Computational methods on structural properties of nanostructures

Abstract

This dissertation presents a comprehensive study of computational physics and material science, bridging the gap between theoretical foundations and practical applications in nanoscale phenomena. The work is structured in three main parts: computer science fundamentals, computational physics methods, and research contributions through case studies. The first part establishes the computational framework, covering algorithms, computer hardware, and infrastructure necessary for modern computational physics. The second part delves into specific computational methods including density functional theory (DFT), molecular dynamics simulations, and machine learning interatomic potentials. The third part demonstrates the practical application of these methods through original research contributions in nanowires, phonon diffraction, and pharmaceutical molecule modeling.Key findings include novel insights into hydrogen passivation effects in Ga doped ZnO nanowires, demonstration of phonon interference phenomena using nanometric features, anddevelopment of machine learning approaches for interatomic potential modeling. The workadvances our understanding of computational approaches to nanoscale physics and providespractical tools for future research in computational material science. The dissertation contributes to the field through peer-reviewed publications and demonstrates the power of combining theoretical understanding with computational implementation to solve complex physical problems at the nanoscale.

Αυτή η διατριβή παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη μελέτη της υπολογιστικής φυσικής καιεπιστήμης υλικών, γεφυρώνοντας το χάσμα μεταξύ θεωρητικών θεμελίων και πρακτικών εφαρμογών σε φαινόμενα νανοκλίμακας. Η εργασία δομείται σε τρία κύρια μέρη: θεμέλια της επιστήμης υπολογιστών, μεθόδους υπολογιστικής φυσικής, και ερευνητικές συνεισφορές μέσω μελετών περιπτώσεων. Το πρώτο μέρος θέτει το υπολογιστικό πλαίσιο, καλύπτοντας αλγόριθμους, υλικό υπολογιστών, και την υποδομή που είναι απαραίτητη για τη σύγχρονη υπολογιστική φυσική. Το δεύτερο μέρος εμβαθύνει σε συγκεκριμένες υπολογιστικές μεθόδους συμπεριλαμβανομένης της θεωρίας συναρτησιακής πυκνότητας (DFT), προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής, και δυναμικών μηχανικής μάθησης για διατομικές αλληλεπιδράσεις. Το τρίτο μέρος επιδεικνύει την πρακτική εφαρμογή αυτών των μεθόδων μέσω πρωτότυπων ερευνητικών συνεισφορών σε νανοσύρματα, διάθλαση φωνονίων, και μοντελοποίησηφαρμακευτικών μορίων. Τα κύρια ευρήματα περιλαμβάνουν νέες γνώσεις σχετικά με τις επιδράσεις της παθητικοποίησης υδρογόνου σε νανοσύρματα ZnO νοθευμένα με Ga, επίδειξη φαινομένων συμβολής φωνονίων χρησιμοποιώντας νανομετρικά χαρακτηριστικά, και ανάπτυξη προσεγγίσεων μηχανικής μάθησης για τη μοντελοποίηση διατομικών δυναμικών. Η εργασία προωθεί την κατανόησή μας των υπολογιστικών προσεγγίσεων στη φυσική νανοκλίμακας και παρέχει πρακτικά εργαλεία για μελλοντική έρευνα στην υπολογιστική επιστήμη υλικών. Η διατριβή συνεισφέρει στο πεδίο μέσω δημοσιεύσεων με κριτές και επιδεικνύει τη δύναμη του συνδυασμού θεωρητικής κατανόησης με υπολογιστική υλοποίηση για την επίλυση σύνθετων φυσικών προβλημάτων σε νανοκλίμακα.