بررسی دستگاه های الکترونی همبسته قوی به دلیل خواص غـیر قابل پیش بینی و کاربرد های منحصر به فرد آنها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. این ترکیبات به طور عمده شامل عناصری می باشند که تراز d یا f آنها در حال پر شدن است. لذا جستجو برای رهیافت هایی که بتواند خواص ساختاری و الکترونی این دستگاه ها را مورد بررسی قرار دهد به طور ویژه ای مورد توجه قرار گرفته است. از جمله این رهیافت ها می توان به نظریه تابعی چگالی (dft) اشاره نمود. برای انجام محاسبات بر پایه dft از تقریب هایی استفاده می شود. از جمله این تقریب ها می توان به تقریب چگالی موضعی (lda)و تقریب شیب تعمیم یافته (gga) اشاره نمود. در کار حاضر ما گرادیان های میدان الکتریکی (efgs) و فرکانس چهار قطبی (q?) ترکیبات ral2 (r=gd, sm, eu) و ral3 (r=tm, yb) را بر پایه نظریه تابعی چگالی و با استفاده از کد wien2k که بر پایه روش پتانسیل کامل امواج تخت بهبود یافته به علاوه اربیتال های موضعی (fp-apw+lo) استوار است، برای اولین بار به طور ابتدا به ساکن محاسبه کرده ایم. در این محاسبات اثر قطبش اسپینی در نظر گرفته شده است. چگالی حالت ها در این ترکیبات محاسبه شده اند. همچنین توابع عدم تقارن اربیتال های p و d را در مکان هسته اتم ناخالصی cd محاسبه کرده ایم. مقادیر محاسبه شده با نتایج تجربی در توافق می باشند

نظریه تابعی چگالی یکی از روش های بررسی دستگاه های بس ذره ای می باشد. معروف ترین تقریب هایی که برای جمله تبادلی ـ همبستگی در نظریه تابعی چگالی استفاده می شوند، تقریب چگالی موضعی (lda) و شکل تکمیل یافته آن یعنی تقریب شیب تعمیم یافته (gga) می باشند، که در طیف وسیعی از مسایل جواب های قابل قبول و منطبق با نتایج تجربی را ارایه داده اند. اما این تقریب ها در توصیف دستگاه های همبسته قوی ضعیف عمل کرده و به نتایج دور از واقعیت منجر می شوند. یکی از روش هایی که برای اصلاح این تقریب ها ارایه شده است، روش lda+u می باشد. اما علی رغم موفقیت ها و مزیت های این روش نسبت به روش های lda و gga استفاده از روش lda+u مستلزم داشتن پارامتر هابارد (u) می باشد. تعیین پارامترu به صورت تجربی و محاسباتی پر هزینه و وقت گیر است. در سال 2006 نواک وهمکارانش روش تبادلی دقیق برای الکترون های همبسته (eece) را ارایه کردند، که درمورد ترکیبات همبسته قوی به نتایج قابل قبولی منجر می شود. استفاده از روش eece علاوه بر صرفه جویی در وقت و هزینه منجر به ارایه نتایج قابل مقایسه با روش lda+u و در برخی از موارد بهتر از آن برای ترکیبات همبسته قوی می شود. انعطاف پذیر بودن این روش به دلیل وجود ضریب ?، آن را بسیار پرکاربردتر از روش lda+u کرده است. اگر برای هسته ساختار در نظر بگیریم، برهمکنش های ابر الکترونی با هسته را برهمکنش های فوق ریز می نامند. یکی از این برهمکنش ها، برهمکنش گرادیان میدان الکتریکی(efg) با گشتاور چهارقطبی هسته می باشد. گرادیان میدان الکتریکی را می توان به عنوان یک معیار قدرتمند برای اندازه گیری میزان جایگزیدگی اوربیتال ها در نظر گرفت. گرادیان های میدان الکتریکی برای ترکیبات ux2(x=bi, sb, as, p) توسط تسوتسی و همکارانش با استفاده از روش طیف سنجی موسبائر اندازه گیری شده اند. آنها مقدار صفر را برای گرادیان میدان الکتریکی ترکیب ubi2 و مقدار غیرصفر را برای گرادیان های میدان الکتریکی سایر ترکیبات ux2 گزارش کردند. در این پایان نامه ما با استفاده روش های lda، gga، lda+u و همچنین روش eece گرادیان های میدان الکتریکی را برای همه ترکیبات ux2 محاسبه و با مقادیر تجربی مقایسه کرده ایم. با استفاده از تابعی های eece به نتایج قابل قبولی برای گرادیان های میدان الکتریکی دست یافتیم و توانستیم مقدار صفر رابرای گرادیان میدان الکتریکی ترکیب ubi2 بدست آوریم، در صورتی که با استفاده از سایر روش های قبلی این امر ممکن نبود. از مقادیر بدست آمده برای گرادیان های میدان الکتریکی ما نتیجه گرفتیم که ساختار مغناطیسی و چینش اسپینی اتم-ها از عوامل مهم و تأثیرگذار در مقدار گرادیان های میدان الکتریکی می باشند. بنابراین یکی از مهمترین دلایل اختلاف بین گرادیان های میدان الکتریکی ubi2 با سایر ترکیبات گروه ux2 با وجود ساختار فضایی و گروه نقطه ای یکسان، ساختار مغناطیسی متفاوت آنهاست. بررسی چگالی حالت های الکترونی نشان می دهد که الکترون-های اوربیتال f5 همراه با سایر الکترون های اتم اورانیوم در رسانش و هیبریدشدگی این اتم شرکت می کنند. جرم موثر بزرگ الکترون های رسانش در این ترکیبات ناشی از حضور الکترون های f5 اتم اورانیوم در نزدیکی سطح فرمی می باشد. همچنین این بررسی ها نشان می دهند که اوربیتال f اتم اورانیوم موثرترین اوربیتال در خاصیت مغناطیسی این ترکیبات است. مطالعه سطوح فرمی وجود دو نوع سطح فرمی استوانه ای و کروی را برای ترکیبات ux2 در ناحیه اول بریلوین آنها نشان می دهد. با استفاده از این سطوح و رابطه ای که با حامل های بار دارند می توان گفت که در این ترکیبات دو نوع حامل بارالکترونی و حفره ای داریم که با توجه به اینکه ترکیبات ux2 فلزاتی خنثی می باشند قابل انتظار است. همچنین برای مطالعه خواص مغناطیسی، گشتاورهای مغناطیسی مداری، اسپینی و کل را محاسبه کرده ایم. مقادیر بدست آمده برای گشتاورهای مغناطیسی نشان می دهند که گشتاورهای مداری و اسپینی پادموازی هستند در نتیجه گشتاور مغناطیسی کل از هر کدام از آنها کوچکتر می باشد

امروزه تولید و مطالعه نانوساختار ها بویژه نانوساختارهای تک بعدی با ترکیبات مختلف فلزی (آلیاژ)، اکسید ها و نیمه رساناها، با روند رو به رشدی همراه بوده است. هم چنین نسل جدید دستگاه های الکترونی مینیاتوری سبب شده اند که نانوساختارها مورد توجه بیشتری قرار گیرند. در چند سال گذشته سیم های کوانتومی با عنوان نانوسیم ها و نانومیله ها توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. نانو سیم های نیمرسانا دارای خصوصیات اپتیکی و الکترونی ویژه ای هستند و در ابزارهایی که برای اندازه گیری در ابعاد نانو مورد استفاده قرار می گیرند، کاربرد دارند. یکی از نمونه های مهم در تکنولوژی ایندیوم آرسناید است. این نانو ساختار در ساخت دیودهای نوری، حسگرها و ترانزیستور اثر میدان بکار می رود و معمولا توسط ساز و کار بخار- مایع- جامد و در مجاورت ذرات طلا رشد داده می شود. با توجه به مطالب ذکر شده، در این پژوهش، خواص ساختاری، الکترونی و مغناطیسی بلور و نانوسیم ایندیوم ارسناید مورد بررسی قرار گرفته است. ایندیوم آرسناید دارای دو فاز بلندروی و ورتسایت است که در حالت انبوهه فاز پایدار آن بلندروی می باشد. با محاسبه انرژی همدوسی حالت انبوهه، پایداری دو فاز بررسی کرده ایم و نتیجه بدست آمده از محاسبات، پایداری فاز بلندروی در حالت انبوهه را تایید می کند. برای شبیه سازی نانوسیم های هگزاگونال ساختار بلندروی را در جهت [111] و ساختار ورتسایت را در جهت [0001] برش داده ایم. در این پژوهش سعی شده است که با تغییر اتم های لبه ای در نانوسیم های فاز بلندروی، نقش اتم های لبه ای در خواص مغناطیسی و پایداری مورد بررسی قرار گیرد. با محاسبه انرژی همدوسی و انرژی تشکیل، پایداری نانوسیم ها را در دو فاز بلندروی و ورتسایت بررسی کرده ایم و با رسم منحنی چگالی حالت ها و ساختار نواری خواص الکترونی مانند گاف نواری را محاسبه و نتایج را با حالت انبوهه مقایسه کرده ایم. محاسبه ها نشان می دهند که در نانوسیم های فاز بلندروی، گاف نواری نسبت به حالت انبوهه کاهش یافته در حالیکه در نانوسیم های فاز ورتسایت، گاف نواری نسبت به حالت انبوهه افزایش پیدا کرده است. همچنین مشاهده شد که حالت انبوهه فاز ورتسایت نیم رسانایی با گاف مستقیم و کوچک می باشد در حالیکه در مورد نانوسیم های همین فاز، برای قطرهای کوچک گاف غیرمستقیم است و با افزایش قطر نانوسیم، گاف مستقیم می شود. همچنین این محاسبه ها نشان می دهند که حالت انبوهه ایندیوم آرسناید در هر دو فاز غیر مغناطیسی می باشد و در حالیکه نانوسیم های فاز ورتسایت همچنان غیر مغناطیسی هستند، نانوسیم های فاز بلندروی خاصیت مغناطیسی اندکی پیدا می کنند. با محاسبه گشتاور مغناطیسی کل و گشتاور مغناطیسی اتم ها در نانوسیم های فاز بلندروی مشاهده شد که گشتاور مغناطیسی اتم های لبه ای بیشتر از دیگر اتم ها می باشد، که دلیل آن ، قطع شدن پیوندها در لبه و سطح نانوسیم است که باعث ایجاد پیوند های آویزان می شود. کلیه ی محاسبه های این دستگاه با استفاده از کدهای محاسباتی pwscf و wien2k و بر پایه ی نظریه ی تابعی چگالی انجام شده است.

نظریه تابعی چگالی از جمله روش های مطالعه دستگاه های زیستی به شمار می آید. در این پایان نامه برآنیم که به مطالعه قدرت پیوند هیدروژنی در ساختار پلی آلانین آلفاهلیکس با استفاده از کد محاسباتی wien2k بپردازیم. آلانین از جمله آمینواسیدهایی است که تمایل زیادی برای قرارگرفتن در ساختار آلفاهلیکس از خود نشان می دهد. ساختار آلفاهلیکس را به این دلیل انتخاب کرده ایم که می توان اثر برهم کنش پپتید-پپتید را بر قدرت پیوند هیدروژنی مطالعه کرد. پیوند هیدروژنی بدان لحاظ دارای اهمیت است که همیاری این پیوندها عامل اصلی پایداری ساختارهای دومین در بین ساختارهای پروتیینی است. از آنجا که تابعی pbe-gga قدرت پیوند و طول پیوند هیدروژنی را به خوبی توصیف می کند از این تابعی در انجام محاسبات استفاده می-کنیم. در ابتدا نگاهی مختصر به بانک داده پروتیینی خواهیم داشت و سپس به نحوه شبیه سازی ساختارهای پروتیینی می پردازیم. برای انجام محاسبات 10 ساختار پلی آلانین شامل 5 ساختار کاملا" کشیده و 5 ساختار آلفاهلیکس شبیه سازی می شوند. سپس به بهینه سازی خلا برای ساختارهایی با طول متناهی می پردازیم و در نهایت به محاسبه قدرت پیوند هیدروژنی در ساختار پلی آلانین آلفاهلیکس با طول بی نهایت می پردازیم و چگالی بار الکترونی را برای پیوندهای هیدروژنی رسم می کنیم. نشان داده می شود که همیاری پیوندهای هیدروژنی باعث می شود که در یک ساختار آلفاهلیکس نامتناهی پیوندهای هیدروژنی تا حدود 2 برابر قویتر از تک پیوند هیدروژنی شود. همچنین نشان داده ایم که زنجیره های کوچک پپتید نمی توانند عامل پایداری یک ساختار پروتیینی باشند که این مطلب با نتایج تجربی در توافق است. چگالی بار الکترونی نیز نشان می دهد که پیوند هیدروژنی نتیجه قطبش ابر الکترونی از اتم هیدروژن به سمت اتم الکترونگاتیو اکسیژن است.

روش های ابتدا به ساکن مبتنی بر نظریه تابعی چگالی از جمله روش های نظری مطالعه ساختار های زیستی است که می تواند دستگاه-هایی شامل 200 اتم و یا حتی بیشتر را مورد مطالعه قرار دهد. فرمامید با ساختار شیمیایی chonh_2 ساده ترین آمیدی است که به دلیل دارا بودن پیوند هیدروژنی و همچنین با توجه به تشابه عناصر تشکیل دهنده ی این ساختار(نیتروژن، هیدروژن، کربن، اکسیژن) به ساختار پروتیین، می تواند به عنوان مدلی برای مطالعه دستگاه های زیستی استفاده مورد قرار گیرد. در این پایان نامه، ویژگی های ساختاری و الکترونی ساختار انبوهه ترکیب فرمامید مورد بررسی قرار گرفته اند. محاسبه ها بر مبنای نظریه تابعی چگالی با استفاده از روش امواج تخت بهبود یافته خطی به علاوه ی اوربیتال های موضعی (apw+lo) و استفاده از پتانسیل تبادلی بکه-جانسون اصلاح شده (mbj) با کد محاسباتی wein2k انجام گرفته اند. بررسی ویژگی های ساختاری ترکیب فرمامید مانند ثابت های شبکه محاسباتی، طول و زاویه ی پیوند با استفاده از رهیافت pbe-gga منجر به نتایج قابل قبولی درمقاسیه با مقادیر تجربی شده است. همچنین تأثیر فشار هیدروستاتیکی بر ساختار نواری، چگالی حالت های الکترونی کل و چگالی بار الکترونی بلور فرمامید با استفاده از رهیافت gga مورد بررسی و محاسبه قرار گرفته اند. اعمال فشار بر این ساختار باعث کاهش مقدار قله چگالی حالت های انرژی در نزدیکی سطح فرمی و همچنین افزایش جزیی گاف نواری می شود. بررس نتایج به دست آمده از دو رهیافت lda و gga نشان دهنده ی عدم وجود چگالی در سطح فرمی نارسانا بودن این ساختار است. با بررسی چگالی بار الکترونی ساختار، قدرت پیوند با رهیافت lda قویتر از gga پیش بینی می شود. بررسی چگالی حالت های الکترونی کل با در نظر گرفتن قطبش اسپینی توسط رهیافت gga نشان می دهد که در این ساختار گشتاور مغناطیسی کل صفر است، و در نتیجه فرمامید خاصیت مغناطیسی ندارد. اگرچه قدرت پیوند هیدروژنی حدود یک مرتبه از نظر اندازه کوچکتر از قدرت پیوند کووالانسی است، ولی پیوند های هیدروژنی نقش مهمی را در فرایند های زیستی بر عهده دارند. لذا در ساختار فرمامید محاسبه ی مجموع قدرت پیوند هیدروژنی و نیروی واندروالس بین صفحات با استفاده تابعی pbe-gga انجام شده است. افزون بر موارد ذکر شده، معرفی و تحلیل فیزیکی کد جعبه ابزار خودکار نظریه آلیاژ را به طور ضمیمه در این پایان نامه توضیح داده شده اند