افزايش درك فيزيكي قطبش الكتريكي خودبه¬خودي: تركيب نظريه تابعي چگالي با يادگيري ماشين

كارشناسي ارشد

در سال‌هاي اخير، توجه به دستگاه‌هاي ساخته‌شده از مواد بس‌فروئيك به طور چشم‌گيري افزايش يافته است. در اين پژوهش موادي مانند فريت بيسموت (BiFeO3)كه يك ماده بس‌فروئيك است، تنگستن دي تلورايد (WTe2) كه يك نيمه فلز ويل است، و آلومينيوم نيتريد (AlN) كه يك ماده با ساختار وورتزيت است، مورد بررسي قرار گرفته‌اند. با توجه به افزايش توجه اخير به فلزات با قابليت فروالكتريك، در اين پژوهش از WTe2 به‌عنوان يك فلز فروالكتريك استفاده شده است. از آنجا كه قطبش الكتريكي يكي از ويژگي‌هاي كليدي در فيزيك و مهندسي محسوب مي‌شود، تمركز ما بر محاسبه قطبش الكتريكي براي مواد مختلف بوده است. براي ساختار BiFeO3، چينش اسپيني پادفرومغناطيس نوع G در نظر گرفته شد، كه نظم اين چينش براي اتم‌هاي آهن (Fe) در اين ساختار اهميت زيادي دارد. با استفاده از تقريب GGA+U و انتخاب پتانسيل هابارد برابر با حدود 4 الكترون‌ولت، قطبش الكتريكي خودبه‌خودي محاسبه گرديد. براي ساختار WTe2 نيز از چينش اسپيني فروالكتريك استفاده شد كه در آن تمامي اسپين‌ها هم‌جهت بودند. با توجه به اوربيتال‌هاي d در لايه ظرفيت اتم‌هاي تنگستن(W) ، اين اتم‌ها در ساختار WTe2 نقش مهمي ايفا مي‌كنند. در اين مورد نيز از تقريب GGA+U با مقادير پتانسيل هابارد برابر با 6، 6.5 و 7 الكترون‌ولت استفاده كرديم. همچنين، براي ساختار AlN كه يك نيمه‌هادي با گاف انرژي بالا است، قطبش الكتريكي محاسبه شد. پس از محاسبه قطبش خودبه‌خودي، هر يك از ساختارها تحت فشار هيدرواستاتيكي قرار گرفتند و مشاهده شد كه با افزايش فشار، مقدار قطبش الكتريكي نيز افزايش مي‌يابد. اين افزايش فشار و محاسبه خواص الكتروني تركيبات در فشارهاي بالا مي‌تواند به كشف مواد جديد با قابليت‌هاي بالقوه منجر شود. در مرحله بعد، براي ساختارهاي BiFeO3 و WTe2 ناخالصي‌ها وارد شدند. اخيراً تمركز زيادي بر ادغام اينديم (In) در مواد مختلف، به‌ويژه اكسيدهاي فلزات واسطه، شده است. اين علاقه به دليل تركيب مناسب، اندازه مناسب و ساختار الكتروني مطلوب اينديم است. در اين پژوهش، اتم In به‌عنوان ناخالصي براي جايگاه اتم Bi در BiFeO3 در نظر گرفته شد و محاسبات قطبش خودبه‌خودي براي تركيب InxBi1-xFeO3 انجام گرفت. اين تغييرات منجر به افزايش فروالكتريك و قطبش الكتريكي در اين ساختار شد. همچنين، در ساختار WTe2 اتم Fe به جايگاه W اضافه گرديد كه اين تغيير نيز منجر به افزايش نظم فرومغناطيس و بهبود قطبش الكتريكي خودبه‌خودي در ساختار FexW1-xTe2 شد. براي انجام اين محاسبات از ابرياخته‌ها استفاده شد كه تعداد اتم‌ها برابر باشد. با توجه به حجم سنگين محاسبات در روش نظريه تابعي چگالي، يك الگوريتم مبتني بر شبكه‌هاي عصبي مصنوعي با روش يادگيري عميق طراحي گرديد تا حجم محاسبات كاهش يابد. اين الگوريتم براي تركيب AlN به كار گرفته شد و نتايج پيش‌بيني قطبش الكتريكي نشان دادند كه استفاده از شبكه‌هاي عصبي مي‌تواند به‌طور قابل توجهي زمان محاسبات را كاهش داده و براي كاربردهاي مختلف بسيار مفيد باشد.

231310

دانشگاه اصفهان

فيزيك - فيزيك ماده چگال

سعيد جلالي اسدآبادي