صفحه اصلی | ان آر تی سی | صفحه اصلی<

09392522438  
   EN | FA
یکشنبه, 19 آبان 1398 ساعت 01:03

نانونوار یا ریبون های گرافن

نانونوار یا ریبون های گرافن را بشناسیم

 

دانشمندان معاصر، مهندسین و سرمایه گذاران پیش بینی می کنند که علم نانو مسیری است به سوی میدانی وسیع اما در ابعادی کوچک. تلاش محققین در هرچه کوچکتر کردن ابعاد دستگاه های میکروالکترونیک در سال های اخیر بسیار شدت یافته و در ابعاد بسیار پایین پدیده ای به نام محدودیت کوانتومی[1] الکترون ها در نانو ساختار ها، می تواند ابزار قدرتمندی برای کنترل خواص الکتریکی، نوری، مغناطیسی، ترموالکتریکی این مواد پیشرفته باشد.

 

انواع نانوساختارهایی که تا کنون سنتز شده اند عبارتند از:

نانولوله[2] ها

نانوریبون ها

نانو میله[3] ها

نانوسیم[4] ها

و نقاط کوانتومی.

در این میان، نانوریبون ها یکی از مهمترین اعضای خانواده ی نانومواد یک بعدی است که ساختارش بطور گسترده مورد مطالعه ی محققین قرار گرفته و انتظار می رود که کاندید خوبی برای حسگر، مبدل و تشدید کننده نانو مقیاس باشد. جذابیت های پژوهشی نانوریبون ها ناشی از مورفولوژی، خواص فیزیکی، الکترونیکی و نوری منحصر به فرد این ساختارها است.

 

در میان تمامی ساختارهای کربنی، یکی از انواع ساده ی ساختارهای مشابه گرافن، ریبون های گرافنی با عرضی به ابعاد چند نانومتر هستند که بسیار مورد مطالعه قرار گرفته اند [1]. اهمیت این ساختار در کاربردهای آن ها در قطعات الکترونیکی و ترانزیستور ها می باشد که به تازگی روش های متعددی برای استفاده از این ساختارها در این قطعات ابداع شده است. نانوریبون های گرافنی نیز با روش های متعددی مانند برش های مکانیکی گرافن های ورقه ورقه شده و یا با روش های برآرایی[5] با استفاده از ماسک های ویژه ای تولید می شوند.

از زمانی که ریبون های گرافنی مورد توجه قرار گرفته اند، مطالعات بسیاری بر روی ساختار الکترونی این مواد و تاثیر تغییر پهنا و عرض این ماده بر روی خواص مختلف آن با روش های مختلفی مانند تقریب بستگی قوی و تئوری تابعی چگالی صورت گرفته است. این محاسبات نشان دادند که [6]GNR ها با لبه های آرمچیر، هم می توانند فلز باشند و هم نیمه رسانا، و گذار میان این دو حالت با توجه به تغییر عرض GNR رخ می دهد. و GNR هایی با لبه های زیگزاگ همگی فلز هستند [2].

در سال 2006، یانگ و همکارانش نشان دادند که GNR هایی که لبه های آنها توسط هیدروژن اشباع شده اند، همگی گاف نواری مستقیم و غیر صفری دارند [3]. به علاوه آنها نشان دادند که اندازه ی گاف نواری تابعی از پهنای GNR ها می باشد.

این محاسبات به کمک رهیافت تئوری تابعی چگالی و تقریب چگالی (اسپینی) جایگزیده[7] انجام شده است.

 

 

Geometric shape of graphene nanoribbons

شکل-1: شکل هندسی نانوریبون های گرافنی: a) آرمچیر، b) زیگزاگ.

 

References

[1] M. Ezawa, Physical Review B, 73 (2006) 045432.

[2] M. Fujita, K. Wakabayashi, K. Nakada, K. Kusakabe, Journal of the Physical Society of Japan, 65 (1996) 1920-1923.

[3] Y.-W. Son, M.L. Cohen, S.G. Louie, Physical review letters, 97 (2006) 216803.

 


[1]Quantum Confinement

[2]Nanotube

[3]Nanorod

[4]Nanowire

[5]Epitaxy

[6]Graphene Nanoribbons

[7] Local (Spin) Density Approximation )LSDA(

منتشرشده در مقاله
یکشنبه, 19 آبان 1398 ساعت 00:21

آلایش در گرافن (doping)

آلایش در گرافن و تاثیر آن بر خواص این ماده

گرافن داپت شده با نیتروژن

با توجه به تنوع بسیار زیاد در فرهای مختلف ساختار گرافن و خواص منحصر به فرد این ماده، به تازگی مورد توجه محققین جهت استفاده در ابرخازن های قرار گرفته است. نیتروژن، در جدول تناوبی عناصر در کنار کربن قرار داشته و الکترون نگاتیوی آن از کربن بیشتر است، به همین دلیل جایگزین کردن یکی از اتم های کربن در گرافن منجر به تغییر در ساختار الکترونی آن می گردد. بر همین اساس، گرافن داپت شده با نیتروژن بر اساس ساختار ویژه اش کاندید امیدبخشی جهت ارتقاء عملکرد ابر خازن ها، باتری های لیتیومی، و ترانزیستورها می باشد [1].

ترکیب نیتروژن با گرافن می تواند سه نوع ساختار متفاوت را شکل دهد:

گرافیتی-[1]N

پیریدینیک-N[2]

و پیرولیک-[3]N(شکل-1).

در نوع گرافیتی-N اتم نیتروژن داپت شده جایگزین یکی از اتم های حلقه ی هگزاگونال گرافن می شود.

اما در ساختارهای پیریدینیک-N و پیرولیک-N، الکترون های اوربیتال π پیوندهایی با هیبریداسیون، به ترتیب، sp2 و sp3 تشکیل می دهند [2].

Different structures induced by nitrogen atom dopants in graphene

شکل-1: ساختارهای مختلف ناشی از داپت اتم نیتروژن در گرافن.

 

بر اثر داپینگ نیتروژن، تراز فرمی به بالا ی نقطه ی دیراک جابجا شده و سپس چگالی حالت ها در اطراف تراز فرمی به یک حالت ثابتی منتهی می شود که در نتیجه میان نوار رسانش و نوار ظرفیت گاف نواری ای تقریبا به اندازه ی 0.2 eV پدید می آید (شکل-2) [3].

به همین دلیل گرافن داپت شده با نیتروژن به عنوان کاندید مناسبی جهت استفاده در ادوات نیمه هادی بسیار مناسب است.

 

Band gap created by doping of nitrogen to graphene at point K

شکل-2: گاف نواری ایجاد شده بر اثر داپ نیتروژن به گرافن، در نقطه ی K.

 

گرافن داپت شده با برم

عنصر برم (B)، خواص منحصر بفرد و غیر قابل مقایسه ای دارد. به این دلیل که برم در جدول تناوبی عناصر در کنار کربن قرار دارد، محققین بسیاری امکان داپ برم را در گرافن بررسی کرده اند [4]. ساختار گرافن داپت شده با برم، به روش جالبی سنتز می شود.

در این روش اکسیدگرافیت در حضور اکسید برم (به عنوان منبع برم) بازپخت شده و گرافن داپت شده با برم تولید می گردد. به علاوه الکترون نگاتیوی برم از کربن کمتر است و از همین روی B-گرافن از خود پتانسیل خوبی جهت استفاده در واکنش کاهش اکسیژن (ORR[4]) نشان می دهد.

همچنین به دلیل پایداری و طول عمر بالا، به عنوان ماده ی اصلی کاتالیزور های مبتنی بر پلاتین (Pt) مورد استفاده قرار می گیرد. علاوه بر این، مطالعات مبتنی بر رهیافت DFT نشان داده اند که داپت برم در گرافن منجر به القاء چگالی اسپینی بالاییدر ساختار گرافن می گردد که نقش بسیار تاثیرگذاری بر جذب اکسیژن و مولکول OOH در مقایسه با گرافن خالص دارد [5].

همانطوری که در شکل-3 نشان داده شده است، از آنجایی که اتم برم تنها سه الکترون در لایه ی ظرفیت دارد، اوربیتال pz آن خالی خواهد بود، در مقابل تک الکترون درون اوربیتال نیمه پر pz اتم کربن همسایه در آن یک چگالی اسپینی جایگزیده القاء می کند. از آنجایی که الکترون نگاتیوی اتم برم از اتم کربن کمتر است، پیوند تشکیل شده بیشتر به سمت کربن متمایل می شود و در نتیجه این جایگاه قطبیده ی پدید آمده در ساختار گرافن داپت شده با برم، به عنوان سایت فعال کاتالیز می تواند عمل کند. 

 

How to fill carbon and bromine pz orbitals in B-graphene

شکل-3: نحوه ی پر شدن اوربیتال های pz کربن و برم در B-گرافن.

 

گرافن داپت شده با گوگرد

نخستین بار ساختار الکترونی گرافن داپت شده با گوگرد بصورت تئوری محاسبه شد، که نشان داد این ترکیب با توجه به درصد سولفور داپت شده در گرافن، می تواند نیمه رسانایی با گاف نواری کوچک و یا یک فلز باشد [6]. دنیس[5] و همکارانش در این تحقیق نشان دادند که حتی یک تک اتم گوگرد در یک صفحه ی گرافنی 5×5 می تواند تاثیر جدی در ساختار نواری این ماده پدید بیارورد. محاسبات آنان که با نرم افزار محاسباتی SIESTA انجام شد نشان داد که گوگرد در این صفحه ی گرافنی گاف نواری ای به اندازه ی 0.3 eV و یک پیک بسیار تیز در نزدیکی تراز فرمی به وجود می آورد (شکل-4).

 

The density of graphene states a before sulfur doping b after sulfur dubbing

شکل-4: چگالی حالت های گرافن، a) قبل از داپ گوگرد، b) بعد از داب گوگرد.

 

برای سنتز S-گرافن، از هر دو ماده ی سولفید هیدروژن و دی سولفید بنزیل به عنوان مواد تامین کننده ی گوگرد، به همراه اکسید گرافن استفاده می شود.

 

گرافن داپت شده با سیلیسیم

تحقیقات تئوری و تجربی بسیاری جهت اصلاح عملکرد سنسوری گرافن جهت شناسایی مولکولهای مختلف انجام شده است. مکانیزم این سنسورهای گازی بر مبنای تغییر رسانندگی الکتریکی گرافن به واسطه ی انتقال بار میان گرافن و ماده ی جذب شونده می باشد. اکثر مطالعات نشان می دهند که گازهای NO، NO2 و ... که به عنوان گازهای آلاینده می شناسیم، بصورت فیزیکی بر روی گرافن خالص جذب می شوند. داپ سیلیسیم (Si) در گرافن بسیار کمیاب است، اما به تازگی محققین جهت استفاده در کاتالیزورهای مبتنی بر گرافن به سراغ این ماده نیز رفته اند. تا کنون گزارشی مبنی بر استفاده از Si-گرافن در در کاتالیست ها ارائه نشده است.

زاهو و همکارانش [7] به کمک رهیافت تئوری تابعی چگالی (DFT) به بررسی جذب گازهای NO، N2O و NO2 بر روی Si-گرافن پرداختند و نشان دادند که این ماده می تواند سنسور بسیار خوبی برای شناسایی گازهای NO و NO2 باشد. داپ اتم Si در گرافن باعث جابجایی نوار رسانش گرافن شده و آن را کمی به بالاتر منتقل می کند در نتیجه گاف نواری بسیار کوچکی به اندازه ی 0.054 eV در این ماده به وجود می آید (شکل-5). با وجود آنکه Si چهار ظرفیتی است اما در این ساختار به دلیل طول پیوند های بلند تری که با اتم کربن تشکیل می دهد (Si-C) ساختار هرم شکلی پیدا می کند و به همین دلیل هیبریداسیون sp3 به خود می گیرد، که همین هیبریداسیون منجر به ایجاد ترازهای جایگزیده در اطراف تراز فرمی شده و تاثیر کوچکی بر ویژگی های شبه فلزی گرافن می گذارد.

 

Geometric shape and band structure of graphene doped with silicon

شکل-5: شکل هندسی و ساختار نواری گرافن داپت شده با سیلیسیم.

 

 

References

[1] Y. Lu, Y. Huang, M. Zhang, Y. Chen, Journal of nanoscience and nanotechnology, 14 (2014) 1134-1144.

[2] X.-K. Kong, C.-L. Chen, Q.-W. Chen, Chemical Society Reviews, 43 (2014) 2841-2857.

[3] D. Usachov, O. Vilkov, A. Gruneis, D. Haberer, A. Fedorov, V.K. Adamchuk, A.B. Preobrajenski, P. Dudin, A. Barinov, M. Oehzelt, Nano letters, 11 (2011) 5401-5407.

[4] A. Lherbier, X. Blase, Y.-M. Niquet, F. Triozon, S. Roche, Physical Review Letters, 101 (2008) 036808.

[5] X. Kong, Q. Chen, Z. Sun, ChemPhysChem, 14 (2013) 514-519.

[6] P.A. Denis, R. Faccio, A.W. Mombru, ChemPhysChem, 10 (2009) 715-722.

[7] Y. Chen, B. Gao, J.-X. Zhao, Q.-H. Cai, H.-G. Fu, Journal of molecular modeling, 18 (2012) 2043-2054.

 


[1]Graphitic N

[2]Pyridinic N

[3]Pyrrolic N

[4] Oxygen Reduction Reaction

[5]Denis

منتشرشده در مقاله
دوشنبه, 06 آبان 1398 ساعت 15:17

نانو محاسبات

نانومحاسبات چیست؟
تئوری تابعی چگالی (Density Functional Theory - DFT) یکی از کارآمدترین روش های محاسباتی سیستم های بس ذره ای است و این به دلیل کارایی محاسباتی بالای آن، کاهش حجم محاسبات و دقت خوب آن در مقایسه با سایر روش ها است. اهمیتDFT هنگامی روشن تر می شود که بدانیم به خاطر آن جایزه نوبل شیمی در 1998 به کوهن یکی از بنیان گذاران آن داده شده است. کوهن و شم یک دستگاه فرضی شامل الکترون هایی که هیچ برهم کنشی برهم ندارند را در نظر گرفتند و در نهایت به معادلاتی رسیدند که با آن ها به صورت خود-سازگار خواص حالت پایه دستگاه را محاسبه کردند. پیدا کردن این انرژی به صورت کلی امکان ندارد بنابراین باید از روشهای تقریبی استفاده کرد که بعضی از این تقریب ها، تقریب چگالی موضعی (LDA) و تقریب شیب تعمیم یافته (GGA) است.
همانگونه که در شکل (1) دیده می شود DFT انقلابی در عرصه ی مطالعه ی تئوری جامدات و درشت مولکول ها پدید آورده و در سالهای اخیر رشد چشمگیر و فزاینده ای در بررسی خواص مواد و طراحی مواد جدید داشته است. تلاش های بسیاری جهت افزایش دقت محاسباتی مبتنی بر DFT انجام شده و به مدد توسعه ی سخت افزارهای کامپیوتری و افزایش توان پردازشی کامپیوترهای محاسباتی در دو دهه ی گذشته، امکان مطالعه ی سیستم ها و ساختار های بزرگتر و پیچیده تر را فراهم کرده است.

شکل 1: رشد خیره کننده ی انتشار مقالات مبتنی بر تئوری تابعی چگالی در سالهای اخیر.
دقت بالای پیشبینی های مبتنی بر روش های ابتدا به ساکن پیرامون خواص مواد گوناگون از دو جهت اهمیت بالایی می یابد. اولا، به شناخت دقیق پدیده ی در حال وقوع کمک می کند، ثانیا در مقابل کارهای آزمایشگاهی هزینه ی بسیار پایینی دارد. از آنجایی که کارهای تجربی بسیار سخت و پر هزینه می باشند، ثابت شده است که استفاده از روش های تئوری و شبیه سازی های کامپیوتری استراتژی بسیار موئثری در جهت کاهش هزینه و زمان صرف شده در جهت بررسی مواد گوناگون می باشد.
موضوعات تحقیقاتی که به کمک تئوری تابعی چگالی در حوزه ی شیمی محاسباتی و فیزیک محاسباتی می توان انجام داد به قرار زیر می باشد:
• بررسی خواص مکانیکی (نانولوله- نانوریبون- صفحات- ساختارهای بالک)
• بررسی خواص الکترونی
• بررسی خواص اپتیکی
• محاسبه ی ترابرد الکتریکی و اسپین
• بررسی جذب فیزیک و شیمیایی و خواص کاتالیستی
• بررسی خواص ترمودینامیکی
• مطالعه ی سطح خارجی ساختارها و آلیاژها
• سلول های خورشیدی
• باتری های لیتیوم/سدیم/منگنز و ...
• ابررساناها

 

منتشرشده در مقاله
پنج شنبه, 02 آبان 1398 ساعت 13:57

DFT الکترونی

 

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:

    • رسم ساختار نواری (BandStructure)
    • محاسبه ی گاف نواری (Band gap)
    • رسم چگالی حالت ها (DOS)
    • سم چگالی حالت های موضعی (PDOS)
    • محاسبه ی جرم موئثر حامل ها
    • محاسبه ی تحرک پذیری حامل ها
    • تاثیر ناخالصی بر خواص الکتریکی
    • تاثیر نقص بلوری بر خواص الکتریکی.

IMAGE-xqy

 

 

 

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:

 

    • Silva, Juliana CM, Heitor A. De Abreu, and Hélio A. Duarte. "Electronic and structural properties of bulk arsenopyrite and its cleavage surfaces–a DFT study." RSC Advances 5.3 (2015): 2013-2023.
    • Park, Changwon, et al. "Electronic Properties of Bilayer Graphene Strongly Coupled to Interlayer Stacking and an External Electric Field." Physical review letters 115.1 (2015): 015502.
    • Rossi, Antonio, et al. "Nano-Scale Corrugations in Graphene: A Density Functional Theory Study of Structure, Electronic Properties and Hydrogenation." The Journal of Physical Chemistry C 119.14 (2015): 7900-7910
منتشرشده در مقاله
دوشنبه, 29 مهر 1398 ساعت 19:50

LAMMPS دانشگاه خواجه نصیر


دوره مقدماتی نرم افزار محاسباتی لمپس - LAMMPS
دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
تاریخ: 30 اردیبهشت 1395

 

LAMMPS

 

 

LAMMPS 2

 

 

LAMMPS 3

 

 

LAMMPS 4

 

 

LAMMPS 5

 

 

LAMMPS 7

 

 

LAMMPS 8

 

 

LAMMPS 9

 

 

منتشرشده در پیش رو

 Nano plat elongation

 

 

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.

    • نمودار انرژی-کرنش
    • نمودار تنش کرنش
    • تمامی ضرایب الاستیک
    • مدول یانگ (Young's modulus)
    • مدول بالک (Bulk modulus)
    • مدول برشی (Shear modulus)
    • ضریب پوآسون (Poisson's ratio)
    • تراکم پذیری
    • ناحیه الاستیک-پلاستیک (Elastic-Plastic region)

 

lagrangian strain

 

 

 

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.

 

 

 

 

 

منتشرشده در مقاله

مرکز محاسباتی NRTC در نظر دارد با همکاری برخی از دانشگاه های معتبر کشور اقدام به برگزاری دوره های آموزشی نرم افزارهای شبیه سازی و محاسباتی نماید. علاقه مندانی که توانایی و تبحر کافی در زمینه ی نرمز افزارهای مختلف دارند می توانند بصورت رایگان از سامانه ی آموزشی این مرکز استفاده کرده و دوره های آموزشی مورد نظر خود را با این سامانه برگزار نمایند. این مرکز همچنین امکان صدور و ارائه ی گواهی معتبر و قابل ترجمه ی مدرس و گواهی دانشجو را دارا می باشد. علاقه مندان می توانند با مکاتبه با ایمیل زیر از جزئیات این طرح مطلع شده و هماهنگی های لازم را برای شروع هرچه سریعتر دوره های مورد نظر خود انجام دهند.

ایمیل مرکز محاسباتی NRTC:

این آدرس ایمیل توسط spambots حفاظت می شود. برای دیدن شما نیاز به جاوا اسکریپت دارید

 

 

منتشرشده در اخبار مرکز
سه شنبه, 18 دی 1397 ساعت 15:41

Quantum ESPRESSO

 

Quantum ESPRESSO :

بسته ی نرم افزاری کوانتوم اسپرسو، نرم افزاری چند منظوره برای محاسبات ابتدا به ساکن در سیستم های ماده چگال (تناوبی و بی نظم) می باشد که بر پایه ی نظریه ی تابعی چگالی (DFT) کار می کند. از این نرم افزار بصورت گسترده در بررسی و شبیه سازی نانو ساختار ها استفاده می شود.

کلمه اسپرسو به معنای قهوه فشرده است، که مخفف کلمات زیر می باشد:

opEn Source Package for Research in Electronic Structure, Simulation and Optimaization

 

ین نرم افزار برای کار در محیط لینوکس نوشته شده و دارای سه کد مجزای کامپیوتری PWscf، FPMD و CP می‌باشد که هر سه‌ی آن‌ها بر پایه‌ی نظریه‌ی تابعی چگالی کار می‌کنند و برای انجام محاسبات از امواج تخت به همراه شبه پتانسیل استفاده می‌کنند. همچنین این بسته‌ی نرم افزاری قابلیت محاسبه‌ی اکثر تقریب‌های انرژی تبادلی- همبستگی مانند LDA، GGA، LSDA و LDA+U را دارد.


قابلیت هایQE

در بسته محاسباتی Quantum ESPRESSO سه نوع محاسبات Pwscf، Phonon و PostProc انجام می پذیرد.
1- Pwscf

Pwscf می تواند محاسبات زیر را انجام دهد:

1. محاسبه نیروهای بین اتمی، تنش، و بهینه سازی ساختار یونی.
2. محاسبه دینامیک مولکولی در حالت پایه سطح بورن-اوپنهایمر(Born-Oppenheimer) ، با تغییرات سلول.
3. قطبش ماکروسکوپی و میدان الکتریکی محدود از طریق تئوری مدرن قطبش(Berry Phases) .
4. محاسبه انرژی آزاد سطح در سلول ثابت از طریق متا دینامیک. ( به کمک بسته PLUMED)
5. محاسبه‌ی انرژی حالت پایه‌ی سیستم و استخراج ویژه تابع‌ها و مقدارهای معادلات کوهن- شم با استفاده از حل خودسازگار سیستم.
6. محاسبه‌ی تنش وارد بر دیوارهای سلول واحد و نیروی وارد بر اتم‌ها.
7. محاسبه‌ی واهلش سیستم یا دینامیک مولکولی، که به دو روش قابل بررسی است. در حالت اول با ثابت نگه داشتن دیواره‌های سلول واحد و جابجا کردن اتم‌ها در فضای آن تا سیستم به حالت پایه برسد و حالت دوم حرکت دادن دیواره‌ها که ابعاد سلول واحد اجازه‌ی تغییر دارند.
8. محاسبه‌ی فرکانس فونون ها با استفاده از نظریه اختلالی تابعی چگالی.
9. محاسبه‌ی قطبیدگی ماکروسکوپیک از طریق فاز بِری.
10. بررسی برهمکنش اسپین-مدار.

 

همه محاسبات فوق برای هر دو نوع عایق و فلزات، در هر ساختار بلوری، برای بسیاری از توابع همبستگی-تبادلی (exchange correlation) از جمله قطبش اسپین، DFT + U، توابع غیرموضعیVdW، توابع هیبریدی، شبهه پتانسیلهای بار پایسته (Hamann-Schluter-Chiang PPs (NCPPs)) یا فوق نرم (Vanderbilt, PPs, USPPs) مورد استفاده قرار می گیرد. درمحاسبات، مغناطیس غیرهمراستا و برهمکنش اسپین-مدار نیز لحاظ شده است. همچنین میدان الکتریکی محدود با یک پتانسیل الکتریکی دندان اره ای در یک سلول در بسته پیاده سازی شده است (NEB).


2- Phonon

پکیج Phonon در بسته ی Quantum ESPRESSO می تواند محاسبات زیر را انجام دهد:

1. محاسبه فرکانسهای فونونی و ویژه بردارهای آنها با استفاده از نظریه تابعی چگالی اختلالی Density-Functional perturbation Theory .
2. بار موثر و تانسورهای دی الکتریک.
3. ضریب برهمکنش الکترون-فونون در فلزات.
4. برهمکنشهای ثابت نیرو در فضای مستقیم.
5. طول عمر فونونهای غیرهماهنگ مرتبه سوم.
6. سطح مقطع مادون قرمز و رامان.

 

Phonon هم مانند Pwscf میتواند از DFT+U وVdW استفاده کند. اما USPP و PAW در محاسبات فونونی پیاده سازی نشده اند. محاسبات تقریب شبه هارمونیک Quasi-Harmonic approximations با استفاده از بسته QHA انجام میشود که نیاز به محاسبات چگالی حالتهای فونونی دارد.
3- PostProc

پکیج PostProc در Quantum ESPRESSO میتواند محاسبات زیر را انجام دهد:

1. اسکن تصاویر میکروسکوپ تونل زنی (STM).
2. رسم توابع محلی سازی الکترونی (ELF).
3. چگالی حالتها (DOS) و چگالی حالتهای تصویر شده (PDOS).
4. میانگین گیری سطحی و کروی.


دوره ی آموزشی QE

دوره ی آموزشی Quantum ESPRESSO در دو سطح مقدماتی و پیشرفته برگزار می شود. مباحث آموزش داده شده در هر سطح به شرح زیر می باشد:


سطح مقدماتی:

1. اهمیت و جایگاه فیزیک/شیمی محاسباتی.
2. آشنایی با مبانی نظری Quantum ESPRESSO از جمله DFT و شبه پتانسیل.
3. نصب نرم افزار Quantum ESPRESSO.
4. آشنایی با محیط نرم افزار Quantum ESPRESSO و بخش های مختلف آن.
5. نحوه ی ورودی نویسی و معرفی ساختار مورد نظر به QE و انجام تنظیمات اولیه.
6. بهینه سازی ساختار مورد مطالعه و محاسبه طول و زوایای پیوندی و شکل کلی ساختار.
7. آشنایی با نرم افزار کمکی XcrysDen جهت بررسی شماتیک جزئیات ساختار مورد مطالعه.
8. رسم بانداستراکچر، DOS و PDOS.
9. محاسبه و رسم توپولوژی بار (Charge Density- ELF).
10. مطالعه ی جذب مولکول بر روی سطوح متنوع تحت فشارهای مختلف.


سطح پیشرفته:

1. بررسی خواص مکانیکی ساختارها (تئوری/محاسباتی) به کمک Quantum ESPRESSO.
2. بررسی خواص اپتیکی ساختارها (تئوری/محاسباتی) با استفاده از Quantum ESPRESSO.
3. بررسی خواص فونونی ساختارها و محاسبه ی توابع ترمودینامیکی و شیمیایی آنها (تئوری/محاسباتی) در QE.
4. بررسی خواص رسانندگی ساختارها (تئوری/محاسباتی) در QE.
5. اعمال میدان الکتریکی خارجی بر ساختارها (تئوری/محاسباتی) در QE.
6. بررسی خواص گوناگون ساختارها با اضافه کردن برهمکنش اسپین- مداری (تئوری/محاسباتی) در QE.
7. آشنایی با محاسبات مبتنی بر نظریه ی تابعی چگالی وابسته به زمان، TDDFT (تئوری/محاسباتی) در QE.

 

 

منتشرشده در مقاله
سه شنبه, 18 دی 1397 ساعت 15:35

SIESTA

SIESTA :

علاوه بر آن که SIESTA یک نرم افزار محاسباتی است، یک متد محاسباتی کارآمد برای محاسبه ی ساختار الکتریکی و شبیه سازی دینامیک مولکولی ابتدا به ساکن مولکول ها و جامدات نیز می باشد. از دلایل راندمان بالای SIESTA استفاده از مجموعه توابع پایه ی جایگزیده و استفاده از الگوریتم های خطی مناسبی است که با توجه به سیستم مورد نظر انتخاب می شود. یکی از ویژگی های بسیار مهم این کد امکان تنظیم دقت و راندمان محاسبات در بازه ی گسترده ای است. این بازه ، از محاسبات سریع اولیه تا شبیه سازی هایی با دقت بسیار بالا را شامل می شود که از نظر کیفی با سایر رهیافت های محاسباتی همچون روش توابع-تخت و روش تمام الکترونی همخوانی دارد.

 

فراهم شدن امکان بررسی سیستم های بزرگ به کمک روش های محاسباتی ساختار الکترونی ابتدا به ساکن فرصت های جدیدی را در بسیاری از رشته ها گشوده است. برنامه ی SIESTA که بصورت رایگان در میان دانشگاهیان توزیع شده و به برنامه ی محبوبی در میان آنان بدل گردیده، (جدای از کسانی که بصورت طبیعی به مطالعه ی ویژگی های فیزیکی و شیمیایی مواد می پردازند) بصورت فزاینده ای توسط محققان رشته های زیست شناسی، مهندسی و علوم زمین مورد استفاده قرار گرفته است. در حال حاضر چندین هزار کاربر در سراسر جهان از این برنامه استفاده می کنند و مقاله ای که روش محاسباتی SIESTA را توضیح می دهد [J. Phys. Cond. Matt. 14, 2745 (2002)] بالغ بر 8500 ارجاع تا به امروز داشته است.

 

ویژگی های اصلی SIESTA:

   • این نرم افزار از روش استاندارد تابع چگالی خودسازگار کوهن-شم در تقریب های چگالی جایگزیده (LDA-LSD) یا شیب تعمیم یافته (GGA)، استفاده می کند. در نسخه های جدید این نرم افزار، تابعی پیاده سازی شده که قادر به توصیف برهمکنش های واندروالس (van der Waals) می باشد.
   • این نرم افزار از شبه پتانسیل های نُرم-پایسته در فرم کاملا غیرموضعی Kleinman-Bylander استفاده می کند.
  • این نرم افزار از اوربیتالهای اتمی با پشتیبانی محدود به عنوان مجموعه ی پایه، زتای چنگانه ی و ممان زاویه ای نامحدود، قطبش و اوربیتالهای غیرجایگزیده استفاده می کند. اوربیتالهای اتمی با پشتیبانی محدود، کلید اصلی محاسبه ی هامیلتونی و ماتریس همپوشانی در عملگر (O(N می باشد.
   • برای محاسبه ی هامیلتونی و پتانسیل های همبستگی تبادلی و المان های این ماتریس ها، تابع موج الکترون و چگالی آن را در شبکه ی فضای حقیقی تصویر می کند.
SIESTA می تواند هم به صورت سریال و هم بصورت موازی (under MPI) برای اجرای محاسبات کامپایل شده و اطلاعات زیر را فراهم نماید:
   • انرژیهای کل و جزئی.
   • نیروهای اتمی.
   • تانسور تنش.
   • ممان دوقطبی الکتریکی.
   • چگالی الکترونی.
   • واهلش ساختار، تحت سلول واحدهای ثابت یا متغییر.
   • دینامیک مولکولی در دمای ثابت (Nose thermostat).
   • دینامیک سلول متغییر (Parrinello-Rahman)
   • محاسبات اسپین قطبیده (collinear or not)
   • نقاط فضای وارون.
   • چگالی حالت های جایگزیده و اوربیتالی.
   • منحنی های COOP و COHP برای آنالیز پیوندهای شیمیایی.
   • قطبش دی الکتریک.
   • ارتعاشات (phonons).
   • ساختار نواری.
از نسخه ی 3 این نرم افزار به این سو، SIESTA حامل ماژولی به نام TranSIESTA شد که امکان بررسی ترابرد بالستیک الکترون در سیستم هایی با مرز های باز را فراهم می کند. با استفاده از TranSIESTA می توان خواص ترابرد الکتریکی، مانند رسانش در بایاس صفر و نمودار I-V یک نانو ساختار را در تماس با دو الکترود با پتاسیل شیمیایی متفاوت را بررسی کرد.

 

منتشرشده در مقاله
سه شنبه, 18 دی 1397 ساعت 15:22

Materials Studio

 

Materials Studio :

متریال استدیو یک محیط مدل سازی و شبیه سازی کامل است که به محققان علم مواد و شیمی و فیزیک امکان توسعه مواد جدید از طریق پیش بینی روابط بین ساختار اتمی و مولکولی مواد با خواص و رفتار آنها را می دهد. با استفاده از متریال استدیو محققان صنایع مختلف می توانند مواد بهتر از جمله دارو، کاتالیزور، پلیمر و کامپوزیت، فلزات و آلیاژها، باتری و سلول های سوختی، نانومواد و … را مهندسی کنند.


متریال استدیو در عین پیشرفته بودن دارای محیط آسان برای مدلسازی و ارزیابی عملکرد و رفتار مواد است. با استفاده از متریال استدیو، محققان علم مواد مزیت های زیر را تجربه کرده اند:

   • کاهش در هزینه و زمان همراه با آزمایش ها و تست های فیزیکی از طریق نمایش مجازی
   • بهبود درک پایه ای از رابطه بین ساختار اتمی و مولکولی با خواص و رفتار مواد
   • قابلیت استفاده از علوم محاسباتی به عنوان مکملی برای آزمایش های آزمایشگاهی
   • اجرای سریع تر ، بهتر و هزینه مناسب تر نسبت به آزمایش های آزمایشگاهی برای ایده ها و توسعه های جدید در فرآیندها

متریال استدیو طیف کاملی از قابلیت های شبیه سازی از ابزار کوانتومی، اتمی ، مزو، آماری، تحلیلی فراهم می کند. این طیف گسترده از ابزار ها محققان را قادر به ارزیابی مواد در اندازه های طولی و مقیاس های زمانی مختلف به منظور پیش بینی دقیق تر و ارزیابی عملکرد در کوتاه ترین زمان ممکن می کند.

 


ابزار های کوانتومی در Materials Studio

متریال استدیو طیف وسیعی از ابزارهای مبتنی بر مکانیک کوانتومی برای مولکول ها و ساختارهای دوره ای از جمله روش تابعیت چگالی (DFT، (QM/MM و روش های نیمه تجربی فراهم می کند. این ابزارها نتایج دقیقی را برای خواص ساختاری، ترموفیزیکی، الکترونیکی و نوری مواد پیش بینی می کند.

 

CASTEP: این ابزار خواص جامدات، فصل مشترک و سطوح را برای طیف گسترده مواد از جمله مواد نیمه هادی، سرامیک ها، فلزات با استفاده از روش تابعیت چگالی صفحه تخت پیش بینی می کند.

DMol3: این ماژول با استفاده از DFT ساختار الکترونی و خواص مولکول های آلی و غیرآلی، کریستال های مولکولی، جامدات کووالانسی، جامدات فلزی را پیش بینی می کند.

DFTB+: این ماژول ابزاری برای شبیه سازی خواص الکترونیکی مواد می باشد. این ماژول با استفاده از روش تابعیت چگالی بر پایه تقریب Tight-Binding قادر به شبیه سازی کوانتومی سیستم هایی با ابعاد بزرگ است.

NMR CASTEP: این ابزار شیف شیمیایی NMR و تانسور گرادیان میدان الکتریکی را با استفاده از اصوا اولیه پیش بینی می کند. این تکینیک را می توان برای محاسبه شیفت NMR هم مولکول ها وهم جامدات برای طیف گسترده ای از مواد سرامیکی و نیمه هادی بکار برد.

ONETEP: این ابزار قادر به محاسبات اصول اولیه یک سیستم تا چندهزار اتم با استفاده از روش DFT می باشد.

QMERA: این ابزار با بکار گیری روش QM/MM دقت کوانتومی را با سرعت محاسبات میدان نیرو ترکیب می کند. این رویکرد اجازه مطالعه سیستم های بزرگ با انجام محاسبات دقیق را می دهد.

VMAP: این ابزار قادر به پیش بینی سریه بسیاری از خواص فیزیکی و شیمیایی مولکول های ارگانیک و غیر ارگانیک با استفاده از تکنیک اوربیتال مولکولی نیمه تجربی است. این ابزار یک رویکرد میانی بین تکنیک میدان نیرو و تکنیک اصول اولیه است.


ابزارهای شبیه سازی کلاسیکی در Materials Studio

متریال استدیو طیف وسیعی از روش های کلاسیکی مبتنی بر برهم کنش اتم ها و مولکول ها شامل دینامیک مولکولی (MD)، دینامیک شبکه و روش های مختلف مونت کارلو (MC) بر پایه میدان های نیرو را رائه می دهد.

Adsorption Locator: این ابزار مکان های جذب با کمترین انرژی مولکول ها بر روی سطوح دوره ای و غیر دوره ای را پیدا می کند.

Amorphous Cell: این ابزار امکان ساخت سیستم های پیچیده آمورف برای تعیین خواص آن را فراهم می کند.

Blends: این ابزار دیاگرام فاز و پارامترهای برهم کنشی برای مایع-مایع، پلیمر- پلیمر و فاز تعادل را پیش بینی می کند.

Conformers: الگوریتم های جستجوی کنفورماسیونی و ابزار تجزیه و تحلیل برای توصیف ساختار مولکولی و انعطاف پذیری را فراهم می کند.

COMPASS: کامپس یک میدان نیرو است که قادر به پیش بینی خواص ساختاری، کنفورماسیونی،ارتعاشی، ترموفیزیکی برای طیف گسترده ای از مولکول های منزوی و در فاز چگال برای دما و فشار ها مختلف است.

Forcite Plus: این ابزار روش های مکانیک و دینامیک مولکولی برای مولکول ها و سیستم های دوره ای ارائه می دهد. این ابزار شامل طیف گسترده ای از امکانات تحلیلی برای پیش بینی خواص مکانیکی، پخش، تغییرات چگالی،چگالی انرژی همبستگی، تابع خودهمبستگی دوقطبی است. میدان های نیرو که در این ابزار پشتیبانی می شود شامل COMPASS ، CVFF ، PCFF و میدان نیروی جهانی(عمومی).

GULP: ابزاری برای اپتیماز کردن مواد است. این ابزار شامل طیف گسترده ای از میدان های نیرو برای فلزات، اکسیدها، نیمه هادی های معدنی و سیستم های کوولانسی است.

Sorption: ابزاری برای پیش بینی خواص پایه ای پدیده های جذب و جداسازی مانند ایزوترم جذب و ثابت هنری است.


ابزارهای شبیه سازی مزومقیاس در  Materials Studio

روش های مزو در متریال استدیو مبتنی بر رویکرد درشت دانه است که به موجب آن گروه ای از اتم ها توسط یک دانه (مهره) جایگزین می شوند. این روش قادر به مدل سازی در مقیاس های طولی و زمانی فرا تر از روش های کلاسیکی است.

MesoDyn: این ابزار مبتنی بر روش تابعیت چگالی کلاسیکی برای مطالعه رفتار سیستم مایعات و پلیمرهای پیچیده به خصوص فاز جدایی آنها در مقیاس های طولی و زمانی بلند است.

Mesocite: یک ماژول شبیه سازی درشت دانه برای مقاس های طولی نانومتر تا میکرو متر و مقیاس های زمانی نانوثانیه تا میکرو ثانیه است.


ابزارهای تحلیلی در Materials Studio

ابزار های تحلیلی برای بررسی، پیش بینی و اصلاح ساختار بلوری و رشد بلور استفاده می شوند:

Morphology: این ابزار امکان پیش بینی شکل کریستال از ساختار اتمی آن را می دهد.

Polymorph Predictor: این ابزار امکان پیش بینی پلی مورف شدن را با استفاده از ساختار مولکولی می دهد.

Reflex: این ابزار طرح پراش پودری اشعه ایکس، نوترون و الکترون را پیش بینی می کند.


 

معرفی دوره آموزشی Materials Studio

این دوره ابزارهای کلاسیکی نرم افزار متریال استدیو (شبیه سازی دینامیک مولکولی و مونت کارلو) آموزش داده می شود.

جلسه اول: شبیه سازی دینامیک مولکولی و مونت کارلو

   ۱- معرفی روش شبیه سازی دینامیک مولکولی
      ۱-۱ معادله های دیفرانسیل حرکت و روش های حل آن
      ۱-۲ مقدمه ای بر مکانیک آماری
      ۱-۳ تعریف جعبه شبیه سازی، شرایط اولیه سیستم و شرایط مرزی مختلف، ایجاد آنسامبل
      ۱-۴ معرفی میدان های نیرو و روش محاسبه نیروهای بلند برد
      ۱-۵ روش های کاهش زمان محاسبات
      ۱-۶سازماندهی شبیه سازی، تعادل و تحلیل نتایج
   ۲- معرفی روش شبیه سازی مونت کارلو
      ۲-۱ الگوریتم متروپلیس مونت کارلو
      ۲-۲ الگوریتم گرند کانونی مونت کارلو
      ۲-۳ الگوریتم مونت کارلوی جنبشی

جلسه دوم: آموزش شبیه سازی دینامیک مولکولی و مونت کارلو با استفاده از نرم افزار Materials Studio

   ۱- معرفی نرم افزار وقابلیت های آن
   ۲- ایجاد ساختار مورد نیز
   ۳- بهینه سازی ساختار از نظر انرژی و موقعیت مکانی
   ۴- معرفی ماژول های Discover وForcite
   ۵- بررسی ابزارهای کاربردی و آنالیز نتایج
   ۶- مثال های کاربردی از جمله شبیه سازی نانو سیم، نانو ذرات، نانولوله های کربنی، فولرن، گرافن ،برهم کنش پلیمر با نانوساختار ها، شبیه سازی نانوکامپوزیت ها و …
   ۷- معرفی ماژول های Kinetix و Sorption
   ۸- مثال های کاربردی از جمله جذب سطحی گاز بر روی نانو لوله کربنی ،اکسیداسیون سطوح جامدات و نانوساختارهاو …

 

منتشرشده در مقاله
صفحه1 از2

7 روز هفته، 24 ساعته پاسخگوی شما هستیم

social 16social 13social 09 social 05