Teoretiskas fizikas un datormodele

1
Teoretiskas fizikas un datormodelešanas
laboratorijas (nodalas?) aktivitates 2011.
gadaJevgenijs Kotomins
2

• Majas lapahttp//www1.cfi.lu.lv/teor/
  Laboratorija strada 18 darbinieki
• LZA istenais loceklis, 3 Dr Habil. Phys., 8
  Dr phys.,
• 2 doktoranti (aizstavešana 2012. un 2013.g.)
• 3 Mag., 1 Bak.
• Pedejo 10 gadu laika zinatnisko darbinieku (ar
  doktora gradu) skaits laboratorija ir
  divkaršojies, 4 doktoranti aizstavejas arzemes un
  atgriezas laboratorija
• Sadarbiba ar Kazahijas Eurazijas Universitati
  Astana, doktoranti un zinatnieki regulari
  stažejas laboratorija.

3

• Publikaciju un konferencu referatu skaits
• 2009 28 73
• 2010 26 67
• 2011 28 73

4
Starptautiska sadarbiba

• ASV University of Maryland, USA (Institute for
  Research in Electronics and Applied Physics)
  Northwestern University, Evanston, Illinois, USA
  (Materials Research Scientific and Engineering
  Center, MRSEC)
• Izraela Ben-Gurion University of the Negev,
  Beer-Sheva, Israel (1. Department of Materials
  Engineering, 2. Department of Physics, The
  Condensed-Matter Theory Group)
• Japana University of Fukui, Japan (Research
  Center for Development of Far-Infrared Region)
• Krievija St. Petersburg State University,
  Petrodvorets, St. Petersburg, Russian Federation
  (Faculty of Chemistry, Department of Quantum
  Chemistry and Chemical Physics)
• Lielbritanija Imperial College London, UK
  (Atomistic Simulation Group)
• Lietuva Semiconductor Physics Institute,
  Vilnius, Lithuania (Phase Transition Theory
  Group)
• Rumanija University of Craiova, Craiova,
  Romania (Department of Applied Mathematics,
  Association Euratom-Mec)
• Somija Helsinki University of Technology,
  Espoo, Finland (Association Euratom-Tekes)

5
Vacija

• Max Planck Institut für Festkörperforschung
  , Stuttgart, Germany (Physikalische
  Festkörperchemie) Max Planck Institut für
  Plasmaphysik, Garching, Germany (Association
  Euratom-IPP) Forschungszentrum Karlsrue,
  Germany (1. European Commission JRC Institute for
  Transuranium Elements, 2. Institut für
  Materialforschung I, Association Euratom-FZK)
  Universität Duisburg-Essen, Essen, Germany
  (Lehrstuhl für Theoretische Chemie) RWTH Aachen
  University, Aachen, Germany (Department of
  Physics) Physikalisch-Technische Bundesanstalt
  (PTB), Braunschweig, German (Department of
  Electrical Quantum Metrology)
  Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München,
  München, Germany (Department of Physics)

6

• Galvenie petniecibas virzieni1. Bimolekularo
  reakciju kinetika un pašorganizacija kondensetas
  vides (V.Kuzovkovs)2. Atomistiska
  datormodelešana idealiem un defektiviem
  kristaliskiem tilpumiem (3D), virsmam (2D) un
  nanostrukturam (1D) (J.Zukovskijs)
• ieskaitot interfeisus starp dažadam 2D un 1D
  sistemam3. Teoretiska plazmas fizika (O.Dumbrajs)

7
1.TEORETISKA PLAZMAS FIZIKA

• Mes stradajam pie divam temam (EURATOM) 
• (a) Žirotronu pilnveidošana jauniem
  kodoltermiskiem reaktoriem modu konkurences un
  stohastisko procesu petijumi lielu-jaudu,
  augstu-frekvencu žirotronos, kuri domati ITER.
• Žirotroni ir mikrovilnu avoti, kuru
  darbiba balstas uz statiska magnetiska lauka
  oscilejošu elektronu stimuleto ciklotronu
  radiaciju. Tagad ir pieejamas žirotronu ierices,
  kuras genere par dažam kartam lielaku jaudu
  milimetru vilnu diapazona neka klasiskas
  mikrovilnu lampas un kuras strada pie augstakam
  frekvencem neka citu veidu lampas. Žirotronu
  oscilatoriem ir daudz pielietojumu, ieskaitot
  tehnologiskos procesus, atmosferas zondešanu,
  ozona saglabašanu, maksligo jonosferas spoguli,
  augstas izškirtspejas elektronu spinu rezonanses
  spektrosokopiju, kodolu magnetiskas rezonanses
  spektroskopiju, u.c. Galvenais jaudigo žirotronu
  pielietojums ir elektronu ciklotronu rezonanses
  plazmas uzkarsešana kodoltermiskajos reaktoros
  tokamakos. 

8

• (b) Magnetisko lauku liniju stohastizacija
  plazma, ka iespejamais celonis atram
  atkalsavienošanas procesam bieži partraukto
  neoklasisko parrauto modu režima un zobveida
  sabrukumam ASEDEX Upgrade tokamaka.Svarigs
  kodolsintezes petijumu merkis magnetiski
  ierobežota plazma ir palielinat sasniedzamo
  plazmas spiedienu. Tokamakos neoklasiskas
  parrautas modas (NTM), t.i., magnetiskas salas ar
  m poloidalam un n toroidalam modam klust
  nestabilas, jo salu iekšiene zud zabakšnoru
  veida strava, ir viena no galvenajam problemam,
  jo tas tiek uzskatitas par visspecigako
  ierobežojumu lielu plazmas spiedienu iegušanai
  parastajos tokamaka scenarijos. Šadas
  nestabilitates iesaistita ieverojama plazmas
  parnese, kuru apraksta magnetohidrodinamikas
  ietvaros.

9
ITER reaktors
10
2. BIMOLEKULARAS REAKCIJAS UN PAŠORGANIZACIJA
KONDENSETAS VIDES Viens no musu darbibas
galvenajiem virzieniem ir daudzdalinu
(kooperativo) efektu petišana bimolekularo
reakciju kinetika kondensetas vides, ieskaitot
radiacijas raditos defektus. Lielaka dala no šiem
petijumiem balstas uz jaunu daudzdalinu blivuma
formalismu, kurš aprakstits musu gramata E.A.
Kotomin and V.N. Kuzovkov, Modern aspects of
diffusion-controlled reactions (Amsterdam,
Elsevier, 1996).
11
(No Transcript)
12
Virsmas-ierosinatas reakcijas ir loti svarigas
heterogenaja katalize. Mes petam šis reakcijas,
liekot uzsvaru uz tadam fundamentalam paradibam,
ka strukturu veidošanas, reagentu
pašorganizacija, regularas un neregularas
reagentu koncentraciju oscilacijas, ka ari
haotiska uzvediba vienkaršu reakciju gadijuma uz
kristaliskam virsmam. Ipašu uzmanibu mes veltam
difuzijas problemai heterogena vide, piem.
kompozitos vai apstarotos materialos.Sadarbiba
ar Michigan Technological Institute un
Northwestern University, USA? ar pielitojumiem
biokimija
13
3. Viena no laboratorijas galvenajam
aktivitatem ir versta uz daudzu jauno progresivo
tehnologisko materialu liela meroga paralelo
modelešanu, optimizejot to ipašibas plašam
pielietojumu lokam ?Teoretiska materialzinatne
14
Sadarbiba ar 15 Latvijas/starptautiskam
eksperimentatoru grupam, mes stradajam pie daudzu
iericu un funkcionalo materialu efektivitates
uzlabošanas, galvenokart pielietojumiem
energetika
15
--cietvielu oksidu kurinamas šunas (kurinamie
elementi) (fuel cells),kuras iespejama ekologiski
tira un augsti efektiva kimiskas energijas
konversija elektriskaja,-- augstas kapacitates
litija baterijas, -- jauna veida UN, UC kodola
degvielas nakamas IV paaudzes kodolskaldišanas
reaktoriem, --jauni konstrukcijas materiali
kodolsintezes tokamaka reaktoriem (teraudu
materiali stiprinati ar Y2O3 nanoklasteriem),
--keramiskas membranas gazu sadališanai oglu
termiskajas stacijas
16
Sustainable Energy - without hot airby David
MacKayhttp//www.withouthotair.com/download.html
17
Ipaša uzmaniba tiek pieversta defektu un virsmas
efektiem, kuri ir svarigi, veidojot radiacijas
izturigus materialus (bolometri radiacijas vide)
un nanomaterialus (piem., Li baterijas).
18
Musu laboratorijas aktivitates atbalsta

• 4 Eiropas Komisijas septita Ietvaru programmas
  (EK FP7) projekti
• 1. Nanostructured Surface Activated ultra-thin
  Oxygen Transport Membrane (NASA-OTM)
• Nanostrukturetas virsmas aktivetas super-planas
  skabekla transporta membranas-- keramiskas
  membranas gazu sadališanai oglu termiskajas
  stacijas (zero CO emission concept) cietvielu
  oksidu kurinamas šunas (fuel cells), kuros
  iespejama ekologiski tira un augsti efektiva
  kimiskas energijas konversija elektriskaja
• 2. Basic Research for Innovative Fuel Design for
  GEN IV systems (F-BRIDGE)
• Fundamentalie petijumi priekš degvielu inovativa
  projekta GEN IV sistemam- kodoldegviela nakamas
  IV paaudzes kodolskaldišanas reaktoriem

19

• 3. Carbon nAnotube Technology for High-speed
  nExt-geneRation nanoInterconNEcts (CATHERINE)
  Oglekla nanocaurulu tehnologija atrdarbigu
  nakošas paaudzes nanosavienojumu izstradei?
  mikro-, nanoelektronika
• 4. Nano-carbon based components and materials for
  high-frequency electronics (CACOMEL)?mikro-,
  nanoelektronika

20

• 3 darbligumi ar EK Transuranu Elementu Institutu
  (ITU, Vacija)? kodoldegvielas nakamas IV paaudzes
  kodolskaldišanas reaktoru datormodelešana
• ERAF (Eiropas regionalas attistibas fonds)
• sadarbiba ar Sidrabes firmu
  (Riga)
• INOVATIVI STIKLU PARKLAJUMI
• caurspidigu vadošu oksidu (TCO) parklajumi
  mikroelektronikai
• EURATOM Latvija
• ESF projekts (Nanomateriali) (G.Zvejnieks)
• ERA-NET projekts MATERA
• Funkcionalie materiali rezistivai parslegšanas
  jaunas generacijas datoratminai
• 3 VPP projekti (Materialzinatne, Energetika,
  Sadarbiba)
• 3 IZM projekti
• LZP grants

21
Galvena metode Cietvielu kvantu kimija1998 g.
Nobela premija kvantu kimija sanema J.Pople un
W.Kohn par divu efektivu fundamentalu metožu
izstradašanu molekulu modelešana atomu orbitalu
linearas kombinacijas apvienošanu (LCAO) ar
Hartri-Foka (HF) pieeju un blivuma funkcionalu
teoriju (DFT).?Molekulu kvantu mehanikas metožu
piemerošana cietvielam, defektiem un virsmam ir
netriviala periodiskie robežnosacijumi idealas
cietvielas.
22
Superšunas modelis izmanto paplašinato
elementaršunu, kur defekti periodiski
atkartojas?INDO datorprogramma, kura izveidota
Riga 1980-1990 sadarbiba ar A.SlugeruAb initio
datorprogrammas musdienas (VASP, ABINIT,
CRYSTAL)- Paredz funkcionalo materialu
atomaro, elektronu strukturu, optiskas,
magnetiskas un mehaniskas ipašibas bez a apriori
pienemumiem.- Efektivi HF-DFT hibrido metožu
petijumi un pielietojumi (B3LYP, B3PW)
23
Paralelas liela meroga modelešanas ar 300-400
atomu superšunamtiek veiktas uz Latvijas
Superdatora (LASC) CFI http//213.175.108.87.Mu
su laboratorija ir vadoša Baltijas regiona
funkcionalo materialu atomistiska ab initio
modelešana,un defektu/virsmu modelešana Eiropa
24
Teoretiskas modelešanas nepieciešamibaDatoreksp
erimenti bieži ir daudz letaki neka realie
eksperimenti, ipaši radioaktiviem
kodolmaterialiem un kompleksiem oksidu škidumiem,
piem., (Ba,Sr)(Fe,Co)O2.5Modelešana var ieteikt
jaunus materialus turpmakai analizei/sintezeiAtom
istiska datormodelešana atškir tilpuma un virsmas
efektus, kuri eksperimenta nav atdalami?Mes
varam aprekinat dažadu reakcijas solu atrumus un
atrast reakciju ierobežojošo soli, kas lauj
ieteikt metodes materialu un iericu uzlabošanai
25
Piemers cietvielu oksida kurinama elementa
modelešanaIerice sastav no katoda (piem.
LaMnO3), elektrolita (ZrO2Y) un anoda (Ni). O2
molekulas disocie uz katoda, parveršas par 2
O(2-) joniem un pariet uz anodu. Ekologiski tira
reakcija OH2H2O rodas udens un elektriska
strava. Skabekla redukcijas reakcija O2 4e-
2 O(2-) izskatas vienkarša, bet tas efektivitate
ir atkariga no eksperimentali gruti detektejamam
atomistiskam/mehaniskam detalam
26

• Ekologiski tira un augsti efektiva (70) kimiskas
  energijas konversija elektriskaja

27
7 kartu simetrisks nestehiometrisks slanis
Bez mikroskopiska dipola momenta
28
-- Optimala vieta skabekla adsorbcijai (uz Mn,
O, etc.)-- O2 disociacijas energetika,-- O un
vakances migracija uz virsmas -- O iespiešanas
katoda virsma -- reakciju ierobežojošie soli
(rate determining steps) -- dažadas virsmas
(100) MnO2 vai LaO, (110), (111).
29
Mes veicam liela meroga pirmo-principu
aprekinus un atradam, ka adsorbetam O- jonam ir
liela migracijas aktivacijas energija (2 eV) un
tas ir mazkustigs salidzinajuma ar O vakanci,
kurai ir daudz mazaka aktivacijas energija, 0.6
eV. Tadejadi, O vakances kontrole O un vakances
sadursmi un O- jonu iespiešanos katoda.
30
Skabekla atomu difuzija
100 virziena (Mn-O-Mn) Mn
tilta pozicija? O
0.40 eV
1.6 eV
TS
Migracijas energija ir 2 eV samera mazkustigas
dalinas
31
Skabekla vakance
Energija, eV tilpums virsma
veidošanas 7.64 6.23
difuzijas 0.95 0.67

• segregacija uz virsmas
• maza difuzijas barjera

Eksperimentali Ediff(SrTiO3) 0.86 eV I. Denk,
W. Munch, and J. Maier, Journal of the American
Ceramic Society 78, 3265 (1995)
32
Iespejamie skabekla iespiešanas mehanismi
--Reakciju-limitejošais solis ir adsorbeta
molekulara skabekla (superoksids O2- vai
peroksids O2 (2-) ) satikšanas ar virsmas
skabekla vakanci --Vakancu koncentracija un
mobilitate ir svariga atrai skabekla
iespiešanai/inkorporacijai BSCFgtLSMgtLMO.
33
Svarigakie
rezultati1. Kvantu kimisko metožu pielietojums
detalizetam funkcionalo materialu ipašibu
aprekinam, uzsverot virsmas un defektu ietekmi2.
Paredzam reakciju limitejošo soli cietvielu
oksida kurinama elementos un sniedzam
rekomendacijas to efektivitates uzlabošanai3.
Interfeisa mehanisms Li papildus akumulacijai
baterijas ? augstas kapacitates ierices4.
Paredzam metalu elektrodu optimalo augšanas veidu
uz oksidiem ar virsmas defektiem?
nanokondensatori nanoelektronikai5. Paredzam UN
kodola degvielas mehaniskas ipašibas
pašapstarojoties reaktora