Computer Simulation of Multiatomic Systems

2019/2020

Academic Year

RUS

Instruction in Russian

5

ECTS credits

Delivered at:

Joint Department of Quantum Technologies with Prokhorov General Physics Institute (RAS)

Course type:

Elective course

When:

1 year, 1, 2 module

Instructor

Pavlova, Tatiana

Программа дисциплины

Аннотация

Целями освоения дисциплины «Компьютерное моделирование многоатомных систем» явля-ются: • формирование у студентов профессиональных компетенций, связанных с использова-нием современных представлений в области физики конденсированных сред, • приобретение студентами навыков самостоятельной исследовательской работы, • формирование подходов, основанных на полученных знаниях, позволяющих прово-дить научные исследования и анализировать полученные результаты, • развитие умений, позволяющих развивать качественные и количественные физиче-ские модели электронных процессов в твердых телах.

Цель освоения дисциплины

• формирование у студентов профессиональных компетенций, связанных с использованием современных представлений в области физики конденсированных сред,
• приобретение студентами навыков самостоятельной исследовательской работы,
• формирование подходов, основанных на полученных знаниях, позволяющих проводить научные исследования и анализировать полученные результаты,
• развитие умений, позволяющих развивать качественные и количественные физические модели электронных процессов в твердых телах.

Планируемые результаты обучения

• владеет методами квантовых расчетов многоатомных систем. Моделирование атомов и молекул.
• умеет решать задачи на заданную тему
• может выполнить расчет электронной структуры твердых тел и их поверхностей
• умеет рассчитать кинетику реакций взаимодействия атомов и молекул с твердым телом
• знает атомарная термодинамика. Молекулярная динамика

Содержание учебной дисциплины

• Методы квантовых расчетов многоатомных систем. Моделирование атомов и молекул.
  Мотивация использования квантовых расчетов. Многоэлектронные атомы. Приближение Борна-Оппенгеймера. Одноэлектронное приближение. Модель Томаса-Ферми. Метод Хартри-Фока. Метод функционала плотности. Теоремы Хоэнберга-Кона. Уравнения Кона-Шема. Вариационный метод. Псевдопотенциалы. Корреляционные эффекты. Обменное взаимодействие. Электронные состояния. Модель почти свободных электронов. Приближение плоских волн. Приближение сильной связи. Схема реализации квантовых расчетов. Проведение расчетов в программе VASP. Моделирование атомов и молекул. Расчет полной энергии. Оптимизация геометрии. Визуализация геометрии структуры в программе VMD. Анализ распределения зарядов. Визуализация распределения зарядов в программе VESTA. Расчет колебаний атомов в молекулах.
• Расчет электронной структуры твердых тел и их поверхностей
  Периодические расчеты. Моделирование твердых тел. Нахождение постоянной решетки. Точность расчета. Исследование сходимости. Анализ зонной структуры. Пример: графен. Моделирование поверхности твердых тел. Релаксация поверхностных слоев. Электронная структура поверхностей. Поверхностные состояния. Реконструкция поверхности. Вычисление свободной энергии поверхности.
• Кинетика реакций взаимодействия атомов и молекул с твердым телом
  Атомная структура поверхности с адсорбатом. Адсорбция атомов и молекул на поверхность металлов. Построение теоретического СТМ-изображения. Приближения Бардина и ТерсоффаХаманна. Кинетика реакций взаимодействия атомов с твердым телом. Теория переходных состояний. Поверхность потенциальной энергии. Поиск седловых точек. Метод NEB (nudged elastic band) и его реализация в программе VASP. Расчет активационных барьеров реакций. Уравнение Вигнера-Поляни. Построение начальной геометрии. Адсорбция, диффузия и десорбция молекул с поверхности твердых тел. Каталитические реакции.
• Атомарная термодинамика. Молекулярная динамика
  Атомарная термодинамика. Зависимость свободной энергии от концентрации адсорбата. Вычисление свободной энергии на основе ТФП-расчетов. Анализ стабильности структур. Квантовая молекулярная динамика. Уравнения движения. Реализация молекулярной динамики в программе VASP. Методы предсказания структур твердых тел.

Элементы контроля

• Контрольная работа
• Экзамен

Промежуточная аттестация

• Промежуточная аттестация (2 модуль)
  0.5 * Контрольная работа + 0.5 * Экзамен

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

• Mosiori, C. O., & Njoroge, W. K. (2016). High Speed Semiconductor Physics. Theoretical Approaches and Device Physics. [Place of publication not identified]: Anchor Academic Publishing. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsebk&AN=1412459

Рекомендуемая дополнительная литература

• Axel Groß, & Abteilung Theoretische Chemie. (n.d.). Introduction to Theoretical Surface Science. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsbas&AN=edsbas.5DFA79E6
• Battisti, A., Ciasca, G., & Tenenbaum, A. (2016). Structural analysis of intrinsically disordered proteins: computer atomistic simulation. Italy, Europe: Nova Science Publishers, Inc. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsbas&AN=edsbas.902AE739
• Brázdová, V., & Bowler, D. R. (2013). Atomistic Computer Simulations : A Practical Guide. Weinheim: Wiley-VCH. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsebk&AN=565726
• Martin, R. M. (2008). Electronic Structure : Basic Theory and Practical Methods (Vol. 1st pbk. ed. with corrections). Cambridge, UK: Cambridge University Press. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsebk&AN=510974