بررسی خواص الکترونی ساختارها به کمک DFT
میزان رسانایی الکترونی در مواد جامد بسیار متنوع است. بر اساس میزان مقاومت مواد در عبور جریان الکتریکی، مواد مختلف را میتوان به دستههای مختلف رسانا، نیمه رسانا و عایق دستهبندی کرد.
ساختار نواری یعنی ترازهایی از انرژی که الکترون میتواند در آنها حضور داشته باشد و با حضور نداشته باشد.
به مناطقی که الکترون نمیتواند حضور داشته باشد منطقه ی ممنوعه، گاف نواری یا Band Gap می گویند. با محاسبه ی ساختار نواری و گاف نواری مواد می توان به فلز (Metal)، شبه فلز (Semimetal)، نیمه رسانا (Semiconductor) و یا نارسانا (Insulator) بودن مواد پی برد. حتی با محاسبات اسپینی می توان به ساختار هایی که نیمه فلز (Half-metal) هستند نیز پی برد.
امروزه تئوری تابعی چگالی (DFT) به یکی از رایجترین روش های بررسی خواص الکتریکی نانوساختار ها و ساختار های بلوری تبدیل شده است و توسعه ی روش ها و تقریب های محاسباتی منجر به افزایش دقت این محاسبه ها شده است. برخی از اطلاعاتی را که می توان از این رهیافت استخراج کرد در زیر مشاهده می کنید:
در حال حاضر پروژه های بسیاری در قالب پایانامه های دکتری و ارشد برای داشنجویان تحصیلات تکمیلی رشته های فیزیک، شیمی، برق و مهندسی مواد جهت بررسی خواص الکتریکی مواد بلوری و نانوساختار های تعریف شده و به یکی از زمینه های بسیار محبوب در میان اساتید و دانشجویان این رشته در آمده که منجر به هجوم محققین به این علم نوین گردیده است.
به دلیل وسعت بسیار زیاد این حوزه، انتشار مقاله در ژورنال های بسیار معتبر به سادگی امکانپذیر است. نرم افزارهای مختلفی می توانند این پارامترها را محاسبه کنند که از پرکاربردترین آنها Quantum ESPRESSO و Siesta می باشند.
نمونه مقالاتی که در این حوزه منتشر شده اند:
دوره مقدماتی نرم افزار محاسباتی لمپس - LAMMPS
دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
تاریخ: 30 اردیبهشت 1395
مطالعه ی سطح خارجی ساختارها، راستاهای بلوری و آلیاژها به کمک DFT
مهندسی سطح شامل کاربرد تکنولوژیهای سنتی یا نوین عملیات حرارتی یا دیگر عملیات سطحی نظیر انواع روشهای پوششدهی بر روی مواد و قطعات حساس مهندسی به منظور دستیابی به بک ماده مرکب با خواصی است که در هیچ یک از مواد تشکیل دهنده مغز یا سطح قطعه به تنهایی وجود ندارد. سطح قطعات صنعتی، مهمترین بخش آن است، زیرا بسیاری از شکستها، از سطح شروع میشود. لذا، حفاظت و مقاومسازی سطح از مسائل بسیار حساس و تعیینکننده کیفیت و عمر قطعات و در نهایت، کارآیی یک واحد تولیدی و بهای تمام شده محصول میباشد. به کمک تئوری تابعی چگالی می توان راستاهای بلوری مختلف را به کمک اندیس های میلر پیدا کرده و خواص و ویژگی های مختلف آنها را مطالعه کرد. همچنین می توان با محاسبه ی انرژی هر سطح پایدار ترین صفحه ی بلوری ای که ممکن است در واقعیت ماده در آن صفحه ی بلوری شکل بگیرد را نیز پیشبینی کرد.
آلیاژ یا همجوشه مخلوط یا محلول جامد فلزی متشکل از یک فلز اصلی که آن را فلز پایه میگویند با یک یا چند عنصر فلزی یا غیرفلزی است. آلیاژ معمولاً خواصی متفاوت از عناصر تشکیل دهنده خود دارد. بسته به میزان همگنی در اختلاط عناصر، همجوشه میتواند تک فاز یا چند فازی باشد.
در تئوری تابعی چگالی (DFT) امکان بررسی خواص مختلف سطحی ساختارها و آلیاژها فراهم می باشد که در زیر بصورت تیتروار قید شده است:
در این حوزه ی محاسباتی، می توان پروژه های کارشناسی ارشد و دکتری بسیاری را در رشته های شیمی، فیزیک، مکانیک و مهندسی مواد تعریف کرد. در نرم افزارهای محاسباتی ای مانند Quantum ESPRESSO امکان محاسبه ی دقیق این پارامترها وجود داشته و نرم افزارهای جانبی دیگری نیز برای آنالیز های بیشتر و بدست آوردن نتایجی دقیق تر به منظور انتشار مقالات علمی در ژورنال های معتبر فراهم است.
نمونه مقالاتی که در این حوزه منتشر شده اند:
بررسی خواص ترمودینامیکی
ترمودینامیک متغیرهای ماکروسکوپیک (همانند دما، انرژی داخلی، آنتروپی و فشار) را برای توصیف حالت مواد تعریف و چگونگی ارتباط آنها و قوانین حاکم بر آنها را بیان مینماید. ترمودینامیک رفتار میانگینی از تعداد زیادی از ذرات میکروسکوپیک را بیان میکند. قوانین حاکم بر ترمودینامیک را از طریق مکانیک آماری نیز میتوان بدست آورد. ترمودینامیک موضوع بخش گستردهای از علم و مهندسی است - همانند: موتور، گذار فاز، واکنشهای شیمیایی، پدیدههای انتقال و حتی سیاه چالهها. محاسبات ترمودینامیکی برای زمینههای فیزیک، شیمی، مهندسی نفت، مهندسی شیمی، مهندسی هوافضا، مهندسی مکانیک، زیستشناسی یاخته، مهندسی پزشکی، دانش مواد و حتی اقتصاد لازم است.
امروزه با ادغام روش های اختلالی در تئوری تابعی چگالی (DFT) امکان بررسی خواص ترمودینامیکی ساختارها فراهم شده است که در زیر مورد بررسی در این زمینه ی علمی تیتروار قید شده است:
در این حوزه ی محاسباتی، می توان پروژه های کارشناسی ارشد و دکتری بسیاری را در رشته های شیمی، فیزیک، مکانیک و مهندسی مواد تعریف کرد و با توجه به نزدیک به واقعیت بودن نتایج این محاسبات، امکان ادغام این پروژه با پروژه های تجربی و ارائه ی مشاوره به محققین تجربی وجود دارد. در نرم افزارهای محاسباتی ای مانند Quantum ESPRESSO امکان محاسبه ی دقیق این پارامترها وجود داشته و نرم افزارهای جانبی دیگری نیز برای آنالیز های بیشتر و بدست آوردن نتایجی دقیق تر به منظور انتشار مقالات علمی در ژورنال های معتبر فراهم است.
نمونه مقالاتی که در این حوزه منتشر شده اند:
Kim, Ki Chul, Tianyuan Liu, Seung Woo Lee, and Seung Soon Jang. "First-principles density functional theory modeling of Li binding: thermodynamics and redox properties of quinone derivatives for lithium-ion batteries." Journal of the American Chemical Society 138, no. 7 (2016): 2374-2382.
Park, Jong Hoo, Tianyuan Liu, Ki Chul Kim, Seung Woo Lee, and Seung Soon Jang. "Systematic Molecular Design of Ketone Derivatives of Aromatic Molecules for Lithium‐Ion Batteries: First‐Principles DFT Modeling." ChemSusChem 10, no. 7 (2017): 1584-1591.
Tian, Yaosen, Tan Shi, William D. Richards, Juchuan Li, Jae Chul Kim, Shou-Hang Bo, and Gerbrand Ceder. "Compatibility issues between electrodes and electrolytes in solid-state batteries." Energy & Environmental Science 10, no. 5 (2017): 1150-1166.
بررسی جذب فیزیک و شیمیایی به کمک DFT
مواد در ابعاد نانو به دلیل افزایش سطح تماس، قدرت جذب بیشتری می یابند. دو کاربرد عمده ی جاذب ها در ابعاد نانو، استفاده جهت جذب مواد آلاینده مانند، آلاینده های زیست محیطی، مواد سمی و خطرناک و دیگری جذب مواد مورد نیاز جهت ذخیره سازی آنها مانند هیدورژن به عنوان جایگزین سوخت های فسیلی می باشد. حذف آلاینده های زیست محیطی از اهمیت زیادی برخوردار است. در گذشته برای حذف آلاینده ها از روش های وقت گیر و گرانقیمت استفاده می شد. در صنعت به کمک مقدار کمی از نانو جاذب ها می توان حجم قابل توجهی از آلاینده ها را به دام انداخت. دیگر موضوع ذخیره سازی هیدروژن به عناون یه منبع سوختی است. تکنولوژیهای ذخیرهسازی هیدروژن را میتوان به ذخیرهسازی فیزیکی، که درآن مولکولهای هیدروژن ذخیره میشوند (شامل ذخیرهسازی هیدروژن خالص از طریق کمپرس (فشار) ومیعان (آبگونگی))، و ذخیرهسازی شیمیایی که درآن هیدریدها ذخیره میشوند، تقسیم کرد.
امروزه تئوری تابعی چگالی (DFT) یکی از ابزارهای پرقدرت جهت مطالعه و طراحی بهترین جاذب ها جهت کاربردهای یاد شده می باشد که در زیر نمونه هایی از بحث های مورد بررسی در این زمینه ی علمی تیتروار عنوان شده است:
در این حوزه ی محاسباتی، می توان پروژه های کارشناسی ارشد و دکتری بسیاری را در رشته های شیمی، فیزیک و مهندسی مواد تعریف کرد و با توجه به نزدیک به واقعیت بودن نتایج این محاسبات، امکان ادغام این پروژه با پروژه های تجربی و ارائه ی مشاوره به محققین تجربی وجود دارد. به خصوص به تازگی با افزایش دقت محاسبات DFT در حوزه مطالعه ی جذب با استفاده از تقریب vdW (برهمکنش وندوالس) در نرم افزارهای محاسباتی ای مانند Quantum ESPRESSO و Siesta نتایج بدست آمده دقت بسیار زیادی یافته و انتشار مقالات علمی در ژورنال های معتبر به سادگی امکان پذیر است.
نمونه مقالاتی که در این حوزه منتشر شده اند:
مطالعه ی باتری های لیتیوم/سدیم/منگنز و ... یون به کمک DFT
باتری لیتیومی جزو اولین باتریهای مورد استفاده در گوشیهای هوشمند بودهاند.
این باتریها از یک الکترود مثبت (اکسید کبالت لیتیوم، فسفات آهن لیتیوم یا اکسید منگنز لیتیوم)، الکترود منفی (معمولا گرافیت) و یک الکترولیت (کربنات اتیلن، کربنات دی اتیل) استفاده می کنند. الکترولیت در یک حلال آلی بین الکترودها ذخیره می شود. کل باتری توسط یک قاب فلزی به محکمی پیچیده می شوند.
در تئوری تابعی چگالی (DFT) امکان بررسی خواص مختلف مواد مورد استفاده در باتری های لیتیوم/سدیم یون فراهم می باشد. می توان به کمک DFT نحوه ی جذب اتم های لیتیوم بر روی آند و یا کاتد را بررسی کرد. همچنین می توان ظرفیت باتری و ولتاژ مدار باز آن را در طی مراحل جذب لیتیوم بررسی نمود و تغییرات آن را مشاهده کرد. یکی از ویژگی های جالب توجه در مورد باتری های لیتیوم-یون، نفوذ پذیری یون لیتیوم بر روی سطح ماده ی آندی و یا کاتدی می باشد. این نفوذ پذیری به کمک روش محاسباتی Nudged Elastic Band (NEB) محاسبه می شود.
برخی از ویژگی هایی که می توان در مورد باتری ها به کمک شیمی محاسباتی بدست آورد به شرح زیر می باشند:
در این حوزه ی محاسباتی، می توان پروژه های کارشناسی ارشد و دکتری بسیاری را در رشته های شیمی، فیزیک، برق و مهندسی مواد تعریف کرد. در نرم افزارهای محاسباتی ای مانند Quantum ESPRESSO امکان محاسبه ی دقیق این پارامترها وجود داشته و نرم افزارهای جانبی دیگری نیز برای آنالیز های بیشتر و بدست آوردن نتایجی دقیق تر به منظور انتشار مقالات علمی در ژورنال های معتبر فراهم است.
نمونه مقالاتی که در این حوزه منتشر شده اند:
Allam, Omar, Byung Woo Cho, Ki Chul Kim, and Seung Soon Jang. "Application of DFT-based machine learning for developing molecular electrode materials in Li-ion batteries." RSC advances 8, no. 69 (2018): 39414-39420.
Meng, Qiangqiang, Jiale Ma, Yonghui Zhang, Zhen Li, Chunyi Zhi, Alice Hu, and Jun Fan. "The S-functionalized Ti 3 C 2 Mxene as a high capacity electrode material for Na-ion batteries: a DFT study." Nanoscale 10, no. 7 (2018): 3385-3392.
Kim, Jaewook, Sungwoo Kang, Jaechang Lim, and Woo Youn Kim. "Study of Li adsorption on graphdiyne using hybrid DFT calculations." ACS applied materials & interfaces 11, no. 3 (2018): 2677-2683.
مدل سازی خواص سلول های خورشیدی در تئوری تابعی چگالیDFT
به منظور شناسایی مواد جدید برای ساخت نسل های جدید سلول های خورشیدی مانند سلول های خورشیدی پروسکایتی، اورگانیک و ... لزوم بررسی خواص ساختارهای مختلف به جد لازم است. در این بین با توجه به کار سلول های خورشیدی در طیف نور مرئی، هر ماده ای را نمی توان برای کار به عنوان ماده ی جاذب نور در این ادوات به کار برد. از این رو محاسبات ابتدا به ساکن می تواند پیش بینی های بسیار دقیقی در طراحی مواد جدید برای استفاده در سلول های خورشیدی در اختیار ما بگذارد.
در تئوری تابعی چگالی (DFT) امکان بررسی خواص مختلف مواد مورد استفاده در سلول های خورشیدی فراهم می باشد که در زیر بصورت خلاصه قید شده است:
در این حوزه ی محاسباتی، می توان پروژه های کارشناسی ارشد و دکتری بسیاری را در رشته های شیمی، فیزیک، برق و مهندسی مواد تعریف کرد. در نرم افزارهای محاسباتی ای مانند Quantum ESPRESSO امکان محاسبه ی دقیق این پارامترها وجود داشته و نرم افزارهای جانبی دیگری نیز برای آنالیز های بیشتر و بدست آوردن نتایجی دقیق تر به منظور انتشار مقالات علمی در ژورنال های معتبر فراهم است.
نمونه مقالاتی که در این حوزه منتشر شده اند:
بررسی خواص مکانیکی ساختارها (نانولوله- نانوریبون- صفحات- ساختارهای بالک)
تولید فلزات و آلیاژهایی با اندازه کمتر از 100 نانومتر باعث دستیابی به موادی با استحکام بسیار بالا شده است. در واقع کوچک کردن دانهها در مواد، ابزار قدرتمندی است تا ساختارهایی با خواص مکانیکی عالی تولید گردد. در بررسی خواص مکانیکی مواد نانوساختار مشکلات زیادی از جمله عدم امکان تهیه نمونه مطلوب، وجود تخلخل و میکروترک، تنشهای داخلی شدید، وجود ناخالصیها و گازهای حبس شده و نیز عدم امکان ارزیابی برخی کمیتها، نظیر اندازهگیری کرنش به دلیل کوچک بودن نمونهها وجود دارد. وجود چنین مشکلاتی باعث شده تا دادههای آزمایشگاهی مربوط به خواص مکانیکی برای این گروه از مواد محدود باشد. از همین روی محاسبه ی دقیق تئوری این خواص با روش DFT در بررسی خواص اینگونه مواد می تواند بسیار حائز اهمیت باشد.
پایه ی اصلی محاسبه ی خواص مکانیکی و الاستیکی مواد تغییر انرژی و به تبع آن تغییر نیروهای بین اتمی در ساختار می باشد. بدین ترتیب با اعمال کرنش بر ماده و محاسبه ی تغییر انرژی و یا تغییر تنش در ساختار و رسم نمودارهای انرژی-کرنش و یا تنش-کرنش می توان بسیاری از خواص الاستیکی و مکانیکی ساختارها (نانولوله- نانوریبون- صفحات- ساختارهای بالک) را محاسبه کرد.
.برخی از مهمترین خواص مکانیکی (نانولوله- نانوریبون- صفحات- ساختارهای بالک) در زیر لیست شده است.
لازم به ذکر است که این اطلاعات در قالب پروژه ها ارشد و دکتری دانشجویان رشته های مکانیک، فیزیک، متالوژی و شیمی قابل تعریف و پیاده سازی بوده و به لحاظ جدید بودن و به روز بودن این دانش، به راحتی امکان چاپ مقالات متعدد در این حوزه وجود دارد. برای محاسبه ی این پارامتر های می توان از بسته های محاسباتی بسیار پرقدرت و دقیقی به نام های Quantum ESPRESSO و Siesta بهره برد.
نمونه مقالاتی که در این حوزه منتشر شده اند:
Miller, David C., Mauricio Terrones, and Humberto Terrones. "Mechanical properties of hypothetical graphene foams: Giant Schwarzites." Carbon 96 (2016): 1191-1199.
Wu, Guo Xun, et al. "Mechanical and Electrical Properties of TiN with Stacking Fault: A DFT Study." Applied Mechanics and Materials. Vol. 727. Trans Tech Publications, 2015.
Peng, Qing, Zhongfang Chen, and Suvranu De. "A density functional theory study of the mechanical properties of graphane with van der Waals corrections." Mechanics of Advanced Materials and Structures 22.9 (2015): 717-721.