای یافتن علت پایداری به سراغ طول پیوند، تعداد پیوند، چگالی الکترونی و نمودار چگالی حالت­ها رفتیم. دلیل این پایداری پیوند نسبتا قوی اتم های نیتروژن با مس و اتم­های کربن با مس است که منجر به غیرمغناطیسی شدن دستگاه نیز می شود. اثرات سطحی و مرزی بر خواص مغناطیسی و الکترونی مورد مطالعه قرار گرفت. ملاحظه شد در اثر تغییرات ساختار الکترونی اتم­ها­ی سطحی و مرز نسبت به حالت انبوهه، خاصیت نیم فلزی در دو لایه­ای پایانه­ی نیتروژن وکربن حفظ می­شود نتایج نشان می­دهد که در پایانه کلسیم لایه­های نازک can و cac روی زیر لایه مس، امکان بروز رفتار مغناطیسی وجود دارد. لذا برای بررسی میزان پایداری این پایانه­ها در برابر پایانه­های پایدار غیر مغناطیسی به بررسی مسیر گذار سیستم از حالت مغناطیسی به حالت غیر مغناطیسی پرداختیم. برای بدست آوردن مسیر کمینه­ی انرژی، به سراغ روش neb رفتیم. محاسبات نشان داد انرژی فعال سازی مورد نیاز برای گذار از حالت شبه پایدار مغناطیسی به حالت پایدار غیر مغناطیسی در مورد لایه نازک can برابر ev 36/1 است. به دلیل ناپیوستگی در مغناطش (ناپیوستگی در مشتق اول )، یک گذار فاز مرتبه­ی اول از فاز فرومغناطیس به فاز غیر مغناطیسی داریم. بنابراین پیشنهاد می شود به منظور رشد لایه نازک فرومغناطیسی can، ابتدا یک لایه کلسیم روی زیر لایه مس رونشانی شود و سپس یک لایه نیتروژن روی آن رونشانی شود.

در چند دهه اخیر مساله ی جذب سطحی مولکول روی سطح pt توجه زیادی را به خود جلب کرده است. محاسبات مبتنی بر نظریه تابعی چگالی، dft تقدم جایگاه های جذب سطحی co روی pt 111 را در پوشش ها کم به صورت ابتدا جایگاه تهی، سپس جایگاه bridge و در نهایت جایگاه top پیش بینی میکنند. این در حالی است که بر اساس مشاهدات تجربی ، در پوشش های کم ابتدا جایگاه های top پوشیده میشوند و سپس با افزایش پوشش، جذب در جایگاه bridge دیده میشود. به علاوه هیچ گزارش تجربی مبنی بر مشاهده ی جذب در جایگاه تهیه وجود ندارد. امروزه دلیل اصلی بروز این نتاقض را ضعف تابعی های موضعی و شبه موضعی در برآورد دقیق قدرت پیوندهای مولکولی با درجات مختلف میدانند. ضمن آن که نظراتی نیز مبنی بر اهمیت اعمال تصحیحات نسبتی در محاسبات ارائه شده است. در تلاش برای یافتن تابعی مناسب و رفع این تناقض اثر به کارگیری تابعی و اعمال مراتب مختلف تصحیحات نسبتی را بررسی کرده ایم. پس از بهینه سازی ها و واهمش های دقیق به این نتیجه رسیدیم که تابعی metagga نتایج بهتری نسبت به تابعی gga میدهد. این تابعی اختلاف انرژی جذب سطحی بین جایگاه های top و تهی fcc را تقریبا نصف مقدار به دست آمده با gga میدهد. همچنین تاثیر اعمال تصحیح نسبیتی شامل برهمکنش اسپین - مدار را نیز بررسی کردیم. اعمال این بر همکنش برخلاف اظهارهای دیگران نه تنها نتایج را بهبود نداد. بلکه حتی پایداری جایگاه fcc را بیشتر برآورد کرد. به نظر میرسد در این مساله تابعی metagga توصیف بهتری از سطح فلز پلاتین ارائه میکند. همچنین به نظر میرسد خطاهایی وجود دارد که در محاسبات شامل تصحیح نسبیتی از مرتبه ی اسکالر - نسبتی یکدیگر را خنثی میکنند ولی در محاسبات دقیق تر شامل تصحیح نسبتی از مرتبه ی اسکالر-نسبیتی یکدیگر را خنثی میکنند ولی در محاسبات دقیق تر شامل تصحیح اسپین -مدار نمایان میگردند. مطالعه برای پیدا کردن منشا نتایج ضعیفتر در محاسبات شامل برهمکنش اسپین - مدار میتواند پیشنهادی برای ادامه ی تحقیقات در این زمینه باشد.

نظریه ی تابعی چگالی بستر نظری ارزشمندی را برای مطالعه ی گستره ی وسیعی از مواد با ویژگی های متنوع فراهم آورده است و دسته معادلات تک ذره ی کوهن-شم از مهم ترین راهکارهای موجود برای بروز توانمندی های این نظریه است. در فصل اول نحوه ی مطالعه ی سیستم های مغناطیسی را در نظریه ی تابعی چگالی بررسی می کنیم. ابتدا فرمول بندی غیر اسپینی این نظریه و دسته معادلات کوهن-شم معرفی می شوند و سپس با نگاهی به انواع ساختارها و نظم های مغناطیسی موجود، توسعه ی اسپینی نظریه ی تابعی چگالی استخراج می شوند و سپس با نگاهی به انواع ساختارها و نظم های مغناطیسی موجود، توسعه ی اسپینی نظریه ی تابعی چگالی استخراج می شود. نگاهی کوتاه به برهم کنش نسبیتی اسپین-مدار نیز خواهیم داشت. در این پایان نامه از بسته ی محاسباتی wien2k که دسته معادلات تک ذره ی کوهن-شم را به روش امواج تحت بهبود یافته ی خطی با پتانسیل کامل حل می کند استفاده شده است تا خواص ساختاری، الکترونی و مغناطیسی دو ترکیب مهم و مورد علاقه محاسبه و بررسی شود. ترکیب اول آلیاژ هویسلر فرومغناطیس co3mnsi است که در فصل دوم به آن می پردازیم. این آلیاژ در دسته ای از مواد به نام نیم فلزات فرومغناطیس قرار دارد که به دلیل قطبش اسپینی ایده آل 100 درصد در تراز فرمی، در کانون توجه محققان علم و فناوری اسپنترونیک قرار دارند. در این رساله ابتدا خواص انبوهه ی این آلیاژ ارابه می شود و ضمن تایید رفتار نیم فلزی آن ساز و کار پیدایش این خاصیت در سیستم بحث می شود. سپس نتایج بدست آمد، درباره ی سطوح ایده آل comnsi(001) ارایه شده و هویت و دلیل پیدایش حالت های سطحی از بین برندهی رتفار نیم فلزی به دقت مطالعه می شوند. در انتها به مبحث بی نظمی های بلوری در سطوح این آلیاژ، که از موانع اصلی تایید تجربی رفتار نیم فلزی محسوب می شوند، می پردازیم و پس از تحلیل خواص ساختاری، الکترونی ، مغناطیسی و پایداری سطوح مختلف راهکاری را پیشنهاد می کنیم که بتوان با کنترل ترکیب سطحی توسط پارامترهای ترمودینامیکی، رفتار نیم فلزی را در سطوح حفظ کرد. ترکیب دوم انبوهه ی کروم است که فصل آخر به آن اختصاص یافته است. این ماده با وجود ساختار هندسی ساده ی مکعبی مرکزپر، دارای حالت پایه ی موج چگالی اسپینی نامتعارف است که زمینه ساز مطالعات تجربی و نظری فراوانی شده است. ما برای اولین بار به مطالعه ی برهم کنش فوق ریز در مکان ناخالصی های 4d در بلور زمینه ی کروم پرداختیم. ابتدا خواص انبوهه ی کروم بررسی شد و با محاسبه ی مقطع (001) سطح فرمی، خاصیت لانه گزینی آن مورد بررسی قرار گرفت. سپس خواص ساختاری، الکترونی، مغناطیسی و برهم کنش فوق ریز در آلیاژهای رقیق کروم (حاوی ناخالصی های فوق) مطالعه شد. نتایج حاکی از بزرگ نمایی محاسباتی میدان فوق ریز در مکان ناخالصی های مختلف هستند که منشاء آن تقریب تبادلی - همبستگی gga معرفی می شود. در انتها یک مدل ساده برای تصحیح این بزرگ نمایی و بدست آوردن نتایج قابل مقایسه با تجربه ارایه می شود.

در تمامی محاسبات ساختار الکترونی که تا کنون بر روی ترکیبات مختلف با استفاده از بسته ی محاسباتی wien2k انجام شده است، توابع بلوخ به کار گرفته شده اند. در این بسته ی محاسباتی، دسته معادلات تک ذره ی کوهن–شم به روش امواج تخت بهبودیافته ی خطی باپتانسیل کامل حل می شوند. توابع بلوخ به دست آمده، اگرچه توصیف جالبی از رفتار بلور در فضای اندازه حرکت ارایه می کنند و به همین دلیل به طور گسترده به کار برده می شوند لیکن اگر خواصی مورد نظر باشند که به رفتارالکترون در فضای معمولی مربوطند، نظیر ترابرد الکترون، بکارگیری آن ها چندان مناسب نمی باشد. نقطه ی مقابل این توابع ، توابع وانیر هستند که یک مجموعه ی کاملا جایگزیده اند. اخیرا این توابع به دلیل کاربرد وسیعشان در بررسی ترابرد کوانتمی درساختارهای نانو مورد توجه خاص اهل علم قرار گرفته اند. یکی از نرم افزارهای معروف برای محاسبه ی توابع وانیر، نرم افزارwannier90 می باشد. تاکنون غالبا توابع بلوخ مورد نیاز برای ورود به این نرم افزار از طریق بسته ی محاسباتی espresso ( برنامه ی pw2wannier90) محاسبه می شده اند. اماکد نوشته شده در این پایان نامه که ما آن را isfahan2008 نامیده ایم ، هر کاربر استفاده کننده از بسته ی محاسباتی wien2k را قادر خواهد ساخت تا با استخراج نتایج از این نرم افزار و بکار گیری آن ها در wannier90 توابع وانیر را محاسبه کرده و نتایج حاصله را با نتایج حاصل از espresso مقایسه کند.

نظریه تابعی چگالی ‎(dft)‎ یکی از پرکاربردترین و موفق ترین نظریات در فیزیک محاسباتی است که با مجموعه ای از شبیه سازی های ساده توانایی پیش بینی خواص ترکیب ها و ساختارهای نو و پیچیده را داراست.این رساله که محاسبات آن بر پایه ‎dft‎ است، شامل دو قسمت اصلی به شرح زیر است: پس از مروری مختصر بر نظریه تابعی چگالی و اهمیت آن در فیزیک، در قسمت اول که شامل فصل های دو، سه و چهار است، با استفاده از بسته محاسباتی کوانتم اسپرسو به بررسی ترکیب های ‎cac‎ و ‎can‎ به عنوان نمایندگانی از ترکیب های گروه ‎ii-iv‎ و ‎ii-v‎ می پردازیم. این ترکیب های دوتایی یونی دسته جدیدی از مواد مغناطیسی هستند که بر خلاف مغناطیس های سنتی که مغناطش آنها از اوربیتال های ‎d‎ یا ‎f‎ عنصر واسطه ناشی می شود، در این ترکیب ها اوربیتال ‎p‎ آنیون عامل مغناطیسی شدن سامانه است. بررسی چرایی و چگونگی ایجاد این مغناطش و ویژگی های آن، قدرت برهم کنش تبادلی و دمای کوری سامانه، چگونگی پایداری ساختارهای مغناطیسی این مواد و ... از جمله سوال هایی است که سعی در پاسخ دادن به آنها را داریم. بر این اساس، در فصل دوم عوامل موثر در پیدایش مغناطش در این ترکیب های یونی را شرح می دهیم. همچنین در این فصل نشان می دهیم برهم کنش تبادلی و به دنبال آن دمای کوری این ترکیبات قابل قیاس و حتی بزرگتر از دمای کوری مغناطیس های مشهوری چون ‎mnsi$_2$co‎ است. استقلال خواص ساختاری (پارامتر شبکه و مدول حجمی) از مغناطش از دیگر ویژگی های خاص این دسته از مغناطیس هاست که در این فصل نشان می دهیم.ارتباط مستقیم قطبش بار در فضای حقیقی با دمای کوری و اثر برهم کنش غیرجایگزیده از دیگر مسائلی است که در این فصل به آن می پردازیم. در فصل سوم به بررسی بیشتر ترکیب ‎cac‎ پرداخته ایم و هفت ساختار پر اهمیت برای این ترکیب را بررسی می کنیم. با استفاده از محاسبات پراکندگی فونونی، پایداری دینامیکی ترکیب ‎cac‎ را در این هفت ساختار بررسی می کنیم و نشان می دهیم علاقه اتم های کربن به تشکیل دوتایی ‎$_2$c‎ موجب ناپایداری دو مورد از ساختارهای غیرمغناطیسی است. در این فصل نشان می دهیم علی رغم پایداری ساختارهای مغناطیسی و همچنین با وجود قوی بودن برهم کنش تبادلی و دمای کوری، اما ساختار غیرمغناطیسی ‎b33-cac‎ از لحاظ انرژی پایدارتر است. البته امکان ساخت ساختارهای مغناطیسی این ترکیب در آزمایشگاه و با استفاده از زیرلایه مناسب وجود دارد. نیاز رو به رشد بشر به انرژی، بهره برداری از منابع انرژی نو را می طلبد و این امر نیاز به طراحی مواد جدید خصوصاً در زمینه ی فوتوولتاییک را موجب شده است. بر این اساس، در قسمت دوم رساله که طی فرصت مطالعاتی شش ماهه در دانشگاه ماینز کلرادو انجام شده است، با استفاده از بسته محاسباتی سیستا، به بررسی امکان ایجاد حصر کوانتمی ‎در نانوساختارهای بلوری ‎si‎ که توسط ساختار بی نظم آن محصور شده اند ‎(nc-si/a-si:h)‎ می پردازیم.اهمیت این سامانه در نسل سوم سلول های خورشیدی است؛ این نسل از سلول های خورشیدی با بهره گیری از ترکیب ها و سامانه های نوینی چون ساختارهای کوانتمی و نانوساختارها که به شکل گیری پدیده هایی چون ‎qc‎ منجر می شود، سعی در افزایش کارایی سلول و کاهش هزینه ها دارد. در این راستا نانوساختارهای ‎nc-si/a-si:h‎ از اهمیت خاصی برخوردارند که در فصل پنجم به تفصیل توضیح می دهیم. اما برای دستیابی به ویژگی های مورد علاقه در این ساختار، نیاز به افزایش کیفیت شبکه بی نظم سیلیکون ‎(a-si)‎ داریم. چگونگی ساخت شبکه بی نظم سیلیکون، ویژگی های این ساختار و فرآیندهای لازم جهت افزایش کیفیت آن (که توسط یک برنامه کامپیوتری سازگار با بسته محاسباتی سیستا انجام می شود)، از جمله مواردی است که در فصل ششم توضیح می دهیم. در فصل هفتم با استفاده از کُدی که تهیه کرده ایم به بررسی اثر کاهش ضخامت نانولایه بلوری سیلیکون در خواص الکترونی و نوری ساختار ‎nc-si/a-si:h‎ می پردازیم و نشان می دهیم این سامانه قادر به ایجاد پدیده مهم و مورد علاقه حصر کوانتمی است. این نتیجه در نانولایه های سیلیکون که تنها در یک بعد توسط ساختار بی نظم آن محدود شده اند، نشان دهنده وجود حصر کوانتمی در نانولوله و نانودانه های این سامانه است که به ترتیب در دو و سه بعد محدود شده اند. دیدیم ‎qc‎ در این سامانه تنها برای حفره ها در نوار ظرفیت رخ می دهد و الکترون ها حالتی غیرجایگزیده را به نمایش می گذارند، چگونگی پیدایش این ویژگی را در فصل هفت توضیح دادیم. همچنین در این فصل نشان دادیم که در ایجاد حصر کوانتمی برای بازه بزرگتری از انرژی (که به افزایش کارایی سلول های خورشیدی منجر می شود)، کیفیت سطح محصور کننده در ناحیه مرزی با ساختار بلوری از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

نظریه تابعی چگالی یکی از موفق ترین نظریه ها در ماده چگال محاسباتی است. شالوده این نظریه بر این نهاده شده است که بادانستن چگالی حالت پایه یک سیستم بس ذره ای می توانیم تمام خواص آن را بدست آوریم. بر طبق این نظریه انرژی تبادلی همبستگی کل سیستم تابعی جهانی از چگالی است. شکل این تابعی جهانی مشخص نیست (و شاید هرگز مشخص نشود) و بنابر این ناچار به تقریب زدن می شویم. تقریب های رایج در این نظریه برای انرژی تبادلی همبستگی تابعی های lda و gga هستند. این تقریب ها دارای معایبی هستند که در برخی محاسبات خود را به صورت واضح نشان می دهند.برای مثال در تقریب های lda و gga جایگاه جذب مولکول co بر روی سطح pt اشتباه پیش بینی می شود. یا منوکسید آهن، feo، که یک عایق با گاف 2ev است. فلز پیش بینی مر شود. در این پایان نامه دو مثال co/pt(iii و ٍّfeo، را به صورت مفصل مورد بررسی قرار می دهیم. در مسئله co/pt(iii به بررسی اثر تابعی های مختلف gga بر روی مسئله می پردازیم و بعد از آن اثر یک تابعی غیر موضعی را برروی آن بررسی می کنیم و نشان می دهیم با استفاده از تابعی غیر موضعی می توان باعث بهبود نتایج شد. از طرف نشان خواهیم داد که برخی تابعی های gga وجود دارند که جایگاه درستی را برای جذب مولکول co پیش بینی می کنند. در ادامه به بررسی اثر فشار بر روی منوکسید آهن می پردازیم و نشان می دهیم که حتی با روش های اصلاحی مانند lda+u نیز ممکن است جواب درستی برای خواص ساختاری منوکسید آهن بدست نیاوریم و در ادامه برای راه حل آن استفاده از اثر اسپین -مدار را پیشنهاد می کنیم. علاوه بر آن به بررسی وجود و امکان نظم اربیتالی در این ساختار می پردازیم و نشان می دهیم که با استفاده از روش lda+u می توان نظم اربیتالی در سیستم پیدا کرد.

مشاهده مغناطیس ناشی از اوربیتال p در برخی ترکیبات فاقد عناصر واسطه، حوزه ی جدیدی را در علوم مغناطیس گشوده است. از جمله این ترکیبات می توان به برخی آلیاژهای دوتایی یونی نظیر can اشاره کرد. همراه بودن رفتار مغناطیسی این ترکیب با ویژگی نیم فلزی در برخی ساختارهای شبه پایدار، می تواند برای صنعت اسپینترونیک نویدبخش باشد. پس از مرور مختصری بر ویژگی¬های ترکیبات دوتایی مبتنی بر مغناطش p و نظریه ی تابعی چگالی، به بررسی روش امواج تخت بهینه شده¬ی خطی در پتانسیل کامل در کد فلور که در این پروژه استفاده شده است، می¬پردازیم. در این روش فضا به سه قسمت کره¬های اتمی، مناطق بین جایگاهی و منطقه ی خلا تقسیم می¬شود و در تمام مناطق از پتانسیل دقیق استفاده می شود. پس از آن به بررسی مغناطش ناهمرستا در سیستم¬های مختلف و مارپیچ اسپینی و روش محاسبات ثابت¬های برهمکنش تبادلی در مدل هایزنبرگ و طیف مگنونی در سیستم¬های مختلف می¬ئردازیم. ثابت¬های برهمکنش تبادلی و طیف برانگیختگی¬های مگنونی از ویژگی¬های بنیادی مواد مغناطیسی هستند که منبع ارزشمندی از اطلاعات مغناطیسی نظیر تشکیل نظم مغناطیسی و دمای کوری است. در فصل سوم حالت پایه ی بلورهای can و cap در ساختارهاینمک¬سنگی و بلندروی را بررسی می¬کنیم. با بررسی منحنی انرژی برحسب حجم، ویژگی¬های ساختاری این ترکیبات مورد محاسبه قرار می¬گیرد. در فصل چهارم به بررسی ثابت¬های برهمکنش تبادلی در بلور can و cap می¬پردازیم. با توجه به مقادیر بدست آمده، دمای کوری بلور can و cap در ساختار بلندروی بیشتر از دمای اتاق بدست می¬آید. برخلاف ساختار بلند روی ، دمای کوری بلور can در ساختار نمک¬سنگی پایین¬تر از دمای اتاق بدست می¬آید. طیف مگنونی برای سیستم¬های مختلف بدست آمده و مشاهده می-شود که در بلور cap نظم مغناطیسی پایدار نیست. در فصل پنجم به بررسی تک¬لایه¬های تشکیل شده از اتم¬های n وca و p در ساختار نمک¬سنگی و ابریاخته ی لایه¬ی نازک تشکیل شده از بلور can و cap و محاسبه¬ی طیف مگنونی آن¬ها می¬پردازیم.

در بخش اول از این پروژه به مطالعه و بررسی خواص ساختاری، الکترونی و مغناطیسی ترکیب y2fe14b پرداختیم. این ترکیب جزو دسته جدید از مواد مغناطیسی است که شامل عناصر خاکی کمیاب، آهن و بور (r2fe14b) می باشد. مهمترین ویژه گی این مواد مغناطیسی جدید، ناهمسانگردی قوی آن ها می باشد. این مواد مغناطیسی در خودروهای هیبریدی و الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرند و علاوه بر ذخیره انرژی باعث کاهش تولید دی اکسیدکربن وآلودگی هوا می شوند. y2fe14b بدون الکترون f و برای بررسی الکترون های نسبتا سرگردان d (در مقایسه با الکترون های f ) در مواد مغناطیسی مناسب می باشد و انتظار می رود که نسبت به تغییر ثابت های شبکه حساسیت بیشتری داشته باشد. ما به محاسبه انرژی ناهمسانگردی مغناطیسی به دو روش مختلف پرداختیم. در روش اول از محاسبات نسبیتی در حضور برهم کنش اسپین- مدار استفاده کردیم و انرژی ناهمسانگردی مغناطیسی را تعیین کردیم. در روش دوم بر هم کنش اسپین- مدار به صورت اختلالی در هامیلتونی غیرنسبیتی در نظر گرفته شد و با بکارگیری نظریه اختلال مرتبه دوم، انرژی ناهمسانگردی در زمان بسیار کمتر (نسبت به روش اول) با دقت قابل قبولی محاسبه شد. در بخش دوم پژوهش، در ابتدا پایدارترین ساختارهای نانوخوشه هشت تایی نقره را به دست آوردیم و برای درک عمیقتر از پایداری نسبی ساختارها، خواص ساختاری، الکترونی، توپولوژیکی و اپتیکی نانوخوشه نقره بررسی شدند. همچنین از تصحیح بس ذره ای gw برای توصیف دقیق اربیتال های ملکولی homo و lumo استفاده کردیم. در ادامه، جذب ملکول های سمی co، no و hcn بر روی نانوخوشه هشت تایی نقره مورد مطالعه قرار گرفت. با توجه به انرژی جذب به دست آمده برای مجموعه ملکول-نانوخوشه نقره، جذب این ملکول ها در محدوده ی جذب فیزیکی قرار می گیرند. ما با بکارگیری نظریه بدر به محاسبه انتقال بار مجموعه ملکول-نانوخوشه نقره پرداختیم که محاسبات انتقال بار الکترونی از نانوخوشه نقره به سمت ملکول های co و no را نشان می دهد، در حالی که انتقال باری در مورد ملکول hcn مشاهده نشده است. همچنین جایگاه های جذب ملکول ها بر روی نانوخوشه نقره بر روی اتم هایی که دارای توزیعی از حالت های homo و lumo باشند، رخ می دهد. همچنین طیف جذب اپتیکی مجموعه ملکول ها- نانوخوشه نقره و نانوخوشه خالص نقره را محاسبه کردیم. نتایج به دست آمده نشان می دهند که نانوخوشه نقره می تواند به عنوان کاتالیزور و حسگر اپتیکی ملکول سمی no به کار گرفته شود.

ما بر آن بودیم تا با استفاده از محاسبات ابتدا به ساکن مبتنی بر اصول اولیه­ی مکانیک کوانتومی در دو حالت اسپین-قطبیده و اسپین-ناقطبیده برا یدو سیستم آهن ونیکل آستنیت در دماهای محدود نقش دما و آثار مغناطیسی بر انرژی نقص روی هم چینی را تعیین کنیم نتایج ما نشان می­دهد: اول، با افزایش دما انرژی نقص روی هم چینی در آهن سیر افزایشی و در نیکل سیر کاهشی دارد. دوم، برهمکنش های مغناطیسی تاثیر زیادی بر مقدار انرژی نقص روی هم چینی دارد. در آهن این اثر بیشتر از نیکل است. برای محاسبه ی انرژی نقص روی هم­چینی برای یک نقص صفحه ای از مدل نزدیک ترین همسایه ی دوم استفاده شده است. همچنین برای آلیاژهای تصادفی و حالت پارامغناطیسی، تقریب پتانسیل همدوس و روش ممان های موضعی بی نظم را بکار گرفته ایم که در بسته ی نرم افزاری emto تعبیه شده است. پارامتر شبکه های بکار رفته در محاسبات از طریق برون یابی داده های تجربی حاصل از اندازه گیری xrd برای دماهای مختلف تقریب زده شده است. نتایج این محاسبات برای مرتبه های اول و دوم مدل نزدیک ترین همسایه ی دوم و دو نوع نقص صفحه ای گزارش شده است.

مغناطش مرسوم ناشی از اوربیتال نیمه پر d یا f عناصر واسطه و قلیایی خاکی شناخته شده است. بعد ازمشاهده ی مغناطش ناشی از اوربیتال p حوزه ی جدیدی در علوم مغناطیس گشوده شده است. مغناطش اوربیتال p به دو صورت است : 1- ناشی از نقایص شبکه، تهی جاها یا اتم های خارجی 2- ناشی از خود اتم های سیستم . ما در اینجا بلور can را که از نوع دوم است، مورد بررسی قرار می دهیم. رفتار فرومغناطیسی این سیستم، غالبا همراه با خاصیت نیم فلزی است و بنابراین لایه های نازک این سیستم می تواند به عنوان منبع تزریق اسپین به فلزات و نیم رساناها در قطعات اسپینترونیکی مورد استفاده قرار گیرد. در اینجا ما با استفاده از محاسبات ابتدا به ساکن، نظریه ی تابعی چگالی و تقریب gga-pbe ، خواص مغناطیسی و پیکربندی های مختلف لایه های نازک can را روی نیم رسانای سیلیکون مورد بررسی قرار دادیم. پایدارترین حالت غیرمغناطیسی موقعیت top از پایانه ی نیتروژن و پایدارترین حالت مغناطیسی موقعیت hollow در پایانه ی کلسیم به دست آمد . با روش neb به محاسبه ی سد انرژی بین این دو حالت پرداختیم و به یک کمینه ی موضعی بین این دو حالت رسیدیم که مو قعیت rs نیترید کلسیم بر روی سیلیکون می باشد. این کمینه غیرمغناطیسی است. در واقع هیچ سد انرژی فعالسازی بین این دو حالت وجود ندارد، پس لایه نشانی نیترید کلسیم بر روی سیلیکون غیر مغناطیسی شد.

در این رساله با استفاده از نرم¬افزار espresso در ابتدا خواص انبوهه¬ی بلور crse در هر دو ساختار nias و بلندروی به تفصیل مورد مطالعه قرار گرفته است. در ادامه خواص الکترونی، مغناطیسی و ناپیوستگی نواری مرز مشترک crse/znse را با ساخت ابریاخته¬های با ضخامت¬های مختلف (16، 20 و 24 لایه¬ای) استخراج کردیم. محاسبات نشان دادند که خاصیت نیم¬فلزی در مرزمشترک cr/se حفظ شده و اندازه¬ی گاف نیم¬فلزی برابر 1.9 الکترون¬ولت بدست آمد.

در این پایان¬نامه خواص مغناطیسی یک قرص ابررسانای نوع دوم حامل جریان انتقالی شعاعی ، واقع در میدان مغناطیسی متناوب عمود بر سطح آن مورد بررسی قرار گرفته است. برای این مطالعه، مدل حالت بحرانی (csm) ابزار مورد استفاده ما بوده است. مدل¬هایی که در این پایان¬نامه مورد استفاده قرار گرفته ، مدل bean ، kim و مدل نمایی بوده است.در مدل bean که چگالی جریان بحرانی مستقل از میدان موضعی فرض می¬شود مغناطش ، حلقه¬های پسماند مغناطیسی و پذیرفتاری مختلط ac مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج محاسبات ما در مدل bean نشان می¬دهند که: هنگامی که قرص نازک ابررسانای فاقد جریان انتقالی شعاعی در میدان مغناطیسی قوی عمود بر سطح آن قرار بگیرد، شار میدان مغناطیسی به همه قسمت¬های قرص نفوذ می¬کند، آنگاه با حذف میدان اعمالی و همزمان با آن تزریق جریان انتقالی شعاعی باعث خروج بخشی از گردابه¬های شار درون قرص و مقاومتی شدن ناحیه مرکزی قرص می¬شود. از سوی دیگر چنانچه به قرص حامل جریان انتقالی که هیچ گردابه¬ای در ابتدا درون آن نیست، یک میدان مغناطیسی عمود برسطحش اعمال شود، گردابه¬ها با افزایش تدریجی میدان مغناطیسی اعمالی به درون قرص نفوذ می¬کنند. گردابه¬ها تا جایی پیش می¬روند که نیروی لورنتسی با نیروی میخ¬کوبی یکی می¬شود . با افزایش بیشتر میدان مغناطیسی اعمالی گردابه¬ها به شعاعی می¬رسند که نیروی لورنتسی از نیروی میخ¬کوبی بیشتر می¬شود. این امر باعث می-شود گردابه¬ها به صورت ناگهانی به سمت مرکز قرص هجوم ببرند، پس از اتمام مرحله به اصطلاح مرحله دوم که مرحله¬ای گذراست مرکز قرص مقاومتی می¬شود. از این پس با افزایش میدان مغناطیسی اعمالی تراکم شبکه گردابه¬ها بیشتر می¬شود.علاوه بر مدل یاد شده خواص مغناطیسی یک ابررسانا با استفاده از مدل¬های kim و نمایی نیز مورد بررسی قرارگرفته است.مهمترین اختلاف مدل¬های kim و نمایی با نتایج حاصل از به کار گیری مدل bean در تعداد مراحل نفوذ شار به درون قرص است. محاسبات ما نشان می-دهند که نفوذ شار به درون قرص می¬تواند در سه مرحله و یا در یک مرحله صورت بگیرد.

نیم فلزات فرومغناطیس از موضوعات مورد توجه در علم اسپینترونیک هستند که با توجه به داشتن قطبش اسپینی 100? در سطح فرمی منابع مناسب و کارایی برای تزریق اسپین به نیم رساناها می باشند. این مواد همچنین می توانند کیفیت قطعات مبتنی بر آثار مغناطومقاومتی 1 را به میزان چشم گیری بهبود بخشند. یک دسته از این مواد ترکیبات دوتایی عناصر واسط با عناصر گروه های vو vi هستند که دمای کوری بالایی دارند یکی از این ترکیبات mnsb با دمای کوریk 585 است که تنها ترکیبات فرومغناطیس ترکیبات عنصر sb با ردیف اول عناصر واسط به شمار می رود.در این رساله ما ابتدا خواص انبوهه mnsb در ساختارهای nias را بررسی کرده به محاسبه چگالی حالات و ساختار نواری آن پرداختیم در محاسبات انبوهه دریافتیم که mnsb در ساخار nias در هر دو کانال اسپینی رفتار فلزگونه ا زخود نشان می دهد. در این محاسبات ممان مغناطیسی اتم 6/3 بدست امد پس از محاسبات ساختار nias به محاسبه خواص انبوهه mnsb در ساختار بلند روی پرداختیم. نتیجه این محاسبات نشانگر رفتار نیم فلزی mnsb در ساختار بلند روی است در این ساختار ممان مغناطیسی بدست آمده برای اتم 4 است که دلیل دیگری بر نیم فلز بودن mnsb در ساختار بلند روی است. گاف انرژی در کانال اسپینی پایین نیز 1/1 بدست آ مد. پس از اطمینان از نیم فلز بودن mnsb در ساختار بلند روی به سراغ نیم رسانای gasb رفتیم تا به محاسبه ی خواص ساختاری و الکترونی آن بپردازیم. نتیجه این محاسبات برای gasb پیش بینی رفتار نیم رسانایی است. در ادامه به بررسی مرز مشترک mnsb با gasb پرداختیم تا بتوانیم رفتار لایه های نازک آ>ها را در مرز مشترک با هم بررسی کنیم و خواص ساختاری الکترونی و مغناطیسی این مرز مشترک را بیاییم. نتایج این محاسبات نشان می دهد که mnsb در مرز مشترک به gasb همجنان خاصیت نیم فلزی خودش را حفظ می کند گاف انرژی در کانال اسپینی پایین بدست آمد که کاهشی در مقایسه با انبوهه از خود نشان می دهد. در اخر به محاسبه ناپیوستگی های نواری در هر دو کانال اسپینی پرداختیم و مقادیر را برای سدهای شاتکی نوع n و p در اتصال نیم رسانا-نیم رسانا بدست آوردیم و برای افست نوارهای ظرفیت و رسانش مقادیر ev2/0 و ev 36/0 در مرز اتصال فلز-نیم رسانا بدست امد.

توابع وانیر، نمایش موضعی حالت پایه ی یک سیستم الکترونی در فضای حقیقی هستند و از طریق تبدیل فوریه از توابع بلاخ به دست می آیند.با توجه به طبیعت جایگزیده توابع وانیر، این توابع ابزار مناسبی برای بررسی پدیده های الکترونی موضعی از قبیل مغناطش اربیتالی، قطبش الکتریکی، ترابرد الکتریکی، انتقال بار بین جایگاه های مختلف سیستم و همچنین توصیف پیوندهای شیمیایی می باشند. توابع وانیر می توانند به عنوان مجموعه پایه ی بهینه در ساختن هامیلتونی مدل و همچنین درون یابی دقیق و سریع ساختار نواری در یک مش بندی ریز به کار برده شوند. این ویژگی برای محاسبه ی کمیت هایی از قبیل ضریب سیبک، رسانندگی الکتریکی، ضریب عادی و غیرعادی هال، که به مش بندی ریز منطقه ی بریلوئن نیاز دارند، مناسب است. در این پایان نامه به بررسی ویژگی های ترموالکتریکی یکی از مواد مورد توجه در علم ترموالکتریک، agsbte2 و چگونگی انتقال بار در سیستم های پروسکایت دوگانه lncu3fe4o12 با استفاده از توابع وانیر می پردازیم. ابتدا ضریب سیبک و رسانندگی الکتریکی ترکیب agsbte2 را در چارچوب نیمه کلاسیکی بولتزمن و با استفاده از روش درون یابی توابع وانیر محاسبه می کنیم. از آن جا که تابعی های تبادلی-همبستگی رایج مانند gga، گاف نواری را کم برآورد می کنند، به بررسی مسئله ی گاف نواری با استفاده از تابع هیبریدی hse و همچنین مقایسه ی ضریب سیبک تجربی با محاسباتی می پردازیم. ضرایب سیبک محاسبه شده در مقادیر مختلف گاف نواری و غلظت حامل های بار نشان می دهد که گاف نواری ترکیب agsbte2 در حدود ?/?تا ?/??الکترون ولت است، نتیجه ای که سازگار با ساختار الکترونی به دست آمده از تابع هیبریدی hse می باشد. انتقال بار بین جایگاهی fe-cu و تقسیم نامتناسب بار بین اتم های fe پدیده ی جالبی است که در ساختارهای پروسکایت دوگانه lncu3fe4o12 مشاهده شده است. اثر اول در ساختارهای سبک و اثر دوم در ساختارهای سنگین lncu3fe4o12 اتفاق می افتد. با استفاده از توابع وانیر نشان می دهیم که شدّت شکافتگی میدان بلوری و انرژی نسبی بین حالت های fe 3d و cu 3dxy از پارامترهای مهم و تعیین کننده در انتقال بار بین جایگاهی(تقسیم نامتناسب بار) در ساختارهای سبک(سنگین) lncu3fe4o12 هستند. در سیستم های سبک lncu3fe4o12 یک تغییر حالت اسپینی، مسئول انتقال بار بین جایگاهی است. در حالت اسپینی بالا سیستم در حالت cu d8 قرار می گیرد، در حالی که در حالت اسپینی پایین اتم cu به صورت معمول cu d9 خواهد بود و یک انتقال بار از اتم fe به اربیتال cu 3dxy اتفاق می افتد.

چکیده ندارد.

خواص ساختاری، مغناطیسی و الکترونی انبوهه mnse را به دو روش شبه پتانسیل و پتانسیل کامل با استفاده از دو نرم افزار pwscf و wien2k مورد بررسی قرار دادیم. mnse دارای سه فاز ساختاری nacl ، بلندروی و هگزاگونال از نوع nias است. محاسباتمان را در دوحالت فرومغناطیس و پادفرومغناطیس انجام دادیم. مشاهدات تجربی فاز nacl با نظم پادفرومغناطیسی نوعii ؛یعنی nacl(111) را به عنوان فاز پایدار معرفی کرده است در حالی که محاسبات ما با استفاده از نرم افزار pwscf و انرژی تبادلی همبستگی gga فاز هگزاگونال را پایدار بدست آورد. محاسبات دیگری با استفاده از نرم افزار wien2k و انرژی تبادلی همبستگی های مختلف gga ، lsda و lda+u انجام دادیم. نهایتاً بهترین نتیجه را با استفاده از روش lda+u بدست آوردیم. با استفاده از فاز پایدار nacl(111) بدست آمد. همچنین محاسبه گاف انرژی با استفاده از روشهایی غیر از روش lda+u منجر به مقادیری کمتر از مقدار تجربی(2ev ) می شود در حالی که روش lda+u گاف انرژی را در حدود 2ev محاسبه می کند و این نشان می دهد روش lda+u روش مناسبی برای محاسبه پایداری و خواص الکترونی انبوهه mnse می باشد. همچنین با استفاده از نرم افزار pwscf و انرژی تبادلی همبستگی pbe-gga به بررسی خواص ساختاری نانوسیمmnse(001) با مقطع مربعی پرداختیم. در این راستا محاسبات را برای چهار قطر اول نانوسیم انجام دادیم وانرژی همدوسی سیستم را برای چهار قطر اول محاسبه کردیم. این محاسبات نشان داد در تمام قطرها فاز پادفرومغناطیس پایدار است. همچنین مدول یانگ نانوسیم ها را در دو قطر اول مورد بررسی قرار دادیم . نتایج نشان داد که دو قطراول در برابر کشش بسیار سخت تراز انبوهه هستند. همچنین از دو مدل پدیده شناختی ماکروسکوپیک (محاسبه انرژی لبه و سطح) و میکروسکوپیک (محاسبه انرژی پیوندهای آویزان) برای بررسی انرژی همدوسی استفاده کردیم. ملاحظه شد دو مدل در توصیف خواص نانوسیم mnse با هم همخوانی دارند. همچنین با استفاده از مدل میکروسکوپیک انرژی همدوسی قطر پنجم وششم نانوسیم را برون یابی کردیم.

دینامیک مولکولی روش کامپیوتری شناخته شده ای است که در دهه های اخیربرای شبیه سازی بلورها، شیشه ها و سیالات مورد استفاده قرار گرفته است . دراین روش معادلات دیفرانسیلی حرکت برای سیستمهای فیزیکی با تعداد ذرات محدود در ابعاد و فواصل اتمی حل می شوند.مسیر حرکت ، مختصات و سرعتهای ذرات در تمام مدت شبیه سازی به خوبی شناخته شده است . دراین شبیه سازی روش دینامیک مولکولی برای ذوب نمک kcl مورد استفاده قرار گرفته است . بااعمال شرایط مرزی دوره ای سیستم شبه بی نهایت ایجاد شده است . معادلات دیفرانسیلی با الگوریتم پرش قورباغه به معادلات گسسته تبدیل شده اند . نیروی برهمکنش بین یونها از نوع نیروی پاولینگ انتخاب شده است ، که این شکل نیرو شامل دو جمله است یکی جمله بلند برد یا جمله کولنی و دیگری جمله کوتاه برد. جمله کوتاه برد با بکارگیری تقریب نزدیکترین همسایه محاسبه شده است . در مورد جمله بلندبرد بر همکنش با تعداد زیادی از همسایه ها باید در نظر گرفته شود که از نظر وقت کامپیوتر این کار غیر عملی است . لذا برای غلبه براین مشکل از روش اوالد استفاده شده است . دراین روش جمله کولنی به دو سری همگرا یکی در فضای حقیقی و دیگری در فضای وارون تقسیم می شود . باانتخاب مناسبی از پارامتر همگرایی جمله کولنی به جملات کوتاه برد تبدیل می شود و می توان از تقریبهای مشترک برای دو جمله کوتاه برد و کولنی در شکل نیروی پاولینگ استفاده کرد . پس ازتهیه برنامه مناسب صحت آن را با محاسبه ثابت مادلونگ برای ساختمان مکعبی ساده مورد آزمایش قرار دادیم . شبیه سازی برای سیستم 64 ذره ای در حجم ثابت nm3 46ˆ2 انجام شده است . نقطه ذوب بدست آمده دراین شبیه سازی در حدود k 1300 می باشد که با مقدار تجربی قابل مقایسه است . همچنین در مقایسه با سیستم 64 ذره ای ریز بلور انرژی سیستم و گرمای نهان ذوب به مقدار فیزیکی آن نزدیکتر شده است .

در ترکیبات ‏‎rin3‎‏ و ‏‎rsn3‎‏ خاک نادر ‏‎r‎‏ سه ظرفیتی است، بجز ‏‎eu‎‏ و ‏‎yb‎‏ ، که دو ظرفیتی اند . این امر به طور تجربی در سال 1977 به وسیله اندازه گیریهای همبستگی زاویه ای مختل شده در یک ناخالصی‏‎cd111‎‏ تعیین شده است . در آن زمان ، داده ها با استفاده از مدل بار نقطه ای تعبیر شده اند ، که اکنون غیرفیزیکی و غیرقابل اعتماد به شمار می آیند. این تعیین ظرفیت را بالقوه سوال برانگیز می کند . ما این داده ها را بازنگری کرده و آنها را با استفاده از محاسبات ابتدا به ساکن گرادیان میدان الکتریکی با جزئیات مورد بررسی و تحلیل قرار داده است. از این محاسبات یک ساز و کار فیزیکی که پاسخگوی تاثیر ظرفیت بر گرادیان میدان الکتریکی است به دست آورده شده است.یک طرح قابل اجرای کلی برای تعبیر گرادیانهای میدان الکتریکی استفاده شده است، که در یک روش شفاف اندازه گرادیان میدان الکتریکی را به خواص شیمیایی دستگاه مربوط می کند.

یکی از راههای مطالعه خواص دستگاههای بس ذره ای حل معادله شرودینگر مربوط به آن دستگاه است. حل این معادله در حالت کلی برای دستگاه های بس ذره ای غیر ممکن است و برای حل آن ناچاریم این معادله را به نوعی به معادلات تک ذره ای تبدیل کنیم. برای رسیدن به معادلات تک ذره نظریه هایی از جمله نظریه هارتری، هارتری - فوک و نظریه تابعی چگالی وجود دارد. ما برای رسیدن به معادلات تک ذره از نظریه تابعی چگالی که در مقایسه با نظریات دیگر حجم محاسبات کمتری نیاز دارد استفاده کردیم. معادلات تک ذره ای که از این طریق بدست می آیند به معادلات تک ذره ای کوهن - شم معروفند. ما برای حل این معادلات از تقریب شبه پتانسیل - موج تخت استفاده کردیم. تقریب شبه پتانسیل این اجازه را به ما می دهد که پتانسیل قوی یون - الکترون که باعث ازدیاد حجم محاسبات می شود را با یک پتانسیل ضعیفتر جایگزین کنیم و از این طریق حجم محاسبات را کاهش دهیم.ما در کار حاضر خواص ساختاری و الکترونی بلور ‏‎mgs‎‏ را به حل معادلات کوهن - شم مورد بررسی قرار دادیم. ما در بررسی خواص ساختاری بلور ‏‎mgs‎‏ کمیتهایی از جمله حجم تعادلی، پارامتر تعادلی شبکه، مدول کپه ای، مشتق مدول کپه ای و فشار تغییر ساختار بین ساختارهای مختلف را محاسبه کردیم. همچنین به منظور بررسی خواص الکترونی این بلور، گاف انرژی مربوط به ساختارهای مختلف را محاسبه نمودیم. بلور ‏‎mgs‎‏ در صفر مطلق که ما محاسباتمان را در این شرایط انجام دادیم در فاز بلند روی است و با اعمال فشار نسبتا کمی به فاز سنگ نمک منتقل می شود. بلور در هر دو فاز یاد شده خاصیت نیمرسانایی دارد اما با اعمال فشار نسبتا بالا به فاز سزیوم کلراید منتقل می شود که در این فاز خاصیت فلز شدگی از خود بروز می دهد.