پژوهشگران دانشگاه شهید بهشتی با ترکیب محاسبات نظریه تابعی چگالی و یادگیری ماشین، سازوکار میکروسکوپی افزایش ظرفیت گرمایی الکترونی در نانوذرات سیلیکون را آشکار کردند؛ یافتهای که نشان میدهد اتمهای سطحی نانوذرات، بهدلیل تفاوت در ساختار الکترونی خود، میتوانند سهمی بسیار بیشتر از اتمهای داخلی در این ویژگی ترمودینامیکی داشته باشند.
به گزارش دیدهبان علم ایران، عبدالرحمن آریانپور، دانشجوی دکتری و دکتر علی صادقی، عضو هیأت علمی دانشکده فیزیک دانشگاه شهید بهشتی در پژوهشی که طی مقاله ای با عنوان Microscopic Insight into Enhanced Electron Heat Capacity in Silicon Nanoparticles در مجله معتبر Physical Review Letters منتشر شده، چارچوبی محاسباتی برای بررسی موضعی ظرفیت گرمایی الکترونی در نانوذرات سیلیکون ارائه کردهاند.
سهم متفاوت اتمهای سطحی و داخلی
ظرفیت گرمایی الکترونی یکی از ویژگیهای مهم مواد است که به چگونگی پاسخ الکترونها به تغییرات دما مربوط میشود. در مواد نانومقیاس، ویژگیهای سطحی میتوانند در مقایسه با مواد تودهای اهمیت بسیار بیشتری پیدا کنند؛ چرا که با کوچک شدن ابعاد، نسبت تعداد اتمهای سطحی به اتمهای داخلی افزایش مییابد.
در این پژوهش، محققان با تمرکز بر ساختار الکترونی اتمها نشان دادهاند که اتمهای سطحی نانوذرات سیلیکون، که به دلیل قرار گرفتن در سطح دارای عدد همآرایی پایینتر و پیوندهای ناقصتری هستند، چگالی حالتهای الکترونی متفاوتی در نزدیکی تراز فرمی دارند. همین ویژگی موجب میشود سهم آنها در ظرفیت گرمایی الکترونی به شکل محسوسی افزایش یابد.
بر اساس نتایج این مطالعه، ظرفیت گرمایی الکترونی اتمهای سطحی با همآرایی پایین میتواند تا حدود یک مرتبه بزرگی بیشتر از مقدار متناظر برای اتمهای موجود در ماده تودهای باشد. پژوهشگران همچنین نشان دادهاند که یک لایه سطحی با ضخامت تقریبی ۳ تا ۴ آنگستروم میتواند اثر قابل توجهی بر رفتار ظرفیت گرمایی الکترونی نانوذره داشته باشد.
ترکیب نظریه تابعی چگالی و یادگیری ماشین
یکی از جنبههای روششناختی مهم این پژوهش، ترکیب محاسبات ab initio مبتنی بر نظریه تابعی چگالی (DFT) با الگوریتمهای یادگیری ماشین است.
محاسبات مستقیم خواص الکترونی برای نانوساختارهای بزرگ، بهویژه زمانی که هدف بررسی سهم تکتک اتمها باشد، میتواند از نظر زمانی و محاسباتی بسیار پرهزینه باشد. پژوهشگران در این مطالعه با استفاده از یادگیری ماشین، چارچوبی برای پیشبینی سریع کمیتهای موضعی ایجاد کردهاند که امکان مطالعه نانوذرات سیلیکون در مقیاسهای بزرگتر را فراهم میکند.
در این رویکرد، به جای آنکه تنها یک ویژگی کلی برای کل نانوذره در نظر گرفته شود، سهم اتمها و حتی اوربیتالهای اتمی در شکلگیری ویژگی نهایی ماده مورد بررسی قرار میگیرد؛ به این ترتیب، میتوان مشخص کرد که کدام بخش از ساختار نانومقیاس در ایجاد یک ویژگی فیزیکی مشخص نقش بیشتری دارد.
تصویری اتممحور از یک ویژگی ترمودینامیکی
در چارچوب ارائه شده، ظرفیت گرمایی الکترونی به چگالی حالتهای الکترونی موضعی در نزدیکی تراز فرمی مرتبط میشود؛ کمیتی که خود تحت تأثیر محیط اتمی و بهویژه عدد همآرایی اتم قرار دارد.
این تحلیل نشان میدهد که در یک نانوذره سیلیکونی، سطح و هسته الزاماً از منظر رفتار الکترونی یکسان نیستند و میتوانند سهمهای متفاوتی در ویژگیهای ترمودینامیکی داشته باشند. با کاهش اندازه نانوذره، افزایش نسبت اتمهای سطحی نیز باعث میشود اثر این اتمها بر ظرفیت گرمایی الکترونی پررنگتر شود.
البته پژوهشگران تأکید میکنند که تفکیک یک کمیت سراسری به سهمهای اتمی تا حدی به روش مورد استفاده وابسته است و نمیتوان لزوماً این شیوه تجزیه را بدون تغییر به همه مواد و همه ویژگیهای فیزیکی تعمیم داد. از این رو، اهمیت اصلی مطالعه حاضر، نشان دادن کارآمدی این رهیافت برای بررسی ظرفیت گرمایی الکترونی نانوذرات سیلیکون است.
گامی به سوی مهندسی خواص مواد در مقیاس اتمی
به گفته پژوهشگران، امکان تعیین سهم اتمهای مختلف در شکلگیری یک ویژگی کلان میتواند درک دقیقتری از سازوکارهای فیزیکی حاکم بر نانوساختارها فراهم کند.
این نوع نگاه اتممحور در صورت توسعه و تعمیم به مواد و خواص دیگر، میتواند به طراحی و مهندسی نانومواد بر اساس ویژگیهای موضعی اتمها کمک کند؛ بهویژه در مواردی که کنترل خواص الکترونی و حرارتی مواد در مقیاس نانو اهمیت دارد.
انتهای پیام
* نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخشهای موردنیاز علامتگذاری شدهاند