יישום תורת פונקציונליות הכחדת להבין חומרי זכוכית חדשים

מה היא תורת תפקוד הכחשה?

תורת תפקוד הכחשה (DFT) היא שיטה מכנית קוונטית המשמשת לחקור את המבנה האלקטרוני של מערכות גוף רבות, במיוחד אטומים, מולקולות, ושלבים מזוהים. בליבתו, DFT מחליף את הגל המורכב של אלקטרו-אלקטרוני רב-תפקוד עם צפיפות האלקטרונית כמו המשתנה הבסיסי, צמצום דרמטי של עלות חישוב תוך שמירה על דיוק גבוה.

DFT הפך להיות עבודת מחקר של מדעי חומרים חישוביים כי זה פוגע איזון בין דיוק וכדאיות.בניגוד שיטות המבוססות על הגלים בקנה מידה רע עם גודל המערכת, DFT יכול לטפל באופן שגרתי במאות אטומים, מה שהופך אותו אידיאלי עבור מודלים חומרים מאומתים כגון משקפיים.

למה להשתמש DFT עבור חומרי זכוכית?

חומרי זכוכית הם אנפיריים מטבעם – הם חסרים את הסדר המחזורי הארוך של גבישים.הפרעה מבנית זו הופכת את המאפיין הניסויי שלהם מאתגר ויקר. DFT מציעה אלטרנטיבה עוצמתית על ידי מתן סימולציות אטום של רשתות לא מוגבלות, מתן תובנות שקשה או בלתי אפשרי להשיג באמצעות ניסויים לבד.

הבנה של מבנה אטומי ב-Nanoscale

עם DFT, החוקרים יכולים לבנות מודלים ריאליים של זכוכית על ידי הצבת אטומים בתיבת סימולציה מרגיע אותם תצורה מינימלית אנרגיה.תהליך זה ללכוד את הסדר הקצר והטווח הבינוני שמשלים תכונות מפתח.לדוגמה, סימולציות DFT של משקפיים סילקויים לחשוף את ההפצה של אטומי חמצן מתפתלים ולא מחוסנים, אשר ישירות עם מול מולטיקולנטיות כימית על ידי עמידות באופן שיטתית, כיצד כל אחד מפיץ יכול להשפיע על כל אחד ממולקולות זכוכית.

חיזוי נכסים אלקטרוניים ואופטימיים

חישובים DFT מספקים מידע מבנה אלקטרוני מפורט, כולל פערי להקה, צפיפות של מדינות, וספקטרה ספיגה אופטית.עבור חומרי זכוכית חדשים המיועדים לפוטניקה או אלקטרוניקה, תחזיות אלה להנחות את בחירת dopants וממריצים.לדוגמה, DFT שימש כדי לחקור משקפי גירגן עבור אופטים אינפרא אדום, בדיוק לשחזר מגמות ניסיוניות באינדקס וחלונות.

סימולציה של מבנים פגומים עם DFT

אחד ההיבטים המאתגרים ביותר של מדע הזכוכית הוא חוסר מבנה "מדינה שטוח" יחיד.משקפיים תופסים שפע של תצורה metastable, ו DFT עוזר לחקור את הנוף האנרגיה הזה. גישות נפוצות כוללות סימולציות להמיס, שבו שלבים נוזליים הם במהירות קרירים בסליקו, או השימוש בפוטנציאלים אמפיריים ואחריו DFTment.

Melt-Quench andlaxation Techniques

במחקר טיפוסי של היתוך DFT, נוזל הוא שווה בטמפרטורה גבוהה (למשל, 3000 K עבור אחליקטים), ולאחר מכן קריר צעד חכם לטמפרטורת החדר.המבנה האנמורפי וכתוצאה מכך הוא רגוע לחלוטין באמצעות DFT כוחות.תהליך זה מניב מודלים כי להתאים מקרוב פונקציות הפצה זוגות ניסיוניים ו נייטרון לפזר נתונים.

גודל תאים Simulation Cell Size

מכיוון ש-DFT הוא אינטנסיבי מבחינה חישובית, תאי סימולציה למשקפיים מוגבלים לעתים קרובות לכמה מאות אטומים.עם זאת, גודל זה הוא בדרך כלל מספיק כדי ללכוד מוטיבים מבניים מקומיים כגון טבעות, כלובים ותיאום פוליהדרה. כדי ללמוד אפקטים ארוכי טווח, גישות היברידיות משלבות DFT עם שדות כוח קלאסי או פוטנציאל למידה מכונה.

מפתחי נכסים משקיעים ב- DFT במשקפיים

החוקרים ליישם DFT למגוון רחב של מערכות זכוכית, החל משבטים מסורתיים ועד לחומרים מתעוררים כמו משקפיים מתכתיים, משקפי תחמוצת לסוללות מוצקות של מדינת השמש, וצוואר הזכוכית. להלן כמה מהנכסים החשובים ביותר שנחתקו באמצעות DFT.

תכונות מכניות: קשיחות ואליטות

על ידי חישוב קבועות אלסטיים מיחסי לחץ, DFT יכול לחזות את המודולולים של יאנג, רוב Modulus, ו Shear Modulus של מודל זכוכית.זה חיוני לתכנון זכוכית עם כוח גבוה או גמישות יוצאת דופן. לדוגמה, מחקרים DFT על משקפי אלומיניום קשרו את Al לתוכן לקישוריות גבוהה יותר ונוקשות.

סטיות וריצה של זכוכית

למרות שמעבר זכוכית הוא תהליך דינמי, DFT יכול לספק אינדיקטורים סטטיים כגון הבדלים אנרגיה תצורה בין שלבי amorphous ו גבישי. תובנות אלה עוזר להעריך את כוח הנהיגה התרמודינמי עבור התגבשות, אשר קריטי עבור יכולת יצירת זכוכית.

יכולת ייצור כימית ו-Ion Transport

עבור משקפיים המשמשים שתלים ביו-רפואיים או אי-יציבות פסולת גרעינית, עמידות כימית היא רב-חשיבות. DFT סימולציות של מים או ion diffusion דרך רשתות זכוכית לזהות אתרים פגיעים שבהם הידרוליזה או חסימה מתרחשת באופן דומה, עבור סימולציה של נתרן-יון (למשל, עבור סוללות אלקטרוליטים), DFT חושף מכשולים הגירה ונתיבים של colation.

מחקרים: DFT Applied to Novel Glass Materials

מחקרים אחרונים אחדים מדגישים את ההשפעה של DFT על מחקר זכוכית.

משקפיים של תצלום מיידי- infrared

משקפיים Chalcogenide (כולל S, Se, Te) הם פרס על השקיפות אינפרא אדום שלהם.DFT חישובים על ידי חוקרים באוניברסיטת קיימברידג 'נבא חדש Ge-As-Se יצירות עם ריכוזים פגומים מופחתים, המוביל לשיפור שידור. תחזיות אלה היו מאובחנות ניסיונית, מדגים את תפקידו של DFT בגילוי מאיץ.

משקפיים עם מהירויות משופרות

משקפיים מתכתיים (BMGs) סובלים מדמיות DFT על BMG מבוסס Zr חשפו כי תוספת של כמויות קטנות של מתכות אציליות (למשל, Pd) משנה סדר קצר טווח, דיכוי היווצרות של להקה Shear.This הובילה לתכנון של דוקטריליה BMG עם קשיחות.

Lithium-Ion Conducting Glass אלקטרוליטים

סוללות מוצקות המדינה דורשות אלקטרוליטים עם מוליכות גבוהה ionic.DFT מחקרים על ליתיום ליתיום סליציט ומכסה phosphorus oxynitride (LiPON) זוהה כי הגדלת היחס של חמצן לא פולשני משפר את Liffusion. חוקרים השתמשו DFT כדי למפות את הנוף האנרגיה עבור ריצוף, המוביל לגילוי של זכוכית חדשה עם התנהגות 1 / mS בטמפרטורה.

הצצה ל DFT עם שיטות ניסיוניות

הגישה החזקה ביותר משלבת DFT בניסויים.DFT יכולה לפרש נתונים ספקטרוסקופיים (NMR, XPS, Raman) על ידי הדמיה של ספקטרום מבניים מקודדים.

לדוגמה, בפיתוח של משקפיים עמידים לקרינה עבור פסולת גרעינית, DFT שימש למסך מאות שילובים מודולים, ורק המועמדים המובילים היו מסונתזים ונבדקו.גישה זו קיצצה את זמן הפיתוח על ידי מספר חודשים.

אתגרים ומגבלות של DFT למשקפיים

למרות כוחו, DFT יש מגבלות כאשר חלים על משקפיים. פונקציונליות סטנדרטית (למשל, LDA, GGA) עשוי להמעיט פערי הלהקה או לא לקחת בחשבון אינטראקציות ואן דר וואל, אשר יכול להיות חשוב במערכות זכוכית מסוימות.

אתגר נוסף הוא הגודל הסופי של תאי סימולציה, אשר עשויים לא ללכוד את ההטרוגניות המבנית הנוכחית במשקפיים אמיתיים.בנוסף, DFT היא שיטה של מדינת קרקע, כך ללמוד תכונות תלויות טמפרטורה (למשל, קוצר) דורש הפיכה עם דינמיקות מולקולרית או טכניקות מונטה קרלו.

כיוונים עתידיים

העתיד של DFT במדעי הזכוכית הוא בהיר, מונע על ידי התקדמות באלגוריתמים וחומרה מחשוב.פוטנציאלים של למידת מכונות המוכשרים על נתונים DFT עכשיו לאפשר סימולציות של מיליוני אטומים עם דיוק DFT קרוב.זה יאפשר מחקרים של הרפיה מבנית, שבר, ו ion תחבורה מעבר למאזניים רלוונטיות למכשירים אמיתיים.

יתר על כן, פיתוח של ההרחבה:0 (0) ,התדרומי DFT עבור הקרנה גבוהה באמצעות חישוב 1 הוא צפוי להאיץ את גילוי יצירות זכוכית חדשניות. בשילוב עם רובוטים וניסויים אוטומטיים, עיצוב זכוכית מונע DFT יכול להפוך לשגרה ב R& תעשייתי;D.

מסקנה

תורת תפקוד הכחשה שינתה את ההבנה שלנו של חומרי זכוכית חדשים על ידי מתן תובנות בקנה מידה אטומי המשלימות והמדריך מאמצים ניסיוניים.מנבא הסדרים אטומיים ונכסים אלקטרוניים כדי להאיץ את גילוי משקפי ביצועים גבוהים לאנרגיה, אופטיקה, ו biomedicine, DFT הוא כלי חיוני בחומרים מודרניים.כפי ששיטות חישוביות ממשיכות להתפתח, סינרגיה בין DFT וניסוי יפתחו עוד יותר תכונות טכנולוגיות מותאמות מחר.

עבור אלה המעוניינים לצלול עמוק יותר, ה-FLT:0 [Materials היום מאמר על ab Initio מודלים של amorphous מוצקsFLT:1] מציע סקירה מקיפה של טכניקות ויישומים. חוקרים המבקשים ליישם DFT על מערכות הזכוכית שלהם יכול להתחיל עם קוד פתוח כגון ESעיתונות קוונטית, VASP, או CP2K.