Badania obliczeniowe w ramach teorii DFT struktury i właściwości fizycznych kryształów półprzewodnikow i metali
Prof. dr hab., profesor, Bohdan Andriyevskyy
Politechnika Koszalińska
I. Opis projektu
Obecnie, w nauce o materiałach i w zastosowaniach materiałów w elektronice (elektronika materiałowa), aktualnym jest poszukiwanie optymalnych składów pierwiastkowych kryształów i cienkich warstw materiałów półprzewodnikowych, powodujących lepsze charakterystyki przetworników fotowoltaicznych (na przykład Sb2Se3, które zostały zbadane w projekcie) i termoelektrycznych (na przykład Cu7P(S,Se)6, które zostały zbadane w projekcie). Osiągnięciu tego celu sprzyjają intensywne badania teoretyczno-obliczeniowe nowych i zmodyfikowanych materiałów. W związku z tym, takiego typu badania mogą mieć duży wpływ na poszukiwanie i wybór optymalnych składów dla praktycznych zastosowań. W trakcie takich badań udoskonalają się metody obliczeniowe do uzyskania określonych właściwości materiałowych. W projekcie obliczeniowym zostały zbadane także właściwości fononowe kryształów Rb2SO4 i Na2SO4 w celu dokładniejszej interpretacji odpowiednich doświadczalnych optycznych widm odbicia. Kontynuowane są także obliczenia stabilności strukturalnej α i β modyfikacji alotropowych galu (Ga) w celu interpretacji doświadczalnych transformacji strukturalnych w cienkich i grubych warstwach galu.
Słowa kluczowe: ciało stałe, kryształy, półprzewodniki, struktura elektronowa, fonony, transformacja fotoelektryczna, transformacja termoelektryczna
Powiązane projekty: obecny projekt obliczeniowy jest powiązany z projektem badawczym, wykonywanym w ramach subwencji Politechniki Koszalińskiej
II. Zastosowanie superkomputera
| Nazwa superkomputera |
| OKEANOS |
| Uzasadnienie użycia zasobów ICM UW |
| badania teoretyczno-obliczeniowe kryształów w ramach teorii DFT mogą być skutecznie wykonywane w rozsądnym czasie tylko z użyciem klasterów komputerowych o wystarczająco dużej mocy |
| Wymagania po stronie użytkownika |
| 1. szacowana liczba godzin obliczeniowych: 1000000 2. rodzaj wykorzystywanych zasobów: superkomputer Okeanos 3. biblioteki, narzędzia, oprogramowanie specjalistyczne, inne: VASP, CASTEP, oraz różne aplikacje Python’a |
| Osiągnięte korzyści |
| redukcja czasu obliczeń, przeprowadzenie badań na większych rozmiarach danych wartość dodana: korzyści (możliwość przeprowadzenia dynamiki molekularnej dużych układów atomów, rzędu 103 i więcej, w rozsądnym czasie), wynikające z wykorzystania sztucznej inteligencji (AI) przy obliczeniach, na przykład, za pomocą oprogramowania VASP |
III. Efekty projektu
Wykonano obliczenia struktury elektronowej, fononowej i właściwości fizycznych kryształów Sb2Se3, Rb2SO4, Na2SO4, domieszkowanych fosforem i borem kryształów krzemu (Si), trzech modyfikacji alotropowych kryształów galu (α, β, β’), oraz kryształów chalkogenidów Cu7P(S,Se)6 o strukturze argyrodytu w ramach teorii DFT za pomocą pakietów obliczeniowych VASP, CASTEP, Phonopy i AMSET. Otrzymane wyniki obliczeń właściwości fizycznych pokrywają się zadowalająco z odpowiednimi danymi referencyjnymi i/lub z wynikami doświadczalnymi. Część obliczeń została wykonana z wykorzystaniem dynamiki molekularnej. Zastosowano metodę nauczania maszynowego (machine learning) do obliczeń, w ramach dynamiki molekularnej, przewodnictwa cieplnego kryształów metodą Green-Kubo z wykorzystaniem oprogramowania VASP. Otrzymano jednak wyniki niezadowalające przy zastosowaniu tej metodyki do kryształów o niskim przewodnictwie cieplnym. W związku z tym, dla takich kryształów będą stosowane alternatywne metodyki obliczeniowe.
Dla kryształów Sb2Se3, Rb2SO4, Na2SO4, i domieszkowanych fosforem i borem kryształów krzemu (Si) wykonano obliczenia właściwości fononowych, w tym widm fononowych w dalekiej podczerwieni (30 – 600 cm-1). Obliczenia wykonane w związku z równoległymi badaniami doświadczalnymi optycznych widm odbicia tych że kryształów (lub warstw Sb2Se3) z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego (HZB BESSY, Berlin, Niemcy). Wyniki otrzymanych obliczeń zostały wykorzystane do analizy odpowiednich danych doświadczalnych i formułowania wniosków dot. badanych materiałów. Wyniki wykonanych obliczeń na superkomputerze Okeanos w roku 2025 zostały opublikowane w postaci czterech artykułów w indeksowanych przez MNiSW czasopismach.
[1] V. Stadnyk, B. Andriyevsky, I. Pryshko, L. Bychto, Z. Kohut, U. Schade, A. Veber, L. Puskar, R. Brezvin, Piezo-optical properties and infrared spectra of Rb2SO4 crystals, Optical Materials 157 (2024) 116320. 10.1016/j.optmat.2024.116320
[2] B. Andriyevsky, L. Bychto, A. Patryn, U. Schade, L. Puskar, A. Veber, N. Abrosimov, A. I. Kashuba, Investigations of free electrons in doped silicon crystals derived from far-infrared FT-IR measurements and ab initio calculations, Opto-Electronics Review 33 (2025)e153756 (1-8). doi.org/10.24425/opelre.2025.153756
[3] M. Ya. Rudysh, B. V. Andriyevsky, P. A. Shchepanskyi, M. Karkulovska, V. Yo. Stadnyk, L. Bychto, R. S. Brezvin, Optical refractive properties and phonon spectra of Na2SO4 single crystal, Optical Materials 166 (2025) 117228. DOI:/10.1016/j.optmat.2025.117228
[4] B. Andriyevsky, L. Bychto, A. Patryn, T. Razykov, B. Ergashev, K. Kouchkarov, R. Khurramov, D. Isakov, M. Pirimmatov, U. Schade, F. Ruske, A. Steigert, R. Schwiddessen, L. Puskar, A. Veber, A. I. Kashuba, M. Piasecki, The effect of non-stoichiometry in Sb2Se3 films on their phonon and electronic properties in the infrared range. Scientific Reports (2025) 15:33513, https://doi.org/10.1038/s41598-025-17551-8
IV. Graficzna prezentacja wyników
