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

STUDENT

DEGREE

YEAR

Density Functional Theory (DFT) is one of the most successful and common theories in material science which can be used to study new or complicated compounds and structures . On the basis of density functional pseudopotential calculations , in this thesis we study two different systems : In the first part of this thesis (chapters two , three and four) , we employ DFT for more understanding of the exchange interaction in the novel p ferromagnetic CaC and CaN compounds in the RS , ZB , WZ and NiAs structures . We show that the generalized gradient functional give rises to a half-metallic or nearly half-metallic electronic structure for these systems . Comparing the structural properties in the ferromagnetic and nonmagnetic states clarifies that the bonding properties are almost independent of the exchange interaction in these systems . It is observed that the interatomic exchange interaction in these systems is quite strong and controls the splitting of the spin resolved bond points . In the third chapter , our focus is on CaC compound and we study structural , magnetic , dynamical , and mechanical properties of this compound in the nonmagnetic B2 , anti-NiAs (NA*) , and CrB (B33) structures as well as the four magnetic RS , ZB , WZ , NA structures . It is argued that the ZB , WZ , NA , and RS structures are more ionic while the NA* , B2 , and B33 structures are more covalent systems . As a result of that , the nonmagnetic B33–CaC is the energetically preferred system , while the more ionic structures prefer a ferromagnetic ground state with high Fermi level spin polarization . The observed ferromagnetism in the more ionic systems is attributed to the sharp partially filled p states of carbon atom in the system . In the framework of density functional perturbation theory , the phonon spectra of these systems are computed and the observed dynamical instabilities of the NA* and B2 structures are explained in terms of the covalent bonds between carbon atoms . The calculated Helmholtz and Enthalpy free energies indicate the highest stability of the B33 structure in a wide range of temperatures and pressures . Several mechanical properties of the dynamically stable structures of CaC are determined from their phonon spectra . In the second part , we demonstrate the occurrence of quantum confinement (QC) in the quantum slabs of crystallite silicon embedded in hydrogenated a-Si . The QC , which can significantly increase the efficiency of the solar cells , attracts many attentions in photovoltaic industry . The optical bandgap (Eg) of quantum confined nc-Si:H is higher than bulk Si , and it is tunable by changing the thickness of the slabs . We show and clarify the occurrence of a new type of confinement in which only valence band states are spatially localized within a nanograin was derived and there is no barrier for confining electrons within the c-Si seeds . QC in quantum slabs of crystallite-silicon , which are confined only in one dimensional , proves QC in quantum wires and quantum dots of nc-Si:H which are confined in two and three dimensional , respectively .

نظریه تابعی چگالی (DFT) یکی از پرکاربردترین و موفق ترین نظریات در فیزیک محاسباتی است که با مجموعه‌ای از شبیه سازی‌های ساده توانایی پیش‌بینی خواص ترکیب‌ها 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 فصل‌های دو، سه و چهار است، با استفاده از بسته محاسباتی کوانتم‌اسپرسو به بررسی ترکیب‌های CaC و CaN به عنوان نمایندگانی از ترکیب‌های گروه II-IV و II-V می‌پردازیم. این ترکیب‌های دوتایی یونی دسته جدیدی از مواد مغناطیسی هستند که بر خلاف مغناطیس‌های سنتی که مغناطش آنها از اوربیتال‌های d یا f عنصر واسطه ناشی می‌شود، در این ترکیب‌ها اوربیتال p آنیون عامل مغناطیسی شدن سامانه است. بررسی چرایی و چگونگی ایجاد این مغناطش و ویژگی‌های آن، قدرت برهم‌کنش تبادلی و دمای کوری سامانه، چگونگی پایداری ساختارهای مغناطیسی این مواد و ... از جمله سؤال‌هایی است که سعی در پاسخ دادن به‌ آنها را داریم. بر این اساس، در فصل دوم عوامل مؤثر در پیدایش مغناطش در این ترکیب‌های یونی را شرح می‌دهیم. همچنین در این فصل نشان می‌دهیم برهم‌کنش تبادلی و به دنبال آن دمای کوری این ترکیبات قابل قیاس و حتی بزرگتر از دمای کوری مغناطیس‌های مشهوری چون MnSi_2Co است. استقلال خواص ساختاری (پارامتر شبکه و مدول حجمی) از مغناطش از دیگر ویژگی‌های خاص این دسته از مغناطیس‌هاست که در این فصل نشان می‌دهیم. ارتباط مستقیم قطبش بار در فضای حقیقی با دمای کوری و اثر برهم‌کنش غیرجایگزیده از دیگر مسائلی است که در این فصل به آن می‌پردازیم. در فصل سوم به بررسی بیشتر ترکیب CaC پرداخته‌ایم و هفت ساختار پر اهمیت برای این ترکیب را بررسی می‌کنیم. با استفاده از محاسبات پراکندگی فونونی، پایداری دینامیکی ترکیب CaC را در این هفت ساختار بررسی می‌کنیم و نشان می‌دهیم علاقه اتم‌های کربن به تشکیل دوتایی _2C موجب ناپایداری دو مورد از ساختارهای غیرمغناطیسی است. در این فصل نشان می‌دهیم علی‌رغم پایداری ساختارهای مغناطیسی و همچنین با وجود قوی بودن برهم‌کنش 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، بهره‌برداری از منابع انرژی نو را می‌طلبد و این امر نیاز به طراحی مواد جدید خصوصاً در زمینه‌ی 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 بی‌نظم آن محصور شده‌اند (nc-Si/a-Si:H) می‌پردازیم. اهمیت این سامانه در نسل سوم سلول‌های خورشیدی است؛ این نسل از سلول‌های خورشیدی با بهره‌گیری از ترکیب‌ها و سامانه‌های نوینی چون ساختارهای کوانتمی و نانوساختارها که به شکل‌گیری پدیده‌هایی چون QC منجر می‌شود، سعی در افزایش کارایی سلول‌ و کاهش هزینه‌ها دارد. در این راستا نانوساختارهای nc-Si/a-Si:H از اهمیت خاصی برخوردارند که در فصل پنجم به تفصیل توضیح می‌دهیم. اما برای دستیابی به ویژگی‌های مورد علاقه در این ساختار، نیاز به افزایش کیفیت شبکه بی‌نظم سیلیکون (a-Si) داریم. چگونگی ساخت شبکه بی‌نظم سیلیکون، ویژگی‌های این ساختار و فرآیندهای لازم جهت افزایش کیفیت آن (که توسط یک برنامه‌ کامپیوتری سازگار با بسته محاسباتی سیستا انجام می‌شود)، از جمله مواردی است که در فصل ششم توضیح می‌دهیم. در فصل هفتم با استفاده از کُدی که تهیه کرده‌ایم به بررسی اثر کاهش ضخامت نانولایه بلوری سیلیکون در خواص الکترونی و نوری ساختار nc-Si/a-Si:H می‌پردازیم و نشان می‌دهیم این سامانه‌ قادر به ایجاد پدیده مهم و مورد علاقه حصر کوانتمی است. این نتیجه در نانولایه‌های سیلیکون که تنها در یک بعد توسط ساختار بی‌نظم آن محدود شده‌اند، نشان‌دهنده وجود حصر کوانتمی در نانولوله و نانودانه‌های این سامانه‌ است که به ترتیب در دو و سه بعد محدود شده‌اند. دیدیم QC در این سامانه تنها برای حفره‌ها در نوار ظرفیت رخ می‌دهد و الکترون‌ها حالتی غیرجایگزیده را به نمایش می‌گذارند، 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 سلول‌های خورشیدی منجر می‌شود)، کیفیت سطح محصور کننده در ناحیه مرزی با ساختار بلوری از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.