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.

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 این پایان نامه روش مونت کارلوی کوانتومی (qmc) برای به دست آوردن خواص ساختاری و الکترونی بلور دوبعدی گرافین به کار برده شد و هدف از آن به دست آوردن دقت و نتایج بهتر نسبت به دیگر روش های ساختار الکترونی مثل نظریه ی تابعی چگالی (dft) بود. محاسبات این روش به طور قابل قبول با اندازه ی سیستم افزایش پیدا می کنند و رفتار بسیار دقیقی از همبستگی الکترون ها در اختیار می گذارند. این شیوه راه کاری ایده آل برای بررسی همبستگی ها در مولکول های بزرگ و سیستم های ماده چگال ارائه می دهد. در این جا روش dft با استفاده از نرم افزار محاسباتی pwscf و روش qmc توسط کد casino برای یک لایه گرافین به کار برده شد. همین طور اهمیت انتخاب تابع موج آزمون در این محاسبات برجسته شده است و روش هایی برای بهینه کردن این توابع موج بر اساس کمینه کردن واریانس انرژی موضعی آورده شده است، به این ترتیب که ما با استفاده از روش مونت کارلوی وردشی (vmc) توابع موج حاصل از کد pwscf را به توابع موج بهتری تبدیل کردیم. برای این کار به توابع موج حاصل از کد pwscf ضریب جسترو را اضافه کردیم. روش مونت کارلوی پخشی (dmc) یکی از دقیق ترین روش های qmc است زیرا با بهتر کردن توابع موج می توان خطا را در این روش کاهش داد. همچنین با محاسبات vmc توانستیم همبستگی الکترون- الکترون را به دست آوریم. در پایان نتایج روش های dft ، vmc و dmc با هم مقایسه شدند و همچنین انرژی همدوسی گرافین در تقریب های lda و gga و روش dmc محاسبه و با مقدار تجربی مقایسه شده است.

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 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.‏

از زمان کشف نانولوله های کربنی تا کنون، چنین ساختارهایی توجه بسیاری از محققان را هم در زمینه ی تجربی و هم نظری به خود جلب کرده اند. بر پایه ی این حقیقت که نانولوله های کربنی فلزی رساناهای کوانتومی خوبی هم به دلیل بار الکتریکی و هم اسپین آن-ها هستند، انتظار می رود که این نانولوله ها کاندیدای ایده آلی به منظور کاربرد در دستگاه های اسپینترونیک باشند. نظر به اینکه اخیراً توجه زیادی به نانولوله های کربنی پوشیده با اتم کلسیم به منظور کاربرد در بیوتکنولوژی و نانوتکنولوژی شده است، همچنین به دلیل خاصیت نیم-فلزی فرومغناطیسی مشاهده شده در ترکیب یونی cac، در این پایان نامه به مطالعه کوانتومی خواص ساختاری، الکترونی و مغناطیسی نانولوله های کربنی تک دیواره ی فلزی (9،0)، (5،5) و (5،0) آلاییده با اتم کلسیم پرداخته شده است. محاسبات مبتنی بر نظریه ی تابعی چگالی و تقریب چگالی اسپینی موضعی بوده و با استفاده از بسته ی محاسباتی quantum espresso (کد pwscf) انجام شده است. چهار جایگاه برای اتم کلسیم در نانولوله های انتخابی منظور شده است که عبارتند از: یک اتم کلسیم در مرکز یاخته ی واحد، درون و نزدیک یکی از اتم های کربن، روی دیواره و جانشین یکی از اتم های کربن نانولوله. اتم کلسیم درون و نزدیک یکی از اتم های کربن نانولوله ی (9،0)، منجر به بروز مغناطش خودبخودی µb 45/0 شده است. محاسبات انرژی بستگی و انرژی مغناطیسی، پایداری این سیستم را نسبت به دیگر سیستم های بررسی شده در نانولوله ی (9،0) نشان می دهد. مسئول اصلی مغناطش در این سیستم، قطبش اسپینی اوربیتال 4s اتم کلسیم است. در نانولوله ی (5،5)، اتم کلسیم در مرکز یاخته ی واحد آن منجر به بروز مغناطش µb 6/0 در نانولوله شده است که این مغناطش ناشی از قطبش اسپینی اوربیتال 3d کلسیم می باشد. نانولوله ی (5،0) آلاییده با اتم کلسیم روی دیواره ی آن، پایدارترین سیستم از نظر انرژی بستگی به دست آمده است. فقدان اتم های فلز واسطه در نانولوله های آلاییده ی مطالعه شده در این پایان نامه، چنین ترکیباتی را مدل هایی با اهمیت به منظور مطالعه ی اصول خاصیت فرومغناطیسی سیستم های الکترونی شامل اوربیتال های 3d، می سازد. کلمات کلیدی: 1) مطالعه ابتدا به ساکن 2) نظریه ی تابعی چگالی 3) اسپینترونیک 4) نانولوله ی کربنی 5) آلایش با کلسیم و 6) خواص مغناطیسی

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.

در کار حاضر اثر آلیاژ شدگی با یک و دو پالادیوم را بر روی خواص الکترونی و طیف جذب نانوخوشههای کوچک نقره بررسی می کنیم. با توجه به ماهیت پدیده جذب، که یک پدیده کوانتومی وابسته به زمان است، از نظریه تابعی چگالی وابسته به زمان برای انجام محاسبات استفاده شده است. این محاسبات را با کد اختاپوس انجام داده ایم. این بسته محاسباتی در چارچوب نظریه تابعی چگالی وابسته به زمان تولید شده است و از روش شبه پتانسیل و بسط تابع موج وکمیتهای مرتبط در فضای حقیقی برای انجام محاسبات استفاده می کند. لازم به ذکر است که از آنجایی که نرم افزار اختاپوس برای بهینه سازی هندسه ساختارها با مشکل جدی مواجه است، محاسبات واهلش ساختاری، با نرم افزار کوانتوم اسپرسو انجام شده است. نتایج به دست آمده برای طیف جذب، توافق خوبی با نتایج تجربی موجود دارند. ما در طیف جذب نانوخوشه ششتایی نقره، که بزرگترین نانوخوشه صفحه ای نقره است، یک پیک بسیار قوی مشاهده کردیم و آن را به تقارن بالای این ساختار نسبت دادیم. در مورد نانو خوشه ششتایی نقره دریافتیم که طیف جذب تجربی با جمع نمودارهای طیف جذب پایدارترین ساختار و اولین ایزومر قابل مقایسه است و لذا نتیجه میگیریم که در نمونه تجربی این نانوخوشه، پایدارترین ساختار و ایزومر اول همزیست هستند. همچنین نتایج نشان می دهدکه آلیاژ شدن با پالادیوم، باعث افزایش تعداد پیکها و همچنین پهن شدن بعضی از آنها می شود. به همین ترتیب، مشاهده شد که اربیتال d اتم پالادیوم، همانند یک حائل، باعث می شود که الکترون های اربیتال s اتم نقره گذارهای کمرنگتری را به حالت های رسانش داشته باشند که همین امر باعث ضعیف شدن پیک های کم انرژی می شود.

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.

چکیده: در چند دهه ی گذشته مطالعه ی مولکول های دو اتمی واسطه در سطح نظری و تجربی مورد اهمیت قرار گرفته است. شاید مهمترین انگیزه ی چنین مطالعاتی پاسخ به این سوال است که کوچک ترین اندازه ی ذره برای ذخیره سازی اطلاعات چقدر است؟ کم هزینه ترین روش محاسباتی خوشه ها و سیستم های بزرگ نظریه ی تابعی چگالی است. تاکنون مطالعات زیادی با استفاده از نظریه ی تابعی چگالی بر روی این طیف از عناصر انجام شده است. اما کمتر در مورد دقت انجام این محاسبات بحث شده است. نقطه ی شروع این مطالعات مولکول های دو اتمی است. مطالعات نشان می دهد نظریه ی تابعی چگالی حالت پایه ی الکترونی را به جای این که به صورت ‎4s^2 3d^n ‎ نشان دهد به شکل ‎ 4s^2 3d^(n+1)پیش بینی می کند و این بزرگترین نقص نظریه ی تابعی چگالی در مورد این گروه از عناصر است. در این میان نتایج موجود در مورد دو تایی کبالت با ابهامات بیشتری همراه است. به همین خاطر مطالعات خود را بر روی این دو اتمی و نزدیک ترین همسایه هایش آهن و نیکل انجام دادیم. محاسبات با استفاده از بسته ی محاسباتی gaussian ‎ و تابع موج ‎ aug-cc-pvdz ‎ بر روی حالات مختلف اسپینی انجام گرفت. به منظور مطالعه ی آثار همبستگی، با ثابت در نظرگرفتن سهم تبادلی، و همبستگی های مختلف خواص حالت پایه را حساب کردیم. سپس به مطالعه ی گاف انرژی، توزیع بار الکتریکی و نحوه ی پرشدگی اربیتال ها با استفاده از تحلیل ‎ nbo ‎ پرداختیم. تابعی های مختلف نتایج متفاوتی را پبش بینی می کند. از آن جایی که پر شدگی اربیتال های مختلف متفاوت است، نتایج متفاوتی به دست خواهیم آورد که نشان می دهد در عناصر واسطه آثار همبستگی تاثیر زیادی بر روی انرژی حالت پایه می گذارد. به همین خاطر استفاده از یک روش دقیق تر برای انجام چنین مطالعاتی لازم است. در حال حاضر مونت کارلوی پخشی دقیق ترین ابزار محاسباتی موجود است. در این نوع محاسبات از تابع موج برای رسیدن به انرژی حالت پایه استفاده می کنیم. تابع موج از دو بخش دترمینانی و جسترو تشکیل شده است. پارامتر های موثر در تعیین انرژی به تابع موج وابسته می شود. در هر مرحله سعی می کنیم بااستفاده از وردش پارامتر ها را به گونه ای تغییر دهیم که انرژی نسبت به حالت قبل منفی تر شود. محاسبات با روش های آماری انجام می شود بنابراین نتایج با مقداری خطا همراه است. سعی کردیم منابع خطا را به حداقل برسانیم. مهمترین منابع خطا دترمینان های اسلیتر، گام زمانی و بخش جستروی تابع موج است. پس از آن که تابع موج مناسب را پیدا کردیم محاسبات مونت کارلوی پخشی را با استفاده از بسته ی محاسباتی ‎ casino ‎ در دو گام زمانی مختلف تکرار کرده و با روش برون یابی انرژی حالت پایه در زمان صفر را به دست می آوریم. در نهایت با داشتن انرژی در چندین نقطه، سطح پتانسیل را با استفاده از تابع پتانسیل مورس-ریدبرگ برازش می دهیم و خواص حالت پایه را به دست می آوریم. محاسبات نشان می دهد طول پیوند بهینه برای دو اتمی کبالت‎1/35a^0‎است. نتایج را برای سایر حالت های اسپینی تکرار می کنیم. متاسفانه نتایج برای دو اتمی نیکل بر خلاف سطح انتظار ما است و اندکی با تجربه اختلاف دارد. به همین خاطر محاسبات را با بهترین روش های شیمی محاسباتی که از نظر دقت قابل رقابت با مونت کارلوی کوانتومی است مقایسه می کنیم. نتایج به دست آمده نتایج مونت کارلو را تایید می کند. در آخرین مرحله با استفاده از هامیلتونی هایزنبرگ برهمکنش تبادلی از حالت فرمغناطیس به حالت آنتی فرومغناطیس را مطالعه کردیم. نتایج نشان می دهد سهم این برهمکنش با افزایش فاصله به صورت نمایی کاهش می یابد. کلمات کلیدی‎ نظریه ی تابعی چگالی، مونت کارلوی پخشی،دو اتمی واسطه، مدل هایزنبرگ، تابع موج،وردش

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.

بروزخواص غیرمعمول اکسیدهای پایروکلردردماهای پایین به دلیل ساختار ناکام هندسی مغناطیسی آنھا، باعث شد این مواد موردتوجه قراربگیرند. er2ti2o7 از اکسید های پایروکلر مغناطیسی با گروه فضایی fd m می باشد. ممان های ایربیوم در صفحه های عمود بر محور های موضعی <111> قرار می گیرند و با مدل xy توصیف می شود. در این پروژه محاسبات ابتدا به ساکن، بلور er2ti2o7 در تقریب lda،lda+u و lda+u+soc به وسیله ی کد fleur با استفاده از روش fp-lapw محاسبه شد. در تقریب lda، تیتانایت ایربیوم فلز پیش بینی می شود، در حالی که این ماده عایق می باشد. پس به سراغ تقریب lda+u می رویم و با اعمال u آثار همبستگی اوربیتال های به شدت جایگزیده یf4 را تصحیح می کنیم. از آنالیز چگالی کلی حالت ها، انرژی گاف را برابر با 99/2 الکترون ولت بدست می آوریم. همچنین نتایج محاسبات، منشا مغناطش سیستم را بر هم-کنش های کولنی و اصل طرد پائولی بین الکترون های موجود در اوربیتال های f 4 و برابر مقدار های 8/8 مگنتون بوهر در تقریب lda+u+soc هم راستا با نظم های فرو و پاد فرو مغناطیس و 2/8 مگنتون بوهر در محاسبات ناهم راستا با نظم all-inنشان می دهد. در واقع بر هم کنش قوی اسپین-مدار در er2ti2o7 موجب نا هم راستا شدن مغناطش می شود.اما تعداد زیادی از حالت-های f، در کمینه های موضعی به دام می افتند و نمی توانند حالت پایه ی الکترونیکی صحیح خود راپیدا کنند و منجر به پیش بینی نادرست مغناطش و سخت همگرا شدن و حتی همگرا نشدن محاسبات برای پیکربندی های دیگری مانند حالت پایه ی حاصل از نتایج تجربی و نظری تیتانایت ایربیوم و 3in-1out می شوند. همچنین آنالیز چگالی حالات جزیی یون های ایربیوم، تیتانیوم و اکسیژن در بلور، نشان می دهند که اوربیتال-های f 4 یون ایربیوم با اوربیتال هایp2 اکسیژن به صورت ضعیف هیبرید می شوند و بنابراین این اوربیتال ها همچنان به شدت جایگزیده باقی می مانند.

مطالعات اخیر نشان می دهد که عملکرد پروتئین ها ارتباط مستقیمی با نحوه ی تا شدن آن ها دارد و بسیاری از بیماری ها ناشی از نادرست تا شدن پروتئین ها است. به همین دلیل اخیراً در جامعه ی محاسباتی ابتدا به ساکن، بررسی نحوه ی تا شدن پروتئین ها مورد علاقه زیادی قرار گرفته است. هدف پروژه ی حاضر بررسی اثر یون های فلزی بر نحوه ی تا شدن و خواص اپتیکی پروتئین ها است. برای این کار ابتدا با استفاده از میدان های نیروی کلاسیکی کمینه های مهم تر سطح انرژی پتانسیل سیستم را تعیین کردیم و سپس با استفاده از محاسبات کوانتومی در چارچوب نظریه تابعی چگالی و رهیافت پتانسیل کامل به بررسی دقیق تر این کمینه ها پرداختیم. در ادامه با استفاده از نظریه ی تابعی چگالی وابسته به زمان و بهره گیری از تکنیک شبه پتانسیل به بررسی طیف جذب اپتیکی تعدادی از ساختار های کمینه ی سطح انرژی پتانسیل پرداختیم. در انتها نیز با گذاشتن یک یون +na در کنار سیستم قبلی و حذف کلاهک های آن، مسیر قبلی را تکرار نموده و کمینه های سطح انرژی پتانسیل جدید و همچنین طیف جذب آن ها را بررسی نموده ایم. در نهایت مشاهده شد که +na با اشباع پیوندهای هیدروژنی و مقید کردن الکترون های سیستم، باعث کاهش شدت جذب می شود؛ همچنین ساختار بدست آمده، بخاطر کم بودن تعداد آمینواسیدهایش، در کنار یون سدیم، دارای ساختاری حلقوی با محوریت سدیم است.