"Μελέτη με προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής υλικών με μη γραμμικές ηλεκτρικές ιδιότητες"

Τα υλικά με μη γραμμικές ηλεκτρικές ιδιότητες παρουσιάζουν έντονη μη γραμμικότητα στη χαρακτηριστική τους καμπύλη έντασης ρεύματος – τάσης (I-V) και είναι γνωστά ως υλικά μεταβλητής αντίστασης, varistors (VARiable resISTORS). Ειδικότερα, σε κανονικές τάσεις λειτουργίας το varistor λειτουργεί ως αντιστάτης ενώ σε τάσεις πολύ υψηλότερες από την κανονική ενεργεί ως αγωγός. Η αλλαγή από τη φάση του αντιστάτη στη φάση του αγωγού προσδιορίζεται σε κάθε varistor από τη χαρακτηριστική τιμή της τάσης διάσπασής του (breakdown voltage, V_br). Το varistor βρίσκει εφαρμογή  σε συστήματα προστασίας ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών διατάξεων τροφοδοτούμενων από το δίκτυο των 220V από ανεπιθύμητους παλμούς υπερτάσης ή υπερέντασης στο δίκτυο. Κύριος εκπρόσωπος της σύγχρονης γενιάς των varistor είναι το οξείδιο του ψευδαργύρου, ZnO, που αποτελεί τη βάση για κεραμικά πολυκρυσταλλικά υλικά, κατάλληλα τροποποιημένα με πρόσθετα οξείδια όπως Bi₂O₃, MnO, Co₃O₄. 

Η προτεινόμενη διδακτορική διατριβή αποσκοπεί στη μελέτη με προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής υλικών που χαρακτηρίζονται από μη γραμμικές ηλεκτρικές ιδιότητες. Η μοριακή δυναμική αποτελεί ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη των δομικών και των δυναμικών ιδιοτήτων υλικών.

Σε πρώτο στάδιο, θα δημιουργηθεί ο πηγαίος κώδικας που θα εκτελεί την προσομοίωση σε σταθερή θερμοκρασία, όγκο και πίεση και θα χρησιμοποιεί κατάλληλες περιοδικές συνθήκες. Σε δεύτερο στάδιο, ο κώδικας θα εμπλουτισθεί με τη δυνατότητα εφαρμογής εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου σε συγκεκριμένη κατεύθυνση έτσι ώστε να είναι δυνατή  η αποτίμηση των αλλαγών τόσο στις δομικές όσο και στις δυναμικές ιδιότητες των υλικών υπό την επίδραση του πεδίου.

Στη συνέχεια, η μελέτη θα επικεντρωθεί στον κρύσταλλο ZnO δεδομένου ότι αποτελεί πρότυπο υλικό γνωστό για τις μη γραμμικές ηλεκτρικές του ιδιότητες. Η δομική μελέτη θα πραγματοποιηθεί κυρίως μέσω της διερεύνησης των συναρτήσεων ακτινικών κατανομών (Radial Distribution Functions, RDF). Η δυναμική μελέτη για τη διάχυση ιόντων θα γίνει με την αποτίμηση των συναρτήσεων MSD (Mean Square Displacement) ενώ για τη διάχυση ηλεκτρονίων θα χρησιμοποιηθεί υβριδική μέθοδος που θα συνδυάζει την κλασική μοριακή δυναμική με εναλλακτικούς υπολογισμούς μεταφοράς φορτίου.

Έχοντας αποτιμήσει την εφαρμογή των μεθόδων στον κρύσταλλο ZnO, η μελέτη θα επικεντρωθεί στο πολυκρυσταλλικό ZnO, δηλαδή το υλικό όπου υπάρχει διαφορετικός κρυσταλλογραφικός προσανατολισμός μεταξύ γειτονικών κόκκων ZnO, διερευνώντας τις ιδιότητες των διεπιφανειών. Οι διεπιφάνειες διαδραματίζουν ουσιαστικό ρόλο αφού η μη γραμμική συμπεριφορά των varistors αποδίδεται στην ανάπτυξη φραγμάτων δυναμικού ανάμεσα τους. Κάθε διεπιφάνεια στα κεραμικά πολυκρυσταλλικά ZnO varistors είναι γνωστό ότι χαρακτηρίζεται από μια τάση διάσπασης ίση με 3V. Η χαρτογράφηση των ιδιοτήτων των διεπιφανειών θα επιτρέψει τη μελέτη των αναπτυσσομένων φραγμάτων δυναμικού καθώς και την εξάρτησή τους από το εξωτερικά εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο.

Τέλος, οι προσομοιώσεις και οι θεωρητικοί υπολογισμοί θα επεκταθούν σε σύνθετα υλικά αποτελούμενα από πολυκρυσταλλικό ZnO, τροποποιημένο με πρόσθετα οξείδια. Θα γίνει επίσης προσπάθεια προσομοίωσης σύνθετων υαλοκρυσταλλικών υλικών, όπου ανάμεσα σε μονοκρυστάλλους ZnO παρεμβάλλεται υαλώδες στρώμα. Τα συγκεκριμένα υλικά έχουν ήδη δοκιμασθεί επιτυχώς σε συστήματα  προστασίας διατάξεων χαμηλής τάσης λειτουργίας, δεδομένου ότι εμφανίζουν χαρακτηριστική τάση διάσπασης ίση με 3V.