Tehnologisko Materialu Kvantu-kimiska Datormodele

1
Tehnologisko Materialu Kvantu-kimiska
Datormodelešanano Pirmajiem PrincipiemJevgenijs
KotominsLU Cietvielu Fizikas Instituts
2
LU CFI Teoretiskas fizikas un datormodelešanas
laboratorijaViena no manas laboratorijas
galvenajam aktivitatem ir versta uz daudzu jauno
progresivo tehnologisko materialu liela meroga
paralelo modelešanu, optimizejot to ipašibas
plašam pielietojumu lokam ?Teoretiska
materialzinatne
3
Sadarbiba ar 15 Latvijas/starptautiskam
eksperimentatoru grupam, mes stradajam pie daudzu
iericu un funkcionalo materialu efektivitates
uzlabošanas, galvenokart pielietojumiem
energetika
4
--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
kodoldegvielas nakamas t.s. IV paaudzes
kodolskaldišanas reaktoriem, --jauni
konstrukcijas materiali kodolsintezes tokamaka
reaktoriem (teraudu materiali stiprinati ar Y2O3
nanoklasteriem), --keramiskas membranas gazu
sadališanai oglu termiskajas stacijas
5
Ipaša uzmaniba tiek pieversta defektu un virsmas
efektiem, kuri ir svarigi, veidojot radiacijas
izturigus materialus (bolometri radiacijas vide)
un nanomaterialus (piem., Li baterijas).
6
Musu aktivitates atbalsta 3 EK FP7 projekti, ka
ari MATERA, EURATOM, sadarbibas granti ar EK
institutiem, LR Nacionalas programmas Energetika,
Materialu zinatne, Valsts petijumu programma
Modernie funkcionalie materiali un tehnologijas.
7
Latvijas Zinatnes padomes priekšlikumi
zinatnes prioritarajiem virzieniem 2010. 2013.
gadamLatvija materialzinatnes problemas
risina Latvijas Universitates Cietvielu fizikas,
Polimeru mehanikas, Fizikas, Atomfizikas un
spektroskopijas institutos un Rigas Tehniskas
universitates Neorganiskas kimijas instituta. RTU
Materialzinatnes un lietiškas kimijas fakultates
institutos, ka ari atseviškas firmas. LU un RTU
zinatniskajos institutos pašlaik petijumus
materialzinatnu nozare veic 55 habilitetie
doktori un 177 doktori kopskaita pedejos piecos
gados publiceti 500 raksti starptautiski atzitos
žurnalos, ieguti 5 patenti, aizstaveti 11
promocijas darbi.Materialzinatnu programma
iesaistitie instituti un zinatnieku grupas aktivi
piedalas EK 7.ietvaru programmas projektos (MIND,
CATHERINE, F-BRIDGE, NASA-OTM u.c.) un ERA-NET
programma MATERA (3.projekti).
8
LURTU (100) Mana laboratorija
Dr.habilDr. 55177232 2911
(4.7)Promocijas darbi 11 3
(27.3)Publikacijas (5gadi) 500 141
(28.2)
Materialzinatnu nozare
9
  Latvijas Zinatnu akademijaLATVIJAS
ZINATNES SASNIEGUMI 2007.GADAIzpetitas stroncija
titanata virsmu ipašibas, kas dod iespeju butiski
uzlabot informacijas apstrades iericu darbibu
(Dr. J. Kotomins, Dr. S. Piskunovs, Dr. J.
Žukovskis, Latvijas Universitates Cietvielu
fizikas instituts)
10
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 (LCAO) apvienošanu 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.
11
Superšunas modelis izmanto paplašinato
elementaršunu, kur defekti periodiski
atkartojas?INDO datorprogramma, kura izveidota
Riga 1980-1990 Ab 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)
12
1985., un 1990. g. 2 starptautiskas konferences
Cietvielu kvantu kimija (Riga) un divas NATO
skolas (2001.,2004.) par materialu
datormodelešanas moderniem metodem. Paralelas
liela meroga modelešanas ar 300-400 atomu
superšunam tiek veiktas uz Latvijas Superdatora
(LASC) CFI http//213.175.108.87.Musu
laboratorija ir vadoša Baltijas regiona
funkcionalo materialu atomistiska ab initio
modelešana,un defektu/virsmu modelešana Eiropa
13
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
14
Piemers cietvielu oksida kurinama elementa
modelešana (SOFC)Ierice 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
15

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

16
7 kartu simetrisks nestehiometrisks slanis
Bez mikroskopiska dipola momenta
17
-- Optimala vieta skabekla adsorbcijai (uz Mn,
O, etc.)-- O2 disociacijas energetika,-- O un
vakances migracija uz virsmas -- O iespiešanas
katoda virsma -- dažadas virsmas (100) MnO2
vai LaO, (110), (111). ? reakciju
ierobežojošie soli (rate determining steps)
18
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.
19
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
20
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)
21
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.
22
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
kodoldegvielas mehaniskas ipašibas
pašapstarojoties reaktora
23
Web of Science Citation ReportAuthor(Kotomin E)
Publikacijas 380(5 gramatas un 11 parskata raksti), Abstrakti 280. Kopa citeti 3,346. H-indekss 27

24
Gramatas1. Evarestov R.A., Kotomin E.A.,
Ermoshkin A.N. Molecular models of point defects
in wide-gap solids. -Riga Zinatne (krievu val.),
1983. -287 p. 2. Kantorovich L.N., Kotomin E.A.,
Kuzovkov V.N., Tale I.A., Shluger A.L., Zakis
Yu.R. Models of defect processes in wide-gap
solids. -Riga Zinatne (krievu val.), 1991. -320
p. 3. Kotomin E.A. and Kuzovkov V.N. Modern
Aspects of Diffusion-Controlled Processes
Cooperative Phenomena in Bimolecular Reactions,
North Holland, Elsevier Publ. (vol. 34 in a
series Comprehensive Chemical Kinetics),1996.
620p 4. Catlow C.R.A. and Kotomin E.A. (eds.)
Computational Materials Science, IOS press,
Amsterdam, Berlin, Oxford,Tokyo, Washington,DC,
2003, 420 pp. (NATO Science series III Computer
and Systems Sciences, vol. 187).5. Sickafus K.
and Kotomin E.A. (eds.). Radiation Effects in
Solids, 2006, NATO ASI Science Series II.
Physics, Chemistry and Mathematics, Vol. 235.
25

20 ielugtie referati starptautiskas konferences

• Ielugtais eksperts ASV Energetikas Departamenta
• (Department of Energy, DOE) un Nacionalas
  Zinatnes Fonda
• (National Science Foundation, NSF) projektiem
  2005, 2007, 2009

Recenzents 20 vadošiem starptautiskiem
žurnaliem Physical Review Letters, Physical
Review B and E, Nature Materials, Journal of
Nuclear Materials, Nuclear Instruments and
Methods B, Solid State Ionics, Surface Science,
Physical Chemistry Chemical Physics, Physica
Status Solidi, Physica B, J Luminescence,
Chemistry of Materials, J Physical Chemistry J
Physics Condensed Matter, Solid State
Communications, Chemical Physics, Philos.
Magazin, Applied Physics Letters, J. Materials
Research.
26
Majas lapahttp//www.cfi.lu.lv/teor/
Laboratorija strada 13 darbinieki LZA istenais
loceklis, 2 Dr Habil. Phys., 8 Dr phys.,2
doktoranti
Pedejo 9 gadu laika zinatniso darbinieku (ar
doktora gradu) skaits laboratorija ir
divkaršojies Gads 2000. 2001.
2002. 2003. 2004. 2005. 2006. 2007.
2008. Dr. fiz. Skaits 6 7 7
8 8 9 9 10
11

• 2011
• 12 13