Computational methods of materials properties analysis in the nanoscale

Abstract

The scope of this thesis is to demonstrate the important role of large-scale atomistic simulations for exploring nanoscale phenomena in various topics within the field of materials science. Approaches based on ab initio, atomistic spin dynamics and molecular dynamics simulations were used in order to provide insights regarding five selected case studies, in the topics of semiconducting properties, heat transfer in the nanoscale, phonon properties and magnetism. In the first case, ab initio and molecular dynamics simulations were performed for the investigation of a commonly observed type of dislocations in semipolar grown GaN. The structural configurations of the dislocation cores were determined by molecular dynamics simulations, followed by a detailed analysis of the impact of each to the electron bandstructure of the material by means of ab initio calculations. In the second case, the impact of the previously experimentally and theoretically observed segregation of In atoms to dislocation cores in InGaN alloys, to the thermal conductivity of the material, was studied with molecular dynamics simulations. The resulting values of thermal conductivity for this type of defect for varying In content, were compared to the respective values calculated for random and ordered pristne InGaN alloys with similar In content. The anisotropy of thermal conductivity as a function of In content for each case, and also the impact of temperature, were evaluated and compared for the above systems. In the third case, the phonon properties of YAG were explored by using ab initio calculations. Direct comparison with experimental values has demonstrated the validity of the method employed up to temperatures close to the melting point of the material. In the fourth case, the partial substitution of Sm with the inexpensive mischmetal alloy was analyzed with ab initio simulations, aiming for the optimization of the interplay between cost and performance, towards the exploration of more affordable and less commercially critical stoichiometries for the fabrication of permanent magnets. The properties of three related binary compounds were also evaluated for comparison. Finally, in the fifth case, the impact of Cr atoms to the magnetic properties of Ni@NiO core-shell nanoparticles was investigated by using an approach combining ab initio and spin dynamics simulations. The properties of the constituent materials were evaluated in their bulk form and were consequently used for the determination of their hysteresis loops. Ab initio simulations were also used for investigating structural and magnetic effects for a small Ni@NiO nanoparticle.

Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η παρουσίαση του σημαντικού ρόλου που έχουν οι ατομιστικές προσομοιώσεις ευρείας κλίμακας για τη διερεύνηση φαινομένων στη νανοκλίμακα σε ποικίλες θεματικές στον τομέα της επιστήμης των υλικών. Προσεγγίσεις βασισμένες σε προσομοιώσεις ab initio, δυναμικής των ατομιστικών spin και μοριακής δυναμικής χρησιμοποιήθηκαν για να εξάγουν συμπεράσματα σε πέντε επιλεγμένες μελέτες περίπτωσης, σε θέματα που αφορούν ιδιότητες ημιαγωγών, μεταφορά θερμότητας στη νανοκλίμακα, ιδιότητες φωνονίων και μαγνητικές ιδιότητες. Στην πρώτη μελέτη περίπτωσης, προσομοιώσεις ab initio και μοριακής δυναμικής πραγματοποιήθηκαν για τη διερεύνηση ενός είδους εξάρμοσης που παρατηρείται συχνά στο GaN που έχει αναπτυχθεί με ημιπολικό τρόπο ανάπτυξης. Οι δομικοί σχηματισμοί των πυρήνων των εξαρμόσεων καθορίστηκαν από τις προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, ακολουθούμενες από τη λεπτομερή ανάλυση της επίδρασης του κάθε ένα από αυτούς στο διάγραμμα ηλεκτρονιακών ζωνών του υλικού με χρήση ab initio προσομοιώσεων. Στη δεύτερη μελέτη περίπτωσης, η επίδραση του διαχωρισμού του In και της εναπόθεσής του στον πυρήνα των εξαρμόσεων που έχει παρατηρηθεί πειραματικά και θεωρητικά σε κράμματα InGaN, στη θερμική αγωγιμότητα του υλικού, μελετήθηκε με χρήση προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής. Οι τιμές της θερμικής αγωγιμότητας που προέκυψαν για αυτό το είδος της ατέλειας δομής για μεταβλητή περιεκτικότητα In, συγκρίθηκαν με τι αντίστοιχες τιμές που υπολογίστηκαν για κράματα InGaN με αντίστοιχη περιεκτικότητα In χωρίς ατέλειες δομής, όπου τα άτομα In βρίσκονται σε τυχαίες πλεγματικές θέσεις Ga, είτε σε αυτές που υπολογίστηκε από προηγούμενη θεωρητική μελέτη πως είναι ενεργειακά προτιμητέο. Η ανισοτροπία της θερμικής αγωγιμότητας σε συνάρτηση της περιεκτικότητας In για κάθε περίπτωση, καθώς και η επίδραση της θερμοκρασίας, υπολογιστηκαν και συγκρίθηκαν για τα παραπάνω συστήματα. Στην πέμπτη μελέτη περίπτωσης, οι ιδιότητες φωνονιών του YAG διερευνήθηκαν με χρήση υπολογισμών ab initio. Άμεση σύγκριση με πειραματικές τιμές ανέδειξε την εγκυρότητα της μεθόδου που χρησιμοποίηθηκε, σε εύρος τιμών έως και κοντά στο σημείο τήξης του υλικού. Στην τέταρτη μελέτη περίπτωσης, η μερική αντικατάσταση του Sm από το φθηνό κράμμα mischmetal αναλύθηκε μέσω προσομοιώσεων ab initio, με σκοπό τη βελτιστοποίηση της αναλογίας μεταξύ κόστους και απόδοσης, για την εύρεση στοιχιομετριών με χαμηλότερο κόστος και εμπορικό ρίσκο για την κατασκευή μόνιμων μαγνητών. Οι ιδιότητες τριών σχετικών δυαδικών κραμμάτων μελετήθηκαν για σύγκριση. Τέλος, στην πέμπτη περίπτωση, η επίδραση των ατόμων Cr στις μαγντικές ιδιότητες νανοσωματιδίων πυρήνα-φλοιού Ni@NiO διερευνήθηκε με συνδυαστική χρήση προσομοιώσεων ab initio και δυναμικής των spin. Οι ιδιότητες των επί μέρους υλικών υπολογίστηκαν στην bulk μορφή τους και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για τον καθορισμό των βρόχων υστέρησής τους. Προσομοιώσεις ab initio χρησιμοποιήθηκαν επίσης και για τη διερεύνηση δομικών και μαγνητικών φαινομένων σε ένα μικρό νανοσωματίδιο Ni@NiO.