Beregninger med sikte på et DFT-basert reaktivt kraftfelt for strontium, bly, titan og oksygen.
Master thesis
View/ Open
Date
2009Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for fysikk [2652]
Abstract
Denne oppgaven tar utgangspunkt i et prosjekt som hadde til hensikt å studere groing av en PbTiO3-perovskittfilm på kubisk SrTiO3, hvor bruksområdene for dette inkluderer minnehåndtering i databrikker og lignende. Denne prosessen vil bli studert ved hjelp av et reaktivt kraftfelt, ReaxFF. Parametrene for dette kraftfeltet har blitt funnet ved å bruke bunnpunktsenergier for ulike krystallfaser av strontium, bly, titan og oksygen. Disse verdiene har blitt regnet ut ved hjelp av Amsterdam Density Functional, en programpakke som brukes til beregninger med DFT. DFT-beregningene har blitt utført med funksjonalen RPBE, og en nullte-ordens ordinær tilnærming (ZORA). Med DFT har det blitt regnet ut volumkurver for fem ulike krystaller av strontium, fire ulike krystaller av titan, seks forskjellige krystaller av kombinasjoner av strontium, titan og oksygen, samt en volumkurve for SrTiO3. I tillegg til beregningene på krystaller har det også blitt gjort geometrioptimeringer på 36 forskjellige molekyler av strontium, titan, bly, oksygen og hydrogen, samt 9 beregninger på ulike bindingsstrekk,vinkelbøyinger og vinkeldreiinger på noen av de samme molekylene.
Det reaktive kraftfeltet som ble oppnådd ved tilpasning til krystallvolumkurvene ble så testet ut i forhold til geometrioptimeringen av 8 ulike rene strontiummolekyler, samt for bindingsstrekk av Sr2 og vinkelbøying av Sr3. Det ble funnet at for alle krystallene, med unntak av HCP-strukturen, var det god korrelasjon mellom resultatene for DFT og ReaxFF, og at for strontiummolekylene var også korrelasjonen bra, særlig i forhold til reaksjoner hvor større antall av de aktuelle molekylene deltok. For bindingsstrekk og vinkelbøying ble det funnet et bra samsvar mellom DFT og ReaxFF, men at likevektspunktet for bindingen var noe forskjøvet, samt at energiforskjellene, men ikke likevektspunktet, i vinkelbøyingen var noe mindre i ReaxFF enn for DFT. Kraftfeltet ble likevel ansett som godt nok til bruk i videre arbeid. This assignment is grounded in a project with the intention of studying growth of a PbTiO3 perovskite film on SrTiO3 in bulk. Areas of interest for this material includes storage units and computer memory. The process will be studied with the aid of a reactive force field, called ReaxFF. The parameters for this force field have been found by using equilibrium energies for various crystal phases of strontium, titanium, lead and oxygen. These values have been obtained through the use of the Amsterdam Density Functional software package, which uses DFT. The DFT calculations have used the RPBE functional, and the zeroth order regular approximation, ZORA. Using DFT, volume curves for five different crystal phases for strontium, four for titanium, six various crystals composed of combinations of strontium, titanium and oxygen, and also for SrTiO3, have been found. In addition, geometry optimization on 36 molecules composed of strontium, titanium, lead, oxygen and hydrogen have been calculated, as well as 9 calculations on bond stretching, valence angle bending and valence angle torsion on some of these molecules.
The reactive force field was then achieved by adapting the parameters in the ReaxFF force field to these volume curves, and subsequently tested by comparing the values of ReaxFF to 8 different strontium molecules optimized by DFT. In addition, a bond stretch of Sr2 and a valency angle bending of Sr3 was also compared. It was found that for all the crystals, with an exception for HCP, there was a good correlation between the results for ReaxFF and those for DFT, and also for the various strontium molecules the comparison showed a relatively good correlation, especially when taking into consideration chemical reactions involving a large number of these molecules. As for the bond stretching and valency angle bending a satisfying correlation was found for both instances, but the equilibrium value of ReaxFF was slightly distorted in comparison to DFT, and the energy difference in the ReaxFF depiction of the valency angle was smaller than for DFT. The equilibrium value comparison for the latter was, on the other hand, favourable. The force field was thus deemed adequate, and fit for use in future work.