شماره راهنما :
2414 دكتري
پديد آورنده :
شهسواري، رضا
عنوان :
تركيب محاسبات مكانيك كوانتومي و يادگيري ماشين براي طراحي مواد جديد برپايه سولفور
گرايش تحصيلي :
طراحي كاربردي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
چهارده، 142ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها :
مكانيك كوانتومي , ديناميك مولكولي , پتانسيلهاي بين اتمي يادگيري ماشين , طراحي مواد , خواص مكانيكي , خواص پيزوالكتريك , انتقال فاز
تاريخ ورود اطلاعات :
1404/09/04
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1404/09/08
چكيده فارسي :
طراحي مواد جديد و سپس محاسبه خواص آنها يكي از نيازهاي فناوري نوين است. درحاليكه در گذشته نه چندان دور طراحي و كشف مواد جديد و محاسبه خواص آنها به دليل هزينههاي سنگين آزمايشگاهي به شدت محدود بود, اما امروزه با پيشرفت
روشهاي محاسباتي اينگونه نيست. با وجود اينكه در اين كار چالش برانگيز روش نظريه تابع چگالي به دليل دقت مكانيك كوانتومي نقش مهمي را ايفا كرده است, اما همواره به دليل محاسبات زمانبر و سنگين باعث ايجاد محدوديتهايي شده است. اين درحالي است كه پتانسيلهاي تجربي سرعتي به مراتب بالاتر دارند. تركيب دقت روش نظريه تابع چگالي همراه با سرعت توابع تجربي از طريق پتانسيلهاي بين اتمي يادگيري ماشين امكانپذير است. در اين رساله, نه ساختار كريستالي جديد براي سيستمهاي دو بعدي آلومينيوم-سولفايد و گاليوم-سولفايد براساس روش الگوريتم ژنتيك برپايه نظريه تابع چگالي و روش تصادفي برپايه پتانسيلهاي يادگيري ماشين طراحي شده است. همچنين يازده ساختار كريستالي جديد براي سيستم سهبعدي گاليوم-سولفايد تحت اثر فشار هيدرواستاتيك تا 100 گيگاپاسكال طراحي شده است. سپس پايداري حرارتي, ديناميكي, ترموديناميكي و مكانيكي هر يك از ساختارهاي دوبعدي و سهبعدي بررسي شده است. تمامي ساختارهاي طراحي شده از نظر ديناميكي و حرارتي تا حداقل دماي 600 درجه كلوين پايدار ميباشند. خواص مكانيكي مواد طراحي شده همچون مدول يانگ, مدول برشي و نسبت پواسون در همه راستاها بررسي شده و همسانگردي و غير همسانگردي آنها مشخص شده است. يافتههاي ما نشان ميدهد فاز جديد پيشبيني شده C2/m از ساختار Ga3S4 سختترين فاز ميباشد. براي ساختارهاي سهبعدي انقال فاز تحت اثر فشار هيدرواستاتيك بررسي شد. براي ساختار GaS2 يك انتقال فاز در فشار 40 گيگاپاسكال مشاهده شد. در مقابل براي تركيب Ga2S3 مجموعهاي از انتقال فازها در فشارهاي 8 و 12 گيگاپاسكال پيشبيني شد. تركيب GaS نيز دو انتقال فاز از در فشارهاي 9 و 57 گيگاپاسكال را تجربه ميكند. براي ساختارهاي دو بعدي خواص پيزوالكتريك و تحرك حاملها محاسبه شده است. ضرايب پيزوالكتريك داخل و خارج از صفحه از 1/91- تا 6/31 و از 39/09- تا 0/41 پيكومتر بر ولت بهترتيب ميباشد و تحرك حاملها در بازه Cm2V-1s-1 14-1 ميباشد. همچنين براي ساختار ديسولفيدموليبدن يك پتانسيل يادگيري ماشين براساس روش تانسور پتانسيل ممان طراحي شده است. بعد از بهدست آوردن تابع پتانسيل يادگيري ماشين يك شبيهسازي تست كشش تك محوره, با استفاده از روش ديناميك مولكولي برروي اين ماده انجام شده است و خواص مكانيكي ماده موردنظر ارزيابي شده است. نتايج بهدست آمده براي اين ماده با كارهاي آزمايشگاهي موجود و روش نظريه تابع چگالي مقايسه شده است. همچنين تاثير دما و عيب تهيجا نيز برروي خواص مكانيكي مطالعه شده است. با افزايش دما و افزايش مقدار عيوب ساختاري مطابق انتظار خواص مكانيكي كاهش پيدا كردهاند كه نشان ميدهد پتانسيل طراحي شده براي ساختارهاي داراي عيب نيز ميتواند استفاده شود. از آنجاييكه نتايج آزمايشگاهي گزارش شده داراي پراكندگي زيادي هستند نتايج اين تحقيق ميتواند به عنوان راهنمايي براي مطالعات آزمايشگاهي بهمنظور پيشبيني دقيق خواص نانو مواد مورد توجه قرار گيرد. همچنين يافتههاي ما, نهتنها خانواده مواد دوبعدي و سهبعدي برپايه سولفور را گسترش ميدهد بلكه باتوجه به خواص منحصربهفرد اين مواد، كاربردهاي بالقوه آنها در حوزههاي مختلف فناوري را نشان ميدهد.
چكيده انگليسي :
The design of new structural materials with outstanding property combinations as well as advancing the performance of materials in use—to ultimately optimise their sustainability—is the main quest of modern
technologies. While in the recent past, the rate of materials design was limited by both human and financial cost of performing experiments, this is no longer the case. In this challenging task, ab initio (first principles /DFT ) based methods conquered an irreplaceable position. While understanding fundamental atomic-scale processes in materials, calls for quantum-mechanical accuracy, computationally affordable yet realistic enough models present a true bottleneck. Combining quantum-mechanical accuracy and computational efficiency of classical empirical potentials, machine learning interatomic potentials (MLIP) hold a great promise, however, are far from being routinely applied to real materials science problems. Using MLIP instead of DFT should leads to the fast and accurate reconstruction of the potential energy surface of a crystal, thus on can find stable and metastable structures, paths of transitions between
these structures, and information about lattice vibrations and mechanical properties. In this thesis we employed two distinct and powerful methodologies for crystal structure prediction from ambient pressure up to 100 GPa in the Ga–S system: evolutionary algorithms as implemented in the USPEX package, utilizing the accuracy of density functional theory (DFT) for precise electronic structure calculations, and ab initio random structure searching (AIRSS), leveraging ephemeral data-derived potentials (EDDP) to achieve high-speed exploration. Our crystal structure search not only reaffirms the existence of the known GaS and Ga$_2$S$_3$ phases but also reveals eleven novel phases emerging progressively as the pressure is increased from 0 to 100 GPa, demonstrating their dynamic stability across varying pressure regimes. Furthermore, a pressure-induced phase transition was observed in GaS2 at 40 GPa. In contrast, a series of structural transitions were theoretically predicted in Ga$_2$S$_3$ at 8 GPa and 12 GPa, respectively. GaS underwent two phase transition at 9 GPa and 57 GPa. The predicted high-pressure phases C2/m GaS2 and C2/m Ga3S4 demonstrate kinetic stability upon decompression to ambient pressure, suggesting their potential to be quenched to ambient conditions. The mechanical properties of Ga-S compounds were systematically analyzed at 0 GPa. Our findings reveal that the C2/m phase of Ga3S4 stands out as the hardest compound. Furthermore, a novel high-pressure phase, C/m GaS2, displays a notably low Poisson’s ratio. The piezoelectric properties and carrier mobility have been calculated for the two-dimensional structures. The in-plane and out-of-plane piezoelectric coefficients range from -1.91 to 6.31 and from -39.09 to 0.41 pm/V, respectively, and the carrier mobility is in the range 1-14 Cm2V-1s-1. Furthermore, a machine learning potential has been designed for the molybdenum disulfide structure. After obtaining the machine learning potential function, a uniaxial tensile test simulation was performed on this material using molecular dynamics methods, and its mechanical properties were evaluated. The results obtained for this material were compared with existing laboratory work and density functional theory methods. Additionally, the effects of temperature and vacancy defects on the mechanical properties were studied. As expected, with increasing temperature and the number of structural defects, the mechanical properties decreased, indicating that the designed potential can also be used for defective structures.
استاد راهنما :
عليرضا شهيدي ريزي , جواد هاشمي فر , جيلس فرپر
استاد داور :
محمد سيلاني , اسماعيل عبدالحسيني سارسري , محدثه عباس نژاد