مختبر نظري ومحاكاة المواد

يقع مختبر نظرية ومحاكاة المواد في نقطة التقاطع بين الفيزياء الأساسية، والكيمياء النانوية، والحوسبة عالية الأداء. يتمثل نشاطه الرئيسي في استخدام قوة الحوسبة الرقمية لفهم والتنبؤ بسلوك المواد المصنعة اصطناعياً.
وفيما يلي ملخص منظم لأنشطته:
1. النمذجة والمحاكاة الرقمية المتقدمة
لفهم المواد التي لا توجد في الطبيعة، يعتمد المختبر على أساليب نظرية متطورة:
• نظرية الكثافة الوظيفية (DFT): تُستخدم لتحسين الهياكل الذرية وحساب الطاقات الإجمالية. يسمح هذا بتحديد ما إذا كان الطور مستقراً حتى قبل محاولة تصنيعه في المختبر.
• المحاكاة متعددة المقاييس: نمذجة التفاعل المعقد بين عدد كبير من الإلكترونات والأنوية لتفسير الأصل المجهري للخصائص الفيزيائية.
• تحليل البنية الإلكترونية: دراسة كثافات الحالات، وتشتت النطاقات، والتجمعات الإلكترونية لتفسير النتائج التجريبية.
2. دراسة البيروفسكايت والفروكهربائية (الكهربائية الحديدية)
يولي المختبر اهتماماً خاصاً لمواد البيروفسكايت مثل BaTiO3 (تيتانات الباريوم) و PbTiO3 (تيتانات الرصاص):
• السلوك الكتلي: تحليل الأطوار وتطور العيوب النقطية كدالة لدرجة الحرارة.
• الأسطح والواجهات: دراسة استقرار الأسطح وفقاً لاتجاهها القطبي أو غير القطبي، والمقارنة بين الحالات الفروكهربائية والباراكهربائية (الكهربائية المسايرة).
• تأثيرات الحجم (المقياس النانوي): تحليل تأثير سُمك الطبقات الرقيقة جداً على التشوه القطبي، وهو أمر ضروري للحفاظ على الفروكهربائية في الأجهزة المصغرة.
3. الإلكترونيات الجزيئية والإلكترونيات الدورانية (السبينترونيك)
يستكشف المختبر نواقل جديدة لنقل المعلومات:
• المواد العضوية: دراسة تأثير المجال الكهربائي على النقل الإلكتروني وتحليل المقاومة المغناطيسية.
• الإلكترونيات الدورانية (السبينترونيك): تطوير مركبات ذات خصائص جديدة للذواكر المغناطيسية والإلكترونيات الدقيقة المستقبلية.
• امتزاز الجزيئات: تحليل كيفية تأثير البيئة الكيميائية واتجاه السطح على تثبيت الجزيئات، مما يمهد الطريق للتقنيات النانوية الحيوية.
4. التحلل الحراري بالرش (Spray Pyrolysis)
يعد الترسيب بالتحلل الحراري بالرش تقنية مفضلة في هذا المختبر للتحقق عملياً من التنبؤات الرقمية. إليك كيف تكمل هذه الأنشطة وصف المختبر:
4.1. التحلل الحراري بالرش: من المحاكاة إلى الإنجاز
نستخدم تقنية التحلل الحراري بالرش (أو الرش الكيميائي التفاعلي) لتصنيع أغشية رقيقة بتحكم دقيق. هذه التقنية هي الأداة المثالية لاختبار المواد "النظرية":
• تصنيع الأغشية الرقيقة شبه الموصلة: على وجه الخصوص ZnO (أكسيد الزنك)، و NiO (أكسيد النيكل)، و SnS₂ (ثاني كبريتيد القصدير).
• التحقق من النماذج: تُستخدم الخصائص البصرية والهيكلية المقاسة على هذه الأغشية (بواسطة حيود الأشعة السينية DRX أو الأشعة المرئية وفوق البنفسجية UV-Vis) لتأكيد حسابات الطاقات الإجمالية واستقرار الطور التي تم إجراؤها بواسطة DFT.
4.2. دراسة التطعيم (التشويب) والخصائص الجديدة
تركز أعمالنا على إدخال الشوائب لتعديل الخصائص الفيزيائية، وهو محور أساسي للمختبر:
• التطعيم بالعناصر الأرضية النادرة: أعمال على Eu-doped ZnO (الزنك المطعم باليوروبيوم) للتطبيقات المضادة للبكتيريا تحت الضوء المرئي.
• التطعيم المعدني: دراسات حول التطعيم بالفاناديوم (V)، أو الألومنيوم (Al)، أو النحاس (Cu)، أو الموليبدينوم (Mo) لتحويل هذه الأكاسيد إلى موصلات شفافة (TCO) أو محفزات ضوئية عالية الأداء.
4.3. التطبيقات المستهدفة في المنشورات
توجه هذه الأعمال أنشطة المختبر نحو حلول صناعية ملموسة:
• الخلايا الكهروضوئية: استخدام الأغشية الرقيقة كطبقات وسيطة (buffer layers) غير سامة.
• أجهزة الاستشعار والإلكترونيات البصرية: تطوير أجهزة استشعار لدرجة حرارة السطح أو شاشات مسطحة بفضل الشفافية العالية (غالباً > 80٪) للأغشية المنتجة.
• البيئة: التحلل التحفيزي الضوئي للملوثات العضوية (مثل أزرق الميثيلين) عبر الأغشية الرقيقة المطعمة.