عنوان پایان‌نامه
محاسبه ظرفیت گرمایی نانو ذرات به روش اصول اولیه
- دانشجو
- ریحانه قاسمی زاده
- استاد راهنما
- محمدرضا محمدی زاده, میر فائز میری
- رشته تحصیلی
- علوم و فناوری نانو - نانو فیزیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 66025
- تاریخ دفاع
- ۳۱ شهریور ۱۳۹۳
- چکیده
- در این پایان¬نامه به محاسبه ظرفیت گرمایی ویژه نانوذرات فاز آناتیس دی¬اکسید تیتانیوم پرداختیم. اهمیت مسئله آن است که خواص حرارتی، از جمله ظرفیت گرمایی ویژه می¬تواند پارامتری مؤثر در انتقال حرارت نانوشاره¬ها باشد. در این تحقیق از نظریه تابعی چگالی پتانیسل کامل با استفاده از اوربیتال¬های عددی اتم مرکزی برای انجام محاسبات استفاده شده است. به علت پایداری بیشتر فاز آناتیس نسبت به فاز روتایل در اندازه¬های کوچک، در اینجا تنها محاسبات، برای نانوذرات فاز آناتیس دی¬اکسید تیتانیوم انجام شده است. ابتدا نانوذرات آناتیس با تعداد اتم¬های 24, 51, 54و 84 اتم را شبیه سازی کردیم. این نانوذرات از ساختار کریستالی آناتیس جدا شده¬اند. پس از انجام چند مرحله واهلش به دو روش دینامیک مولکولی و اصول اولیه و رسیدن به ساختار پایدار، ویژه مدهای فرکانسی آن¬ها در دو تقریب چگالی موضعی و گرادیان تعمیم یافته محاسبه شده است. از مقایسه فرکانس¬های به¬دست آمده با گزارش¬های کپه آناتیس، نتیجه می¬شود که با کاهش اندازه نانوذرات، بیشینه مدهای ارتعاشی افزایش یافته¬اند. همچنین طیف ارتعاشی به¬دست آمده از این نانوذرات گسسته است. با جمع بندی روی فرکانس¬های ارتعاشی از فرمول مکانیک کوانتومی، ظرفیت گرمایی نانوذرات شبیه سازی شده محاسبه شده است. روند افزایشی ظرفیت گرمایی و نزدیک شدن آن به مقداری ثابت در در دماهای بالا در تطابق کامل با قانون دولون-پتی است. همچنین در دماهای پایین در محدوده 200-40 کلوین، ظرفیت گرمایی نانوذرات کوچکتر، افزایش می¬یابد که ناشی از اثری به¬نام "افزایش در فرکانس¬های پایین" است. در سایر محدوده¬های دمایی، ظرفیت گرمایی ویژه نانوذرات با افزایش اندازه آن¬ها افزایش یافته است و به علت کاهش شدید درجات آزادی سیستم، ظرفیت گرمایی ویژه این نانوذرات از کپه آناتیس کمتر است. کلید واژه: ظرفیت گرمایی ویژه، نانوذره، دی¬اکسید تیتانیوم، نظریه تابعی چگالی
- Abstract
- In this thesis we have studied the vibrational and thermal properties of anatase phase of titanium dioxide using full potential density functional theory with numeric atom-centered orbitals. Anatase nanoparticles with 24, 51, 54, 84 atoms have been prepared by choosing a piece of truncated anatase bulk structure. The structure optimization was performed through both molecular dynamic and ab initio simulations. Vibrational eigen-frequencies have been constructed. The calculated frequency spectra are discrete and have a finite low frequency value and extend up to a maximum frequency in the range of ~ 985-1026 cm-1 depending on the nanoparticle size. The VDOS evolves from a multiple-peak line shape for small sizes to a characteristic profile for the larger nanoparticles that anticipates the well-known VDOS of the anatase bulk. The frequency spectrum was used to calculate the specific heat at both low and high temperature regime. Further analysis of these results indicates that the low frequency value is responsible of a slight reduction in the specific heat of smaller nanoparticles with respect to larger one in the temperature range below 40 K. Also the well-known increment in the specific heat with size reduction, caused by the enhancement of the VDOS at low frequencies, is recovered for 40 < T < 200 K. Moreover it also found that for the temperature beyond 200 K, the specific heat capacity increases as the nanoparticle size get larger
