Υπολογιστική μελέτη μίκρο- και νάνο- φωνονικών υλικών
Authors: Κωνσταντοπούλου Αριάδνη 
Published: September 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή απαρτίζεται από τέσσερα μέρη και οκτώ κεφάλαια. Στο Α΄ Μέρος εμπεριέχονται τα Κεφάλαια 1 και 2. Στο Κεφάλαιο 1, αναλύονται θεωρητικοί ορισμοί φωνονίων, φωνονικών κρυστάλλων, κατηγορίες αυτών καθώς και τα χημικά στοιχεία/χημικές ενώσεις που χρησιμοποιήθηκαν στους υπολογισμούς των μίκρο- και νάνο- φωνονικών υλικών στα παρακάτω κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 2, παρουσιάζονται και αναλύονται οι υπολογιστικές και αριθμητικοί μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για τις υπολογιστικές προσομοιώσεις της διατριβής. Αυτές είναι: η μέθοδος Πεπερασμένων Διαφορών στο Πεδίο του χρόνου (Finite Difference Time-Domain (FDTD)) και προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής που εκτελέστηκαν με χρήση του υπολογιστικού πακέτου Lammps.Στο Β΄ Μέρος παρουσιάζεται η υπολογιστική μελέτη των μίκρο- φωνονικών υλικών. Το μέρος αυτό αποτελείται από τα κεφάλαια 3 και 4. Στο Κεφάλαιο 3, μελετήθηκε αριθμητικά η συμπεριφορά της δομής Yablonovite ως υποψήφιος φωνονικός κρύσταλλος. Οι υπολογισμοί διεκπεραιώθηκαν χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Πεπερασμένης Διαφοράς στο Πεδίο του Χρόνου (Finite Difference Time Domain (FDTD)). Εξετάστηκαν διάφορα υλικά, τα οποία αποτελούσαν τις ράβδους της δομής, με σκοπό να ελεγχθεί η ικανότητα της προτεινόμενης δομής να συμπεριφέρεται ως φωνονικός κρύσταλλος. Επιπρόσθετα, ερευνήθηκε εάν η συμπεριφορά της επηρεάζεται από τις γεωμετρικές παραμέτρους. Εξετάστηκε, επίσης, η δομή Yablonovite που σχηματίζεται από ράβδους αέρα μέσα σε ένα υλικό ξενιστή (host material: υλικό όπου μέσα σε αυτό βρίσκεται η υπό μελέτη δομή) . Τα αποτελέσματα δείχνουν σαφώς ότι η προτεινόμενη δομή θα μπορούσε να θεωρηθεί ως μια επαρκής υποψήφια δομή φωνονικού κρυστάλλου με πολλές πιθανές εφαρμογές. Όσον αφορά τη σχετική δομή Yablonovite, η οποία έχει ήδη μελετηθεί ως φωτονικός κρύσταλλος, γίνεται φανερό ότι αυτή η δομή έχει υψηλή τεχνολογική σημασία στον τομέα της ακουστικής φυσικής. Στο Κεφάλαιο 4, εξετάστηκε αριθμητικά μια τρισδιάστατη δομή που εμπνεύστηκε από τη γνωστή δομή Yablonovite με την προσθήκη σφαιρών. Οι υπολογισμοί εκτελέστηκαν υπολογιστικά χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Πεπερασμένης Διαφοράς στο Πεδίο του Χρόνου. Ερευνήθηκαν διάφορα υλικά από τα οποία αποτελείται η δομή. Επιπλέον, διερευνήθηκε πώς η αλλαγή της ακτίνας τόσο στις ράβδους όσο και στις σφαίρες επηρέασε την συμπεριφορά της. Τα αποτελέσματα δείχνουν σαφώς ότι η δομή έδωσε τεράστιες διαφορές στα φωνονικά χάσματα, καθιστώντας έτσι εμφανές ότι πρόκειται για επιστημονική καινοτομία στον τομέα των φωνονικών κρυστάλλων.Στο Γ΄ Μέρος παρουσιάζεται η υπολογιστική μελέτη των νάνο- φωνονικών υλικών. Το μέρος αυτό αποτελείται από τα κεφάλαια 5 και 6. Στο Κεφάλαιο 5, μελετήθηκαν μεγάλης κλίμακας μονοστρώματα από διχαλκογενίδια μέταλλα μετάπτωσης (monolayer transition metal dichalcogenides (TMDM)) χρησιμοποιώντας μοριακή δυναμική και ημι-εμπειρικά δυναμικά. Το επίκεντρο της μελέτης ήταν η τροποποίηση του φωνονικού φάσματος των TMDMs με μηχανικές υποκαταστάσεις, παράγοντας φωνονικούς συντονιστές/αντηχητές και κυματοδηγούς σε ατομική κλίμακα. Οι αντηχητές μπορούν να συντονιστούν εφαρμόζοντας εφελκυσμό ή θλιπτικές καταπονήσεις. Τα TMDMs εμφάνισαν μεγάλα χάσματα φωνονικών ζωνών (PBG) επειδή αποτελούνται από άτομα με πολύ διαφορετικές ατομικές μάζες. Τα PBGs από τους παρόντες ημι-εμπειρικούς υπολογισμούς βρέθηκαν σε λογική συμφωνία με τους προηγούμενους ab-initio υπολογισμούς. Το πρόβλημα είναι πολύ ευρύ, αφού πολλές ποικιλίες TMDMs (με ή χωρίς υποκαταστάσεις) μπορούν να κατασκευαστούν. Η παρούσα μελέτη επικεντρώθηκε στα σύνθετα MX2, όπου το Μ να είναι Mo ή W και το Χ να είναι S ή Se. Η πιο ενδιαφέρουσα συμπεριφορά βρέθηκε στο WS2 με υποκατάστασεις είτε S με Se, είτε W με Mo. Στο Κεφάλαιο 6, εξετάστηκαν με τη χρήση μοριακής δυναμικής, μεγάλης κλίμακας νανοδομημένα διχαλκογενoνίδια μέταλλα μετάπτωσης (TMDCs). Η μελέτη επικεντρώθηκε στον υπολογισμό των θερμικών αγωγιμότητων των κρυστάλλων MX2 με μη ατελή αντίγραφα, με σκοπό την εκτίμηση των αποτελεσμάτων της διαμόρφωσης αυτών των κρυστάλλων με λωρίδες ατελειών υποκατάστασης. Έχει εξετασθεί η επίδραση πολλών παραμέτρων σχεδίασης, όπως ο αριθμός και το πάχος των λωρίδων ατελειών, η απόσταση διαχωρισμού μεταξύ διαδοχικών λωρίδων, η χημεία των κρυστάλλων MX2, καθώς και οι τύποι ατελειών υποκατάστασης. Η θερμική αγωγιμότητα των κρυστάλλων καθαρού (χωρίς ατέλειες) MX2 συσχετίζεται με το πλάτος του χάσματος της φωνονικής ζώνης. Οι κρύσταλλοι με λωρίδες υποκατάστασης ατελειών παρουσιάζουν ασυνεχή προφίλ θερμοκρασίας με παρόμοια χαρακτηριστικά, ενώ το αποτέλεσμα γίνεται ασθενέστερο με την αύξηση της πυκνότητας των ατελειών. Η θερμική αγωγιμότητα των μορφοποιημένων κρυστάλλων είναι πολύ χαμηλότερη από εκείνη των καθαρών κρυστάλλων και αυξάνει με τον αυξανόμενο αριθμό των περιοδικών λωρίδων ατελειών.Στο Δ΄ Μέρος παρουσιάζεται η σύνοψη και τα συμπεράσματα που απορρέουν από την παρούσα διδακτορική διατριβή. Το μέρος αυτό αποτελείται από τα κεφάλαια 7 και 8. Στο Κεφάλαιο 7, παρατίθονται τα συμπεράσματα και η συμβολή στην έρευνα και την επιστήμη της υπολογιστικής μελέτης των μίκρο- και νάνο- φωνονικών υλικών. Στο Κεφάλαιο 8, δίνεται η πλήρης λίστα με τις δημοσιεύσεις που έγιναν ή έχουν υποβληθεί σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά, συνέδρια και ομιλίες συνεδρίων.