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Type: TESE
Title: Da ordem à desordem : uma visao da ciência dos materiais computacional
Author: Miranda, Caetano Rodrigues
Advisor: Antonelli, Alex, 1954-
Abstract: Resumo: Os conceitos de ordem e desordem em materiais foram explorados sob a ótica de simulações computacionais. O objetivo foi mostrar que, a partir de simulações computacionais, é possível modelar, caracterizar e prever as propriedades e processos relacionados à ordem & desordem em materiais nas suas várias dimensões. A modelagem computacional se deu através de duas metodologias: cálculos de primeiros princípios e potenciais empíricos utilizando o método de Monte Carlo. Tendo como paradigma de ordem perfeita os semicondutores na estrutura do diamante, abordamos tanto os elementos de ordem na desordem, quanto os de desordem na ordem, além de introduzirmos o conceito de supra-ordem. Em relação aos elementos de ordem na desordem, abordamos quantitativamente o problema da transição vítrea no Si e das propriedades do Si amorfo. A respeito da supra-ordem, as propriedades termodinâmicas, estruturais e energéticas dos Clatratos tipos I e II do Si, Ge e C foram determinadas. Pela primeira vez determinou-se os pontos de fusão desses sistemas para o Si: Si34 (1522 K) e Si46 (1482 K). Os estudos da energia livre a partir do método Reversible Scaling permitiram uma determinação acurada do diagrama de fases do Si e demonstrando a importância dos efeitos anarmônicos. Sobre os elementos de desordem na ordem, estudamos defeitos pontuais, lineares e planares. Em relação aos pontuais, estudamos as vacâncias em semicondutores nas estruturas do diamante, clatratos e amorfos. Em particular para os amorfos, investigamos os efeitos da relaxação estrutural sobre as propriedades eletrônicas através de cálculos ab initio. Um comportamento bastante rico foi observado, desde aniquilação da vacância à criação de defeitos "estáveis". Para os sítios estudados, os estados profundos do gap desaparecem com a relaxação atômica. A respeito dos defeitos lineares, abordamos o problema das diferenças de energias livres entre duas estruturas candidatas a caroço na discordância parcial de 900: Single Period (SP) e Double Period (DP). Os resultados indicam que a diferença média da energia livre entre as reconstruções, aumenta com o aumento da temperatura, tanto para o Si quanto Ge. Tomando a estrutura DP ainda mais dominante em relação a SP em altas temperaturas. Finalmente, estudamos os defeitos planares em Carbono na estrutura do diamante simulando o processo de cisalhamento. Sugerimos um novo modelo para os defeitos conhecidos como plaquetas e demonstramos que esse modelo satisfaz às propriedades experimentais conhecidas

Abstract: Concepts of order and disorder in materials are explored from the point of view of computer simulations. Our main aim is to illustrate that is possible to model, characterize and predict the properties and processes related to order-disorder in materials in several degrees. Computational modeling has been performed by using ftrst principles calculations and Monte Carlo method with empirical potentials. Semiconductors in the diamond structure have been defined as the ideal ordered system. According to the present view, we have studied the symptoms of order in disordered systems and the symptoms of disorder in ordered systems, as well; we have introduced the concept of supra-order. About order in disorder, we have investigated the glass transition in Si and the properties of amorphous Si (a-Si) have been determinated. For the supra-order degree, the thermodynamics and structural properties of group-IV Clathrates have been studied. The melting point was estimated to be 1482 K for Si46 and 1522 K for Si34. The thermodynamic properties of Si phases as functions of temperature have been studied by using the Reversible Scaling Method in the Monte Carlo approach. We present a quantitative phase diagram of Silicon and we show that the anharmonic effects play an important role. On disorder in the order end, we have investigated point, linear and planar defects in materials. We have studied vacancies in diamond, clathrates and amorphous structures of semiconductors. In particular, for vacancies a-Si, a very rich behavior has been observed from the complete rearrangement of the atoms in order to preserve the tetrahedral structure to the creation of stable vacancies. We have also investigated the effects of structural relaxation of the electronic properties. From the electronic structure point of view, deep gap levels disappear after the structural relaxations in vacancies in a-Si. We have studied the differences of free energy between the single period and the double period core reconstructions of the 90° partial dislocation in sihcon and germanium as functions of temperature. Our results indicate that the average differences of free energy increase with temperature for both, Si and Ge, making the double period reconstruction even more dominant in high temperatures. Finally, we have simulated the shear process in Carbon diamond. We propose a new model for platelets in diamond that is in agreement with all experimental data available
Subject: Transformações de fase (Física estatística)
Semicondutores
Métodos de simulação
Defeitos
Monte Carlo, Método de
Language: Português
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2003
Appears in Collections:IFGW - Dissertação e Tese

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