Badania in silico w przewidywaniu właściwości optycznych i elektrycznych hybrydowych kryształów ferroelektrycznych i półprzewodników

Niniejszy projekt badawczy koncentruje się na badaniach teoretycznych w ciele stałym dla stabilnych układów hybrydowych (organiczno-nieorganicznych), które mają wspomóc analizę eksperymentalną i część syntetyczną badań materiałowych. Ściślej prowadzone będą statyczne obliczenia kwantowo-mechaniczne oraz symulacje dynamiczne w grupie kryształów ferroelektrycznych, półprzewodników i perowskitów. Obliczenia będą prowadzone dla kryształów otrzymanych syntetycznie w ramach współpracy badawczej z grupą Ferroików i Półprzewodników na Wydziale Chemii UWr. Na bazie wyników obliczeń statycznych i termodynamicznych postuluje się struktury krystaliczne z uwzględnieniem przejść fazowych, polaryzację spontaniczną z wykorzystaniem faz Berrego, częstości w widmach podczerwonych (IR) oraz wiele innych właściwości fizykochemicznych badanych kryształów, takich jak: efekt piezoelektryczny, gęstości stanów i strukturę pasmową wraz z wyznaczaniem wartości przerwy wzbronionej. Wartość przerwy wzbronionej będzie można porównać z wartości uzyskaną eksperymentalnie z widm UV-ViS. Zaplanowane i obecnie prowadzone symulacje pozwolą określić czy mamy do czynienia w badanych kryształach z bezpośrednim, czy pośrednim przejściem elektronowym między pasmem walencyjnym (VB), a pasmem przewodnictwa (CB). Dodatkowo wyznaczone wartości bezwzględne poziomów orbitalnych HOMO i LUMO oraz poziomu energii Fermiego w odniesieniu do próżni w strukturze pasmowej pozwoli ocenić, czy mamy do czynienia z kontaktem omowym między metalem, a półprzewodnikiem lub kontaktem z barierą dla elektronu (tj. barierą Schottky'ego). Wymienione powyżej parametry są niezwykle ważne ze względu na właściwości elektryczne badanych kryształów i ich ewentualnych zastosowań inżynieryjnych i wdrożeniowych w fotowoltaice i elektronice użytkowej. Projektowanie nowoczesnych półprzewodników hybrydowych, posiadających pasmo wzbronione w zakresie od 1-3 eV jest niezwykle istotne z punktu widzenia szybkiego rozwoju technologicznego w zakresie ogniw fotowoltaicznych i pozyskiwania oraz magazynowania energii elektrycznej transformowanej z energii słonecznej. Proponowane badania i prace obliczeniowe w ramach projektu pozwolą również na uzyskanie nowej perspektywy badawczej dotyczącej wytwarzania stabilnych i wydajnych fotodetektorów.
Przyjęta metodyka badawcza (zaawansowane metody chemii kwantowej oraz duże bazy funkcyjne), stosowana do obliczeń w układach periodycznych w proponowanym projekcie oraz budowa molekularna układów (ciało stałe – kryształy hybrydowe), wymaga stosowania obliczeń z wykorzystaniem wielu rdzeni procesorów oraz znacznych nakładów pamięci RAM oraz szybkiej sieci komunikacyjnej typu InfiniBand. W sposób naturalny wymusza to konieczność korzystania z zasobów obliczeniowych CI TASK, który w swojej flocie maszynowej posiada wymaganą moc obliczeniową (klaster wieloprocesorowy Tryton) oraz odpowiednio dużą przestrzeń dyskową do składowania danych wolumetrycznych wartości powyżej 2 TB.