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.‎‎ ‎‎‎

در این پایان نامه، نانوذرات اکسید روی آلاییده به غلظت های مختلف کبالت، به یک روش ساده و سریع ساخته شدند. این روش مبتنی بر تجزیه ی حرارتی استات های کبالت و روی در حضور اسید سیتریک است. نمونه های ساخته شده به این روش به وسیله ی طیف پراش اشعه ی ایکس، طیف سنجی مادون قرمز، طیف سنجی فوتولومینسانس، طیف سنجی جذب نوری در ناحیه ی فرابنفش-مرئی و ?مغناطیس سنج اسکویید ?(??squid??) مشخصه یا بی شدند. در درصدهای آلایش کمتر از ?? درصد، تغییرات ساختاری، ناچیز و کاهش مقدار گاف ممنوعه، محسوس می باشد. اندازه ی متوسط دانه ها بر اساس آنالیز های حاصل از طیف پراش اشعه ی ایکس، حدود ?? نانومتر تخمین زده شد. نقایصی از قبیل روی بین جایگاهی، تهی جای روی و بازترکیب اِکسیتونی به وسیله طیف فوتولومینسانس، مشخص شد. رفتار پارامغناطیسی برای همه ی نمونه ها به وسیله ی اندازه گیری مغناطش ، گزارش داده شد. به منظور مطالعه ی مغناطش این سیستم، نظریه ی تابعی چگالی به کار گرفته شد. این نظریه به علت خطای خودبرهمکنش قادر به پیش بینی درست گاف ممنوعه ی نیمرساناها نمی باشد. بنابراین برای پیش بینی درست گاف ممنوعه و خواص مربوط به آن از تقریب بس ذره ای gw و تقریب asic استفاده شد. چگالی حالت های شبه ذره با استفاده از تک شلیک gw موسوم به g0w0 و gw خودسازگار (scgw) با نقاط شروع مختلف کوهن-شم و تابعی هیبریدی hse06 مطالعه شد. میدان بلوری ورتسایت، حالت های اسپین پایین 3d کبالت را به حالت های e و t_2 می شکند که موقعیت دقیق آن ها مخصوصاً با تقریب های lda و gga دقیقاً مشخص نیست. با توجه به وجود سناریوی جدید تقریب بس ذره ای gw و اعتبار آن در پیشگویی گاف ممنوعه و انرژی بستگی d نیمرساناهای با گاف عریض مثل zno،zns و lif،ما نیز با استفاده از این تقریب موقعیت تراز t_2 را با نقاط شروع مختلف، ?/? تا ?/? الکترون ولت بالای کمینه ی نوار رسانش پیش بینی کرده ایم. این بدین معنی است که پیش بینی حضور فاز فرومغناطیسی در اکسیدروی آلاییده به کبالت بدون نقص، حتی در آلایش های نوع n به اندازه ی کافی زیاد، امکان پذیر نمی باشد. سپس، به منظور درک بهتر از نقش ساختار نقص های گسترده در پایداری بلندبرد نظم مغناطیسی، ساختار الکترونی مرزدانه ی sigma 7 دراکسید روی آلاییده به کبالت، مورد مطالعه قرار گرفته است. همبستگی بین وجود مرزدانه و نظم فرومغناطیسی به کمک محاسبات ساختار الکترونی ابتدا به ساکن بررسی شد. تعیین اختلاف کمّی و کیفی بین ساختار الکترونی حالت توده ی ماده شامل آلاینده ی کبالت و ماده ی شامل مرزدانه و آلاینده ی کبالت کلید فهم و درک این پدیده است. به این منظور، رهیافت نظریه ی تابعی چگالی و تقریب asic گنجانده شده در بسته ی محاسباتی siesta را به کار بسته ایم. در فصل پایانی، محاسبات پتانسیل کامل، جهت مطالعه ی گذار حلقه-قفس در خوشه های کوچک اکسید روی zno)n) و اثر آن بر خواص الکترونی و ترمودینامیک ارتعاشی سیستم انجام شد. منشأ این گذار ساختاری، که در n=9 اتفاق می افتد، با مطالعه ی زاویه ی پیوندی zn-o-zn،قدرت پیوند zn-o و تعداد پیوندها بررسی می شود. اندازه ی ??، کوچکترین عدد جادویی خوشه های اکسید روی در حالت پایه است در حالی که برانگیختگی های ارتعاشی، پایداری نسبی خوشه ی zno9 را افزایش می دهد و آن را به عدد جادویی در دماهای بیشتر از حدود ??? درجه ی کلوین تبدیل می کند. ساختار الکترونی به دست آمده، قبل و بعد از به کار گرفتن تصحیح بس ذره ای gw،یک انتقال قرمز ناشی از گذار ساختاری حلقه-قفس را در سیستم نشان می دهد. رفتار نقاط اکسترمم چگالی الکترون خوشه ها و برون یابی به سمت خوشه های بزرگتر می تواند به پیش بینی یک فاز شبه پایدار در کنار ساختار توده ای اکسید روی شود.

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.