Προσδιορισμός διατομικών αλληλεπιδράσεων με νευρωνικά δίκτυα και DFT υπολογισμούς με εφαρμογή σε υλικά όγκου και επιφάνειες
Creators: name: Δραγατσίκας Ιωάννης Ανδρέα
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Μοριακή δυναμική
Μοριακές Προσομοιώσεις
Διατομικά Δυναμικά
DFT, Density Functional Theory
Neural Network
LAMMPS, Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator.

description: Στην παρούσα διπλωματική, αρχικά επισημαίνεται ο σημαντικός ρόλος της μελέτης του ανθρώπου σε νέα υλικά, από την στιγμή που άρχισε να ανακαλύπτει και να παρατηρεί μέχρι και την ανάγκη του που δημιουργήθηκε για συστηματική και αποτελεσματική έρευνα στον τομέα της μοριακής δυναμικής. Πραγματοποιείται μία πλήρης ανασκόπηση που αφορά την μετάβαση από τις πρώτες προσεγγίσεις: Born – Oppenheimer και Hartree – Fock, μέσω της θεωρίας DFT που περιγράφεται από τις εξισώσεις Kohn – Sham, μέχρι και τις πιο πρόσφατες υπολογιστικές μεθόδους οι οποίες ανάλογα με την προσέγγιση στην μεταβολή του χρόνου κατατάσσονται ως εξής: Tight – Binding Approximation, Bond – Order Potentials, Molecular Dynamic, Monte Carlo, Conjugate Gradient Techniques, Finite Element και Continuum Mechanics και περιγράφονται αναλυτικά. Στην συνέχεια και αφού έχει τεθεί το πρόβλημα ενός συστήματος πολλών σωμάτων με την σχετική αναφορά στα σημαντικότερα σημεία και πρόσωπα που έπαιξαν καίριο ρόλο στην εξέλιξη της μοριακής δυναμικής, γίνεται αναφορά στα κλασικά διατομικά δυναμικά, τα αναφερόμενα και ως ψευδοδυναμικά: Lennard – Jones, Stillinger – Weber, Tersoff και πως αυτά λειτουργούν με στόχο την περιγραφή των δυνάμεων μεταξύ ατόμων, όπως επίσης και την περιγραφή ενός διατομικού δυναμικού που προκύπτει μέσω της εκπαίδευσης νευρωνικού δικτύου. Τέλος, περιγράφεται το είδος των δεσμών μεταξύ Si και O στο διοξείδιο του πυριτίου (SiO2), καθώς και οι διαφορετικές κρυσταλλικές δομές που αναπτύσσονται σε διαφορετικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, ενώ για την μελέτη των ιδιοτήτων του χρησιμοποιείται η μέθοδος μοριακής δυναμικής, η οποία λαμβάνει χώρα μέσω του υπολογιστικού περιβάλλοντος LAMMPS και στοχεύει στον υπολογισμό των συναρτήσεων: Radial Distribution Function, Angular Distribution Function, Velocity Auto – Correlation και Phonon Density of States. Οι υπολογισμοί, αρχικά πραγματοποιούνται για το υλικό όγκου πυριτίου (bulk Si) και επιφάνεια Si με κρυσταλλική διεύθυνση (100) εφαρμόζοντας διατομικά δυναμικά Stillinger Weber και Tersoff για διαφορετικό αριθμό ατόμων και σε θερμοκρασία 300 Κ. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με αυτά των μεθόδων πρώτων αρχών, ab - initio, με σκοπό την επικύρωση της λειτουργίας της μεθόδου και στην συνέχεια γίνεται εφαρμογή για το SiO2, με χρήση διατομικού δυναμικού που προκύπτει από εκπαίδευση νευρωνικού δικτύου και θερμοκρασία 500 Κ. Εφαρμόζεται, αρχικά σε κρύσταλλο α – Χαλαζία με τρικλινές κρυσταλλικό πλέγμα και έπειτα σε επιφάνεια SiO2, με σκοπό την σύγκριση των αποτελεσμάτων
description: In this thesis, we first highlight the important role of human study of new materials, from the moment humans began to discover and observe them up to the natural need that eventually appeared for systematic and effective research in the field of molecular dynamics. A complete review is carried out concerning the transition from the first approaches: Born - Oppenheimer and Hartree - Fock, through the DFT theory described by the Kohn - Sham equations, to the most recent computational methods which, depending on the approach to time variation, are classified as follows: Tight - Binding Approximation, Bond - Order Potentials, Molecular Dynamics, Monte Carlo, Conjugate Gradient Techniques, Finite Element and Continuum Mechanics and are described in detail. After the problem of a many-body system has been posed with reference to the most important points and people who have played a key role in the development of molecular dynamics, reference is made to the classical diatomic potentials, also referred to as pseudo-potentials: Lennard - Jones, Stillinger - Weber, Tersoff and how they work in order to describe the forces between atoms, as well as the description of a diatomic potential obtained through the training of a neural network. Finally, the type of bonds between Si and O in silicon dioxide (SiO2) is described, as well as the different crystal structures that develop under different pressure and temperature conditions, while the molecular dynamics method is used to study its properties, which takes place through the LAMMPS computational environment and aims to calculate the Radial Distribution Function, Angular Distribution Function, Velocity Auto - Correlation and Phonon Density of States. The calculations, initially performed for bulk Si material and Si surface with crystalline direction (100) by applying Stillinger Weber and Tersoff cross-sectional potentials for different number of atoms and at a temperature of 300 K. The results are compared with those of first-principles methods, ab - initio, in order to validate the method's operation and then applied to SiO2, using a cross-sectional potential obtained by neural network training and at temperature of 500 K. It is applied, first on a - Quartz crystal with triclinic crystal lattice and then on SiO2 surface, in order to compare the results