Προσομοιώσεις νανοσυστημάτων που έχουν ως βάση τον άνθρακα

Abstract

Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας παρουσιάζονται και εφαρμόζονται δύο διαφορετικές υπολογιστικές μέθοδοι για τη μελέτη νανοσυστημάτων άνθρακα. Η πρώτη μέθοδος αντιστοιχεί σε υπολογισμούς από πρώτες αρχές (ab-initio) σύμφωνα με τη Θεωρία του Συναρτησιακού της Πυκνότητας (Density Functional Theory). Οι υπολογισμοί εκτελέστηκαν με το πρόγραμμα VASP, χρησιμοποιώντας την υπολογιστική υποδομή HellasGrid, πάνω σε συστήματα υδρογονωμένου γραφενίου, ή αλλιώς, graphane. Για το graphane έχουν προβλεφθεί τρεις διαφορετικές φάσεις. Από τη σταθερότερη προς τη λιγότερο ενεργειακά ευνοημένη, οι φάσεις αυτές είναι η chair, η washboard και η boat. Μέσω προσομοιώσεων μονοαξονικής στατικής συμπίεσης, αποδείχθηκε ότι το chair graphane μπορεί να απορροφήσει την ενέργεια λόγω συμπίεσης και να την εκφράσει ως τοπική αλλαγή φάσης. Πιο συγκεκριμένα, εμφανίστηκε μία ενεργειακή προτίμηση στο σχηματισμό περιοχών washboard graphane, οι οποίες, σε συνδυασμό με τις chair περιοχές, συνιστούν περιοδικά υπερπλέγματα. Η περαιτέρω μελέτη των υπερπλεγμάτων αυτών ως προς τη συμπίεση παρουσιάζει διάφορες ενδιαφέρουσες μηχανικές ιδιότητες που εκφράζονται με το σχηματισμό νανομετρικών μοτίβων. Στο δεύτερο σκέλος της εργασίας παρουσιάζεται ένα πρόγραμμα εκτέλεσης ατομιστικών προσομοίωσεων Μοριακής Δυναμικής, με έμφαση σε ομοιοπολικά συστήματα, με τη χρήση του μοντέλου Tersoff. Κύρια χαρακτηριστικά του προγράμματος είναι η δυνατότητα εκτέλεσης προσομοιώσεων υπό σταθερή ενέργεια ή θερμοκρασία και η υποστήριξη περιοδικών συστημάτων. Επιπλέον, κατασκευάστηκε αλγορίθμος εξοικονόμησης υπολογιστικού χρόνου σύμφωνα με τη μέθοδο των συνδεδεμένων λιστών, καθιστώντας εφικτή την ατομιστική προσομοίωση συστημάτων με μερικές χιλιάδες άτομα χρησιμοποιώντας έναν οποιοδήποτε σύγχρονο προσωπικό υπολογιστή. Για την εξέταση της ορθότητας των αποτελεσμάτων, παρουσιάζεται μία σειρά δοκιμαστικών προσομοιώσεων και η αντιπαραβολή τους με έγκυρα δεδομένα αναφοράς. Τέλος, ο αλγόριθμος εφαρμόζεται για τη μελέτη χαρακτηριστικών συστημάτων άνθρακα και πυριτίου.

In this thesis, two different computational methods for the study of carbon nanosystems are presented and applied. The first method corresponds to first principles calculations according to the Density Functional Theory. The calculations where performed using the VASP code, implemented on the HellasGrid computing infrastructure, with focus on systems of hydrogenated graphene, which is referred to as graphane. According to theoretical calculations, graphane exists in three different phase, the chair, washboard and boat conformers, listed from the most stable to the least energetically favored. Through static compression simulations, it has been proved that the chair conformer of graphane chooses to absorb the energy due to compression and convey it to local phase transformations. To be more precise, an energy preference for the formation of washboard graphane strips has emerged. These strips, combined with chair graphane strips, form periodic superlattices. Further compression analyses of the resultant superlattices reveal interesting mechanical properties that are manifested with the formation of nanometric patterns. In the second part of this thesis, a Molecular Dynamics simulation program is presented, with emphasis on covalent systems, using the Tersoff potential. Key features of this program are the options for constant energy (NVE) or temperature (NVT) simulations and the support of periodical systems. Moreover, a time-saving algorithm is implemented based of the linked-list cells approximation for the spatial decomposition of the system. The implementation of this algorithm makes possible the execution of simulations with a few thousands of atoms using a standard, modern personal computer. For the validation of the program, a series of benchmarking simulations are carried out and compared with valid literature data. Finally, the algorithm is applied for the study of typical systems containing carbon and silicon in various forms.