انجام پایان نامه نانومحاسبات

تئوری تابعی چگالی (Density Functional Theory - DFT) یکی از کارآمدترین روش های محاسباتی سیستم های بس ذره ای است و این به دلیل کارایی محاسباتی بالای آن، کاهش حجم محاسبات و دقت خوب آن در مقایسه با سایر روش ها است. اهمیتDFT  هنگامی روشن تر می شود که بدانیم به خاطر آن جایزه نوبل شیمی در 1998 به کوهن یکی از بنیان گذاران آن داده شده است. کوهن و شم یک دستگاه فرضی شامل الکترون هایی که هیچ برهم کنشی برهم ندارند را در نظر گرفتند و در نهایت به معادلاتی رسیدند که با آن ها به صورت خود-سازگار خواص حالت پایه دستگاه را محاسبه کردند. پیدا کردن این انرژی به صورت کلی امکان ندارد بنابراین باید از روشهای تقریبی استفاده کرد که بعضی از این تقریب ها، تقریب چگالی موضعی (LDA) و تقریب شیب تعمیم یافته (GGA) است.

 

همانگونه که در شکل بالا(رشد خیره کننده ی انتشار مقالات مبتنی بر تئوری تابعی چگالی در سالهای اخیر) دیده می شود DFT انقلابی در عرصه ی مطالعه ی تئوری جامدات و درشت مولکول ها پدید آورده و در سالهای اخیر رشد چشمگیر و فزاینده ای در بررسی خواص مواد و طراحی مواد جدید داشته است.  تلاش های بسیاری جهت افزایش دقت محاسباتی مبتنی بر DFT انجام شده و به مدد توسعه ی سخت افزارهای کامپیوتری و افزایش توان پردازشی کامپیوترهای محاسباتی در دو دهه ی گذشته، امکان مطالعه ی سیستم ها و ساختار های بزرگتر و پیچیده تر را فراهم کرده است دقت بالای پیشبینی های مبتنی بر روش های ابتدا به ساکن پیرامون خواص مواد گوناگون از دو جهت اهمیت بالایی می یابد. اولا، به شناخت دقیق پدیده ی در حال وقوع کمک می کند، ثانیا در مقابل کارهای آزمایشگاهی هزینه ی بسیار پایینی دارد. از آنجایی که کارهای تجربی  بسیار سخت و پر هزینه می باشند، ثابت شده است که استفاده از روش های تئوری و شبیه سازی های کامپیوتری استراتژی بسیار موئثری در جهت کاهش هزینه و زمان صرف شده در جهت بررسی مواد گوناگون می باشد.

 

پروژه های قابل اجرا برای انجام پایان نامه :

پایان نامه نانومحاسبات در بررسی خواص مکانیکی نانوساختارها (نانولوله- نانوریبون- صفحات- ساختارهای بالک)

 پایان نامه ارشد نانومحاسبات بررسی خواص الکتریکی نانوساختارها

بررسی خواص اپتیکی نانوساختارها

محاسبه ی ترابرد الکتریکی و اسپین ترونیک نانوساختارها

بررسی جذب فیزیک و شیمیایی

      1- بررسی خواص مکانیکی نانوساختارها (نانولوله- نانوریبون- صفحات- ساختارهای بالک):

تولید فلزات و آلیاژهایی با اندازه کم‌تر از 100 نانومتر باعث دستیابی به موادی با استحکام بسیار بالا شده است. در واقع کوچک کردن دانه‌ها در مواد، ابزار قدرتمندی است تا ساختارهایی با خواص مکانیکی عالی تولید گردد. در بررسی خواص مکانیکی مواد نانوساختار مشکلات زیادی از جمله عدم امکان تهیه نمونه مطلوب، وجود تخلخل و میکروترک، تنش‌های داخلی شدید، وجود ناخالصی‌ها و گازهای حبس شده و نیز عدم امکان ارزیابی برخی کمیت‌ها، نظیر اندازه‌گیری کرنش به دلیل کوچک بودن نمونه‌ها وجود دارد. وجود چنین مشکلاتی باعث شده تا داده‌های آزمایشگاهی مربوط به خواص مکانیکی برای این گروه از مواد محدود باشد. از همین روی محاسبه ی دقیق تئوری این خواص با روش DFT در بررسی خواص اینگونه مواد می تواند بسیار حائز اهمیت باشد. برخی از مهمترین خواص مکانیکی در زیر لیست شده است.

  • ضرایب الاستیک
  • مدول یانگ (Young's modulus)
  • مدول بالک (Bulk modulus)
  • مدول برشی (Shear modulus)
  • ضریب پوآسون (Poisson's ratio)
  • الاستیک-پلاستیک (Elastic-Plastic region)

لازم به ذکر است که این اطلاعات در قالب پروژه های انجام پایان نامه ارشد و دکتری دانشجویان کارشناسی ارشد رشته های مهندسی مکانیک، فیزیک و شیمی قابل تعریف و پیاده سازی بوده و به لحاظ جدید بودن و به روز بودن این دانش، به راحتی امکان چاپ مقالات متعدد در این حوزه وجود دارد. برای محاسبه ی این پارامتر های می توان از بسته های محاسباتی بسیار پرقدرت و دقیقی به نام های Quantum ESPRESSO و Siesta بهره برد.

نمونه مقالاتی که در این حوزه منتشر شده اند:

  • Miller, David C., Mauricio Terrones, and Humberto Terrones. "Mechanical properties of hypothetical graphene foams: Giant Schwarzites." Carbon 96 (2016): 1191-1199.
  • Wu, Guo Xun, et al. "Mechanical and Electrical Properties of TiN with Stacking Fault: A DFT Study." Applied Mechanics and Materials. Vol. 727. Trans Tech Publications, 2015.
  • Peng, Qing, Zhongfang Chen, and Suvranu De. "A density functional theory study of the mechanical properties of graphane with van der Waals corrections." Mechanics of Advanced Materials and Structures 22.9 (2015): 717-721.

 

    2- بررسی خواص الکتریکی نانوساختارها

میزان رسانایی الکترونیکی در مواد جامد بسیار متنوع است. بر اساس میزان مقاومت مواد در عبور جریان الکتریکی، مواد مختلف را می‌توان به دسته‌های مختلف رسانا، نیمه رسانا و عایق دسته‌بندی کرد. ساختار نواری یعنی ترازهایی از انرژی که الکترون می‌تواند در آنها حضور داشته باشد و با حضور نداشته باشد. به مناطقی که الکترون نمی‌تواند حضور داشته باشد منطقه ی ممنوعه، گاف نواری یا Band Gap میگویند. امروزه تئوری تابعی چگالی (DFT) به یکی از رایجترین روش های بررسی خواص الکتریکی نانوساختار ها و ساختار های بلوری تبدیل شده است و توسعه ی متد ها و تقریب های محاسباتی منجر به افزایش دقت این محاسبات گردیده است. برخی از اطلاعاتی را که می توان از این رهیافت استخراج کرد در زیر مشاهده می کنید:

  • رسم ساختار نواری (BandStructure)
  • محاسبه ی گاف نواری (Band gap)
  • رسم چگالی حالت ها (DOS)
  • تاثیر ناخالصی بر خواص الکتریکی
  • تاثیر نقص بلوری بر خواص الکتریکی

در حال حاضر پروژه های بسیاری در قالب پایان نامه های دکتری و ارشد برای داشنجویان تحصیلات تکمیلی رشته های فیزیک، شیمی و مهندسی مواد جهت بررسی خواص الکتریکی مواد بلوری و نانوساختار های تعریف شده و به یکی از زمینه های بسیار محبوب در میان اساتید و دانشجویان کارشناسی ارشد این رشته در آمده که منجر به هجوم محققین به این علم نوین گردیده است. به دلیل وسعت بسیار زیاد این حوزه، انتشار مقاله در ژورنال های بسیار معتبر به سادگی امکانپذیر است. نرم افزارهای مختلفی می توانند این پارامترها را محاسبه کنند که از پرکاربردترین آنها Quantum ESPRESSO و Siesta می باشند.

نمونه مقالاتی که در این حوزه منتشر شده اند:

  • Silva, Juliana CM, Heitor A. De Abreu, and Hélio A. Duarte. "Electronic and structural properties of bulk arsenopyrite and its cleavage surfaces–a DFT study." RSC Advances 5.3 (2015): 2013-2023.
  • Park, Changwon, et al. "Electronic Properties of Bilayer Graphene Strongly Coupled to Interlayer Stacking and an External Electric Field." Physical review letters 115.1 (2015): 015502.
  • Rossi, Antonio, et al. "Nano-Scale Corrugations in Graphene: A Density Functional Theory Study of Structure, Electronic Properties and Hydrogenation." The Journal of Physical Chemistry C 119.14 (2015): 7900-7910.

 

 

    3- بررسی خواص اپتیکی نانوساختارها

در سال های اخیر طراحی و ساخت لایه های نازک رسانای شفاف چند لایه ای و تک لایه ای مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرار گرفته است. لایه های نازک رسانای شفاف، به دلیل دارا بودن خواص الکتریکی، اپتیکی و ساختاری منحصر به فرد، کاربردهای فراوانی در صنایع الکترونیکی و الکترونیک نوری دارند. از آن ها به عنوان آینه های بازتاب دهنده ی گرما در پنجره های ساختمان، سلول های خورشیدی معدنی و آلی، دیودهای نورگسیل، گرم کنی های سطحی برای شیشه ی اتومبیل ها و حسگرها استفاده می شود. بسیاری از این خواص از تابع دی الکتریک که به روش DFT قابل محاسبه است، استخراج می گردند. برخی از این خواص در زیر آورده شده اند:

  • خواص اپتیکی، محاسبه ی قسمت حقیقی و موهومی تابع دی الکتریک
  • محاسبه ی ضریب بازتاب، عبور، شکست

دانشجویان رشته های فیزیک، شیمی و مهندسی مواد می توانند برای انجام پایان نامه ارشد و یا دکتری خود برای انجام پروژه هایی را در حوزه ی ساختارهای نانو مورد استفاده در سلول های خورشیدی، دیودهای گسیلنده ی نوری و زمینه های مرتبط، به کمک رهیافت DFT و نرم افزارهای محاسباتی مربوطه انجام دهند. از مهمترین نرم افزارهایی که می توان به کمک آنها این پارامترها را با بهترین دقت محاسبه کرد می توان به کد محاسباتی Quantum ESPRESSO اشاره کرد که مقالات بسیار زیادی با آن در مجلات نیچر به چاپ می رسد.

نمونه مقالاتی که در این حوزه منتشر شده اند:

  • Berdiyorov, Golibjon R., and Mohamed El-Amine Madjet. "First-principles study of electronic transport and optical properties of penta-graphene, penta-SiC 2 and penta-CN 2." RSC Advances 6.56 (2016): 50867-50873.
  • Lashgari, Hamed, et al. "Electronic and optical properties of 2D graphene-like ZnS: DFT calculations." Applied Surface Science 369 (2016): 76-81.
  • Nath, Palash, D. Sanyal, and Debnarayan Jana. "Optical properties of transition metal atom adsorbed graphene: A density functional theoretical calculation." Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 69 (2015): 306-315.

 

 

 4- محاسبه ی ترابرد الکتریکی و اسپین ترونیک نانوساختارها

امروزه استفاده از قطعاتCMOS (نمیرسانا اکسید فلزی مکمل) در ابزارهای الکترونیکی امری کاملا متعارف است. پیشرفت CMOS اساسا متمرکز برکوچک سازی است به طوری که تعداد ترانزیستورهای مدارهای مجتمع هردو سال تقریبا دو برابر می شود ( این روند به قانون مور معروف است). قطعات CMOS  سرانجام به یک محدودیت فیزیکی دچار می گردند به این معنا که کوچک سازی بیشتر اساسا غیر ممکن خواهد بود. به طور خاص یک نامزد امیدوار کننده برای این جایگزینی اسپین ترونیک است و این به دلیل انطباق آن با فن آوری کنونی است. اسپین ترونیک ظهور یک نظم و انضباط جدید است که هدف آن انقلاب در زمینه فناوری اطلاعات با استفاده از اسپین است، به گونه ای که اطلاعات توسط اسپین انتقال یابد. یکی از ابزارهای مطالعه و طراحی مواد مناسب جهت کاربرد در اسپین ترونیک، رهیافت تئوری تابعی چگالی (DFT) می باشد که در سالهای اخیر مورد توجه محققین قرار گرفته است:

  • رسم نمودار ولتاژ-جریان (I-V)
  • محاسبه ی جریان اسپینی بالا و پایین
  • رسم ضریب عبور در پنجره ی ترابرد
  • محاسبه خواص ترابردی نانومواد، قبل و بعد از جذب گازهای مختلف جهت بررسی خواص سنسوری آنها
  • طراحی سنسورهایی بر مبنای نانوساختارها

پایان نامه های ارشد و دکتری متعددی در رشته ی مهندسی برق الکترونیک (بخصوص دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی) و رشته ی فیزیک جهت بررسی نانوساختارها برای کاربرد در اسپین ترونیک زمینه تعریف می شوند، همچنین دانشجویان شیمی و مهندسی مواد نیز جهت کاربردهای سنسوری و حسگری می توانند این گونه پروژه ها را برای پایانامه های خود تعریف کنند. از مهمترین نرم افزارهایی که در این زمینه از آنها بهره برده می شود نرم افزار معروف Siesta و پکیج ترابردی آن به نام TranSiesta می باشد که تا کنون 7 هزار مقاله ی علمی معتبر با این نرم افزار به چاپ رسیده اند.

نمونه مقالاتی که در این حوزه منتشر شده اند:

  • Zhu, Zhen, Zacharias G. Fthenakis, and David Tománek. "Electronic structure and transport in graphene/haeckelite hybrids: an ab initio study." 2D Materials 2.3 (2015): 035001.
  • García-Fuente, A., L. J. Gallego, and A. Vega. "Spin-polarized transport in hydrogen-passivated graphene and silicene nanoribbons with magnetic transition-metal substituents." Physical Chemistry Chemical Physics 18.32 (2016): 22606-22616.
  • Ma, Tengying, et al. "The transport properties of silicon and carbon nanotubes at the atomic scale: a first-principles study." Physical Chemistry Chemical Physics 18.34 (2016): 23643-23650.

 

     5- بررسی جذب فیزیک و شیمیایی

مواد در ابعاد نانو به دلیل افزایش سطح تماس، قدرت جذب بیشتری می یابند. دو کاربرد عمده ی جاذب ها در ابعاد نانو، استفاده جهت جذب مواد آلاینده مانند، آلاینده های زیست محیطی، مواد سمی و خطرناک و دیگری جذب مواد مورد نیاز جهت ذخیره سازی آنها مانند هیدورژن به عنوان جایگزین سوخت های فسیلی می باشد. حذف آلاینده های زیست محیطی از اهمیت زیادی برخوردار است. در گذشته برای حذف آلاینده ها از روش های وقت گیر و گرانقیمت استفاده می شد. در صنعت به کمک مقدار کمی از نانو جاذب ها می توان حجم قابل توجهی از آلاینده ها را به دام انداخت. دیگر موضوع ذخیره سازی هیدروژن به عناون یه منبع سوختی است. تکنولوژی‌های ذخیره‌سازی هیدروژن را می‌توان به ذخیره‌سازی فیزیکی، که درآن مولکول‌های هیدروژن ذخیره می‌شوند (شامل ذخیره‌سازی هیدروژن خالص از طریق کمپرس (فشار) ومیعان (آبگونگی)، و ذخیره‌سازی شیمیایی که درآن هیدریدها ذخیره می‌شوند، تقسیم کرد. امروزه تئوری تابعی چگای (DFT) یکی از ابزارهای پرقدرت جهت مطالعه و طراحی بهترین جاذب ها جهت کاربردهای یاد شده می باشد که در زیر نمونه هایی از بحث های مورد بررسی در این زمینه ی علمی تیتروار عنوان شده است:

  • بررسی جذب فیزیکی گازها و مولکول ها بر روی نانوساختارها
  • بررسی جذب شیمیایی گازها و مولکول ها بر روی نانوساختارها
  • محاسبه ی مقدار بار انتقال یافته میان ماده ی جاذب و جذب شونده
  • طراحی جاذب های جدید برای جذب آلاینده های زیست محیطی
  • طراحی جاذب هایی جهت ذخیره سازی هیدروژن (Hydrogen Storage)
  • کپسوله کردن مولکول ها درون نانولوله ها، باکی بالها و ...
  • مطالعه ی کاتالیست ها و خواص جاذب ها

در این حوزه ی محاسباتی، می توان پایان نامه کارشناسی ارشد و دکتری بسیاری را در رشته های شیمی، فیزیک و مهندسی مواد تعریف کرد و با توجه به نزدیک به واقعیت بودن نتایج این محاسبات، امکان ادغام این پروژه با پروژه های تجربی و ارائه ی مشاوره به محققین تجربی وجود دارد. به خصوص به تازگی با افزایش دقت محاسبات DFT در حوزه مطالعه ی جذب با استفاده از تقریب vdW (برهمکنش وندوالس) در نرم افزارهای محاسباتی ای مانند Quantum ESPRESSO و Siesta نتایج بدست آمده دقت بسیار زیادی یافته و انتشار مقالات علمی در ژورنال های معتبر به سادگی امکان پذیر است.

نمونه مقالاتی که در این حوزه منتشر شده اند:

  • Carlotto, Silvia, et al. "Adsorption of CO and formation of carbonates at steps of pure and Co-doped SrTiO 3 surfaces by DFT calculations." Applied Surface Science 364 (2016): 522-527.
  • Silvestrelli, Pier Luigi, and Alberto Ambrosetti. "van der Waals corrected DFT simulation of adsorption processes on transition-metal surfaces: Xe and graphene on Ni (111)." Physical Review B 91.19 (2015): 195405.
  • Palotás, K., I. Bakó, and L. Bugyi. "Structural, electronic and adsorption properties of Rh (111)/Mo (110) bimetallic catalyst: A DFT study." Applied Surface Science 389 (2016): 1094-1103.

 توصیه رادمشاور به شما دانشجویان عزیز برای انجام پایان نامه ارشد و دکتری این است که از تجریه و تخصص محققین کارامند ما بهره ببرید. محققین ما با تجریه چند ساله در این حوزه تمام مراحل پروپزال,پایان نامه کارشناسی ارشد و یا دکتری شما را در بالاترین کیفیت انجام خواهند داد با استفاده از جدید ترین مقالات و ژورنالهای معتبر و ارائه ایده های بکر شما را در تمام مراحل یاری خواهند کرد.

JoomShaper