Applying and developing novel quantum chemistry electronic structure methods for calculating 2D materials properties

הרקע לפרויקט:

חישוב תכונות של חומרים ומולקולות כיום הינו תחום רחב הנותן מענה לניבוי תכונות של חומרים חדשים ועוזר בהבנת מנגנונים של תגובות כימיות ומעבר של אלקטרונים בין ממשקים של חומרים שונים.
שיטות חישוב של מבנה אלקטרוני של מוצקים (electronic structure methods) מבוססות כיום בעיקר על תורת פונקציונאל הצפיפות . תורה זו הינה יעילה חישובית ונותנת תוצאות טובות עבור תכונות מסוימות של חומרים, אבל מתקשים בניבוי של תכונות אחרות .
שיטות חישוב מבנה אלקטרוני אשר מבוססות על כימיה קוונטית , פותרות את משוואת שרדינגר האלקטרונית בצורה נומרית ובעזרת תורת ההפרעות מרובת חלקיקים. כיום הן בעיקר משמשות לחישוב של מולקולות קטנות עד בינוניות , הם שיטות שניתן להגיע לדיוק גבוה מאד בניבוי תכונות של מולקולות , וככול שעולים בסיבוכיות של השיטה כך גם הדיוק עולה .
בשנים האחרונות יש התקדמות בפיתוח של שיטות אלו עבור חומרים בעלי מבנה מחזורי כגון מוצקים ומשטחים. שיטות אלו הראו תוצאות טובות עבור ניבוי של תכונות אופטיות של מוצקים , סיפוח של מולקולות על פני שטח ועוד.
חומרים דו ממדיים הם בחזית הטכנולוגית של יישומי אנרגיה והתקני אופטואלקטרוניקה חדשים , החיפוש המתמיד אחרי חומרים חדשים כיום נמצא בתחומי טכנולוגיה ומחקר רבים.
בפרויקט זה אנחנו נפתח וניישם שיטות חישוב המבוססות על כימיה קוונטית עבור חישוב תכונות של חומרים דו ממדיים וסיפוח של מולקולות על משטחים אלו.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט הוא חישוב תכונות של חומרים דו מימדיים על ידי שיטות המבוססות על כימיה קוונטית ללא ידע מוקדם מניסוי ( ab-initio ).
הסטודנט ייפתח שיטות חישוב יעילות , המבוססות על תורת ההפרעות ויישם אותם על חומרים דו ממדיים. הסטודנט ישווה זמן חישוב של אלגוריתם של השיטה החדשה ביחס לשיטות הקודמות.
הסטודנט יחקור שיטות שונות ויחשב תכונות שונות של חומרים וישווה את התוצאות לשיטות המבוססות על פונקציונאל הצפיפות .
הסטודנט יחקור חומרים שונים בעלי שכבה אחת וגם בעלי כמה שכבות עם חומרים שונים .

תכולת הפרויקט:

• סקר ספרות על חומרים דו מימדיים ושיטות לחישוב תכונות שלהם.
• סקר ספרות על שיטות חישוב של מבנה אלקטרוני המבוססות על תורת הפרעות רב גופית.
• כתיבת קוד עבור פיתוח השיטות החדשות .
• סימולציות של תכונות מכניות של החומרים הדו ממדיים והשוואת התוצאות לניסוי ולשיטות קיימות.
• השוואת חסכון בזמני חישוב וזיכרון של השיטה החדשה לעומת שיטות אחרות .
• הגשת דוח מסכם.

קורסי קדם:

מכניקה קוונטית שימושית, 83204

מקורות:

1. “Accurate thermochemistry of covalent and ionic solids from spin-component-scaled MP2”, T.Goldzak et al, J. Chem. Phys. 157, 174112 (2022) https://doi.org/10.1063/5.0119633.
2. Gaussian-based coupled-cluster theory for the ground-state and band structure of solids, James McClain, Qiming Sun, Garnet Kin-Lic Chan, Timothy C Berkelbach, . Chem. Theory Comput. 2017, 13, 3, 1209–1218, https://doi.org/10.1021/acs.jctc.7b00049.
3. Second-order Møller–Plesset perturbation theory applied to extended systems. II. Structural and energetic properties, Andreas Grüneis; Martijn Marsman; Georg Kresse, J. Chem. Phys. 133, 074107 (2010) , https://doi.org/10.1063/1.3466765.
4. Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory, by Attila Szabo , Neil S. Ostlund.