Υπολογιστική μελέτη από πρώτες αρχές μοντέρνων δισδιάστατων υλικών - Μπουκουβάλα, Χριστίνα (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, 2017)
Η έρευνα στα δισδιάστατα υλικά έχει γνωρίσει τα τελευταία χρόνια μεγάλη ανά-πτυξη με την ανακάλυψη ολοένα και περισσότερων δισδιάστατων συστημάτων. Το ερέθισμα που προκάλεσε την μεγάλη αυτή άνθιση στην μελέτη τέτοιων υλικών ήταν οι εντυπωσιακές ιδιότητες του γραφενίου. Τα αναπτυσσόμενα δισδιάστατα συστήματα μπορεί να έχουν διάφορες δομές αλλά συνδέονται με ένα κοινό χαρακτηριστικό που ουσιαστικά εξασφαλίζει την σταθερότητά τους: την ανυπαρξία ελεύθερων ριζών στις δομές τους που δεν τους επιτρέπει να συνδεθούν με γειτονικά συστήματα, καταστρέ-φοντας έτσι την δισδιάστατη δομή τους. Όπως περιγράφεται στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας, η μελέτη μοριακών ή κρυ-σταλλικών δομών γίνεται με τη χρήση αλγορίθμων και υπολογιστικών μεθόδων, οι οποίες στοχεύουν, με διάφορες προσεγγίσεις, να περιγράψουν όσο το δυνατόν καλύ-τερα την πραγματική φύση των δομών. Οι υπολογιστικές, αυτές, προσομοιώσεις προσδιορίζουν τις ιδιότητες των υλικών, η γνώση των οποίων είναι απαραίτητη ώστε αυτά να αξιοποιηθούν σε διάφορες εφαρμογές. Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθη-καν κβαντομηχανικές υπολογιστικές μέθοδοι πρώτων αρχών, και συγκεκριμένα η θε-ωρία συναρτησιοειδούς πυκνότητας (Density Functional Theory, DFT). Η θεωρία DFT αναδεικνύεται μέσα από την περιγραφή προγενέστερων προσεγγίσεων στην επί-λυση του προβλήματος των πολλών σωματιδίων, όπως η προσέγγιση Hartree και η προσέγγιση Hartree-Fock. Στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφονται επίσης, το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε για την πραγματοποίηση των υπολογισμών, δηλαδή το Quan-tum Espresso, αλλά και η υπολογιστική υποδομή που αξιοποιήθηκε. Οι πολλά υποσχόμενες ιδιότητές των δισδιάστατων υλικών αποτελούν κίνητρο για την συνεχή μελέτη τους. Η κατηγοριοποίηση τους, οι μέθοδοι κατασκευής τους και οι μέθοδοι χαρακτηρισμού τους παρουσιάζονται συνοπτικά στο δεύτερο κεφάλαιο της εργασίας. Επίσης, γίνεται αναφορά σε κάποια βασικά δισδιάστατα υλικά και στις πιθα-νές εφαρμογές τους. Συγκεκριμένα, αναφέρονται το γραφένιο, το βοριονιτρίδιο, το γραφιτικό καρβίδιο του αζώτου, δομές βασισμένες στο πυρίτιο και το γερμάνιο και δομές που προκύπτουν από τοποτακτικούς μετασχηματισμούς. Οι εφαρμογές των πα-ραπάνω υλικών, αν και σε πειραματικό ή θεωρητικό ακόμα στάδιο, καλύπτουν ένα ευρύ πεδίο που περιλαμβάνει ηλεκτρονικά, μηχανικά αλλά και βιολογικά συστήματα. Έχοντας αναπτύξει το θεωρητικό υπόβαθρο και περιγράψει τα εργαλεία με τα οποία πραγματοποιούνται οι υπολογισμοί από τις πρώτες ενότητες της εργασίας, στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα των υπολογισμών για τα διάφορα αλλότροπα του άνθρακα. Στα συστήματα αυτά εξετάζονται βασικές ηλε-κτρονιακές ιδιότητες, όπως η πυκνότητα καταστάσεων και η μορφή των τροχιακών σθένους και αγωγιμότητας, ή και μαγνητικές ιδιότητες, όπως η πυκνότητα του σπιν. Μια βασική ομάδα δισδιάστατων υλικών που παρουσιάζουν ενδιαφέροντα χαρα-κτηριστικά είναι τα διχαλκογενίδια μετάλλων μετάπτωσης. Οι ενδιαφέρουσες ιδιότη-τες τους έγιναν η αφορμή για τη μελέτη της ευστάθειας και των ηλεκτρονιακών ιδιοτή-των μιας νέας οικογένειας υλικών που μοιάζουν με τα διχαλκογενίδια αλλά έχουν σαν χαρακτηριστικό την ύπαρξη της κυανομάδας, και ως εκ τούτου καλούνται δικυανίδια. Τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής παρουσιάζονται στο τέταρτο κεφάλαιο. Τέλος, ένας σημαντικός παράγοντας στην έρευνα των δισδιάστατων υλικών είναι ο χαρακτηρισμός τους με διάφορες μεθόδους, όπως το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM), το μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας (STM) και άλλες μέθοδοι που αναφέρο-νται στο δεύτερο κεφάλαιο. Έτσι, το τελευταίο κεφάλαιο αφιερώνεται στις προσο-μοιώσεις απεικονήσεων STM που παράγονται με το υπολογιστικό πρόγραμμα Quan-tum Espresso, τόσο για κάποιες ατέλειες στο γραφένιο, όσο και για κάποιες από τις δομές των δικυανιδίων.