Skip to main content
SUPERVISOR
Ismaeil Abdolhosseini Sarsari,Mojtaba Alaei
اسماعیل عبدالحسینی سارسری (استاد راهنما) مجتبی اعلائی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Nima Ghafari cherati
نیما غفاری چراتی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده فیزیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1397

TITLE

Investigation of the lattice thermal conductivity in presence of the defect
In this project, we calculate the lattice thermal conductivity of ZrS2 and WS2 in its pristine and defective form. The whole idea of this project was to introduce a new method to calculate thermal conductivity in systems with more complex structures. In the traditional form, there was two different approaches toward calculating the lattice thermal conductivity. First was by using solution of the Boltzmann traort equation and the second, by using molecular dynamic simulations. for the first method, the high computational cost limits the application of this approach, and it is insufficient in large and complex systems. Although the second approaches have been a success in accurate prediction of the lattice thermal conductivities of semiconductor crystals, the application of this technique to systems with more complex structures such as defective or disordered ones is not realistic because of the rapid increase in computational cost with increasing system size and simulations must be much larger to reproduce a reasonable temperature gradient. Computational time can be reduced by using the empirical potential, but the accuracy is insufficient compared to that of DFT-based calculations. The application of machine learning techniques to solidstate physics has rapidly developed in recent years. These techniques are promising for thermal conductivity simulation. In our novel approach, we extract high-order interatomic force constants by hiphive package with powerful machine learning algorithms. After obtaining the forces constants, we calculate the lattice thermal conductivity by running classical MD simulation With GPUMD or the solution of the Boltzmann traort equation (BTE) by PHONO3PY. The materials we are investigating are ZrS2 and WS2 which are the members of Transition Metal Dichalcogenides (TMDCs) semiconductors. ZrS2 has a low lattice thermal conductivity which is a candidate for thermoelectric materials and in the monolayer form, is good for photocatalytic, photo-detectors and solar cells. Although, WS2 has a high lattice thermal conductivity in compare to other TMDCs and can be used for thermal management in nanoelectronic applications and a Promising material for light-emitting diodes and optical sensors. At first, we investigated the lattice thermal conductivity of ZrS2 in direct method by solving BTE as implemented in the PHONO3PY code. then by using extract FCs from HIPHIVE. The last method has less computational cost but the same accuracy. Then we constructed Force Constant Potential (FCP) for WS2. The extracted FCs were processed by using PHONO3PY and as the potential for MD simulations. We calculated the lattice thermal conductivity of WS2 using both BTE and MD performed with GPUMD which agree extremely well with previous calculations and also experimental measurements. Finally, we calculated lattice thermal conductivity in defective WS2. We find that in presence of the defect thermal conductivity reduced because the mean free path of phonons is reduced. This approach can be used for further studies. The presented results prove that the explained method is an efficient way of predicting the thermal conductivity in both complex and large systems, which paves the way for future studies.
محاسبه رسانندگی شبکه در حوزه فیزیک نظری همواره با محدودیت و چالش‌های بسیاری مواجه بوده است. زیرا بررسی اندرکنش بین فونون‌ها و محاسبه معادله حاکم بر آنان نیازمند فهم دقیقی می‌باشد. از طرفی محاسبه سیستم‌های پیچیده و دارای نقص و یا تقارن کم به دلیل هزینه‌سنگین محاسباتی عملا غیر ممکن بوده است. مواد می‌توانند رسانندگی گرمایی از چند صدم تا چند هزار وات بر هر کلوین-متر داشته باشند. مواد با رسانش گرمایی بالا می‌توانند کاندیدای ساخت ادوات الکترونیکی به منظور حذف گرما از سیستم باشند و مواد با رسانندگی کم کاندیدای ساخت مواد ترموالکتریک می‌باشند. در روش‌های پیشین رسانندگی گرمایی با دو رهیافت مورد بررسی قرار میگرفته است. با حل معادله ترابرد بولتزمن و یا انجام شبیه سازی دینامیک مولکولی. هر یک از این دو رهیافت دارای مزایا و معایب خاصی هستند اما مهمترین محدودیت آن‌ها، هزینه محاسباتی بسیار زیاد برای سیستم‌های بزرگ و کم تقارن می‌باشد. دراین پایان نامه، رویکرد جدیدی برای محاسبات رسانندگی گرمایی در سیستم‌ها معرفی می‌کنیم که دارای توانایی بسیار زیادی می‌باشدکه هزینه محاسباتی را بسیار کمتر کرده و این در حالیست که دارای دقتی یکسان و یا بیشتر نسبت به روش‌های پیشین می‌باشد. در این رهیافت ما با استفاده از استخراج ثابت‌های نیرو مرتبه‌های بالا توسط بسته محاسباتی HIPHIVE و در چهارچوب نظریه تابعی چگالی، رسانندگی گرمایی را در بسته PHONO3PY و انجام محاسبات دینامیک مولکولی در بسته محاسباتی GPUMD انجام می‌دهیم و از این طریق رسانندگی گرمایی مواد را محاسبه می‌کنیم. مزایای این رویکرد جدید در این است که قادر خواهیم بود سیستم‌های پیچیده که دارای تقارن کمی هستند را در ابعاد بزرگتری مورد مطالعه قرار دهیم. همچنین می‌توانیم سیستم‌هایی که دارای نقص ساختاری هستند را با این روش مطالعه کنیم. برای این مطالعه، از دو ماده مختلف خانواده دی‌کالکوژن‌های فلزات واسطه، یعنی دی‌سولفات زیرکونیوم و دی‌سولفات تنگستن استفاده می‌کنیم. دی‌سولفات زیرکونیوم بدلیل داشتن هدایت گرمایی پایین می‌تواند کاندیدای موادترموالکتریک باشد که در شکل تک‌لایه دارای کابردهای بسیاری می‌باشد. دی‌سولفات تنگستن که دارای رسانندگی گرمایی نسیتا بالا نسبت به دیگر اعضای خانواده دی‌کالکوژن‌های فلزات واسطه می‌باشد که می‌تواند در ادوات الکترونیکی به منظور حذف گرما از سیستم مورد استفاده قرار گیرد. در ابتدا ما رسانندگی گرمایی را دی‌سولفات زیرکونیوم با روش مستقیم یعنی بسته PHONO3PY و روش بسته HIPHIVE که ما بدنبال ارائه آن هستیم حساب کرده و با یکدیگر مقایسه میکنیم. سپس برای دی سولفات تنگستن با استفاده از پتانسیل ثابت نیروی ساخته شده توسط HIPHIVE ثابت‌های نیرو را استخراج کرده و رسانندگی گرمایی را با شبیه سازی دینامیک مولکولی و حل معادله ترابرد بولتزمن حساب می‌کنیم. در پایان، با ایجاد یک نقص تهی جای در دی‌سولفات تنگستن به محاسبه رسانندگی گرمایی در این سیستم دارای نقص می‌پردازیم. هدف کلی این پایان نامه معرفی این روش جدید برای محاسبه رسانندگی گرمایی مواد و تشریح روش انجام آن می‌باشد. زیرا که با وجود این روش می‌توان رسانندگی گرمایی سیستم‌های مختلف را با دقت و سرعت بالایی اندازه‌گیری کرد.

تحت نظارت وف ایرانی