مواد نو، ویژگی های نو و کاربردهای نو: تحقیقی بر پایه نظریه تابعی چگالی

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.