1. Tehnoloģisko Materiālu Kvantu-ķīmiskā Datormodelēšana no Pirmajiem Principiem Jevgenijs Kotomins LU Cietvielu Fizikas Institūts
23.09
LZA prezentācija

2. LU CFI Teorētiskās fizikas un datormodelēšanas laboratorija Viena no manas laboratorijas galvenajām aktivitātēm ir vērsta uz daudzu jauno progresīvo tehnoloģisko materiālu liela mēroga paralēlo modelēšanu, optimizējot to īpašības plašam pielietojumu lokam Teorētiskā materiālzinātne
23.09
LZA prezentācija

3. Sadarbībā ar 15 Latvijas/starptautiskām eksperimentātoru grupām, mēs strādājam pie daudzu ierīču un funkcionālo materiālu efektivitātes uzlabošanas, galvenokārt pielietojumiem enerģētikā:
23.09
LZA prezentācija

4. --cietvielu oksīdu kurināmās šūnas (kurināmie elementi) (fuel cells),kurās iespējama ekoloģiski tīra un augsti efektīva ķīmiskās enerģijas konversija elektriskajā, -- augstas kapacitātes litija baterijas, -- jauna veida UN, UC kodoldegvielas nākamās t.s. IV paaudzes kodolskaldīšanas reaktoriem, --jauni konstrukcijas materiāli kodolsintēzes tokamaka reaktoriem (tēraudu materiāli stiprināti ar Y2O3 nanoklasteriem), --keramiskās membrānas gāzu sadalīšanai ogļu termiskajās stacijās
23.09
LZA prezentācija

5. Īpaša uzmanība tiek pievērsta defektu un virsmas efektiem, kuri ir svarīgi, veidojot radiācijas izturīgus materiālus (bolometri radiācijas vidē) un nanomateriālus (piem., Li baterijas).
23.09
LZA prezentācija

6. Mūsu aktivitātes atbalsta 3 EK FP7 projekti, kā arī MATERA, EURATOM, sadarbības granti ar EK institūtiem, LR Nacionālās programmas Enerģētikā, Materiālu zinātnē, Valsts pētījumu programma „Modernie funkcionālie materiāli un tehnoloģijas“.
23.09
LZA prezentācija

7. “Latvijas Zinātnes padomes priekšlikumi zinātnes prioritārajiem virzieniem – gadam” “Latvijā materiālzinātnes problēmas risina Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas, Polimēru mehānikas, Fizikas, Atomfizikas un spektroskopijas institūtos un Rīgas Tehniskās universitātes Neorganiskās ķīmijas institūtā. RTU Materiālzinātnes un lietišķās ķīmijas fakultātes institūtos, kā arī atsevišķās firmās. … LU un RTU zinātniskajos institūtos pašlaik pētījumus materiālzinātņu nozarē veic 55 habilitētie doktori un 177 doktori; kopskaitā pēdējos piecos gados publicēti 500 raksti starptautiski atzītos žurnālos, iegūti 5 patenti, aizstāvēti 11 promocijas darbi. Materiālzinātņu programmā iesaistītie institūti un zinātnieku grupas aktīvi piedalās EK 7.ietvaru programmas projektos (MIND, CATHERINE, F-BRIDGE, NASA-OTM u.c.) un ERA-NET programmā MATERA (3.projekti).”
23.09
LZA prezentācija

8. Materiālzinātņu nozare
LU+RTU (100%) Mana laboratorija Dr.habil+Dr = =11 (4.7%) Promocijas darbi (27.3%) Publikācijas (5gadi) (28.2%)
Materiālzinātņu nozare
23.09
LZA prezentācija

9. Latvijas Zinātņu akadēmija LATVIJAS ZINĀTNES SASNIEGUMI 2007
  Latvijas Zinātņu akadēmija LATVIJAS ZINĀTNES SASNIEGUMI 2007.GADĀ Izpētītas stroncija titanāta virsmu īpašības, kas dod iespēju būtiski uzlabot informācijas apstrādes ierīču darbību (Dr. J. Kotomins, Dr. S. Piskunovs, Dr. J. Žukovskis, Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts)
23.09
LZA prezentācija

10. Galvenā metode: Cietvielu kvantu ķīmija 1998 g
Galvenā metode: Cietvielu kvantu ķīmija g. – Nobela prēmija kvantu ķīmijā saņēma J.Pople un W.Kohn par divu efektīvu fundamentālu metožu izstrādāšanu molekulu modelēšanā: atomu orbitāļu lineārās kombinācijas (LCAO) apvienošanu ar Hartrī-Foka (HF) pieeju un blīvuma funkcionāļu teoriju (DFT). Molekulu kvantu mehānikas metožu piemērošana cietvielām, defektiem un virsmām ir netriviāla: periodiskie robežnosacījumi ideālās cietvielās.
23.09
LZA prezentācija

11. Superšūnas modelis: izmanto paplašināto elementāršūnu, kur defekti periodiski atkārtojas INDO datorprogramma, kura izveidota Rīgā Ab initio datorprogrammas mūsdienās (VASP, ABINIT, CRYSTAL): - Paredz funkcionālo materiālu atomāro, elektronu struktūru, optiskās, magnētiskās un mehāniskās īpašības bez a apriori pieņēmumiem. - Efektīvi HF-DFT hibrīdo metožu pētījumi un pielietojumi (B3LYP, B3PW)
23.09
LZA prezentācija

12. 1985., un g.: 2 starptautiskās konferences “Cietvielu kvantu ķīmija” (Rīgā) un divas NATO skolas (2001.,2004.) par materiālu datormodelēšanas moderniem metodēm. Paralēlās liela mēroga modelēšanas ar atomu superšūnām tiek veiktas uz Latvijas Superdatora (LASC) CFI: Mūsu laboratorija ir vadošā Baltijas reģionā funkcionālo materiālu atomistiskā ab initio modelēšanā, un defektu/virsmu modelēšanā Eiropā
23.09
LZA prezentācija

13. Teorētiskās modelēšanas nepieciešamība: Datoreksperimenti bieži ir daudz lētāki nekā reālie eksperimenti, īpaši radioaktīviem kodolmateriāliem un kompleksiem oksīdu šķīdumiem, piem., (Ba,Sr)(Fe,Co)O2.5 Modelēšana var ieteikt jaunus materiālus turpmākai analīzei/sintēzei Atomistiskā datormodelēšana atšķir tilpuma un virsmas efektus, kuri eksperimentā nav atdalāmi Mēs varam aprēķināt dažādu reakcijas soļu ātrumus un atrast reakciju ierobežojošo soli, kas ļauj ieteikt metodes materiālu un ierīču uzlabošanai
23.09
LZA prezentācija

14. Piemērs: cietvielu oksīda kurināmā elementa modelēšana (SOFC) Ierīce sastāv no katoda (piem. LaMnO3), elektrolīta (ZrO2:Y) un anoda (Ni). O2 molekulas disociē uz katoda, pārvēršas par 2 O(2-) joniem un pāriet uz anodu. Ekoloģiski tīrā reakcijā O+H2=H2O rodas ūdens un elektriskā strāva. Skābekļa redukcijas reakcija O2 + 4e- = 2 O(2-) izskatās vienkārša, bet tās efektivitāte ir atkarīga no eksperimentāli grūti detektējamām atomistiskām/mehāniskām detaļām
23.09
LZA prezentācija

15. Ekoloģiski tīra un augsti efektīva (70%) ķīmiskās enerģijas konversija elektriskajā
23.09
LZA prezentācija

16. 7 kārtu simetrisks nestehiometrisks slānis
Bez mikroskopiskā dipola momenta
23.09
LZA prezentācija

17. -- Optimāla vieta skābekļa adsorbcijai (uz Mn, O, etc
-- Optimāla vieta skābekļa adsorbcijai (uz Mn, O, etc.) -- O2 disociācijas enerģētika, -- O un vakances migrācija uz virsmas -- O iespiešanās katoda virsmā dažādas virsmas: (100) [MnO2 vai LaO], (110), (111).  reakciju ierobežojošie soļi (rate determining steps)
23.09
LZA prezentācija

18. Mēs veicām liela mēroga pirmo-principu aprēķinus un atradām, ka adsorbētam O- jonam ir liela migrācijas aktivācijas enerģija (2 eV) un tas ir mazkustīgs salīdzinājumā ar O vakanci, kurai ir daudz mazāka aktivācijas enerģija, 0.6 eV. Tādējādi, O vakances kontrolē O un vakances sadursmi un O- jonu iespiešanos katodā.
23.09
LZA prezentācija

19. Skābekļa atomu difūzija
[100] virzienā (Mn-O-Mn)
Mn “tilta pozīcijā?” O
0.40 eV
1.6 eV TS
Migrācijas enerģija ir 2 eV: samērā mazkustīgas daļiņas
23.09
LZA prezentācija

20. Skābekļa vakance maza difūzijas barjera segregācija uz virsmas
Enerģija, eV
tilpums
virsma
veidošanās
7.64
6.23
difūzijas
0.95*
0.67
segregācija uz virsmas
maza difūzijas barjera
*Eksperimentāli Ediff(SrTiO3) = 0.86 eV
I. Denk, W. Munch, and J. Maier, Journal of the American Ceramic Society 78, 3265 (1995)
23.09
LZA prezentācija

21. Iespējamie skābekļa iespiešanās mehānismi
--Reakciju-limitējošais solis ir adsorbētā molekulārā skābekļa
(superoksīds O2- vai peroksīds O2 (2-) ) satikšanās ar virsmas skābekļa vakanci
--Vakanču koncentrācija un mobilitāte ir svarīga ātrai skābekļa iespiešanai/inkorporācijai: BSCF>LSM>LMO.
23.09
LZA prezentācija

22. Svarīgākie rezultāti 1. Kvantu ķīmisko metožu pielietojums detalizētam funkcionālo materiālu īpašību aprēķinam, uzsverot virsmas un defektu ietekmi 2. Paredzam reakciju limitējošo soli cietvielu oksīda kurināmā elementos un sniedzam rekomendācijas to efektivitātes uzlabošanai 3. Interfeisa mehānisms Li papildus akumulācijai baterijās  augstas kapacitātes ierīces 4. Paredzam metālu elektrodu optimālo augšanas veidu uz oksīdiem ar virsmas defektiem nanokondensatori nanoelektronikai 5. Paredzam UN kodoldegvielas mehāniskās īpašības pašapstarojoties reaktorā
23.09
LZA prezentācija

23. Web of Science® Citation ReportAuthor=(Kotomin E)
Publikācijas: 380(5 grāmatas un 11 pārskata raksti),
Abstrakti: Kopā citēti: 3, H-indekss: 27
23.09
LZA prezentācija

24. Grāmatas 1. Evarestov R. A. , Kotomin E. A. , Ermoshkin A. N
Grāmatas 1. Evarestov R.A., Kotomin E.A., Ermoshkin A.N. Molecular models of point defects in wide-gap solids. -Rīga: Zinātne (krievu val.), p. 2. Kantorovich L.N., Kotomin E.A., Kuzovkov V.N., Tale I.A., Shluger A.L., Zakis Yu.R. Models of defect processes in wide-gap solids. -Rīga: Zinātne (krievu val.), p. 3. Kotomin E.A. and Kuzovkov V.N. Modern Aspects of Diffusion-Controlled Processes: Cooperative Phenomena in Bimolecular Reactions, North Holland, Elsevier Publ. (vol. 34 in a series Comprehensive Chemical Kinetics), p 4. Catlow C.R.A. and Kotomin E.A. (eds.) Computational Materials Science, IOS press, Amsterdam, Berlin, Oxford,Tokyo, Washington,DC, 2003, 420 pp. (NATO Science series III: Computer and Systems Sciences, vol. 187). 5. Sickafus K. and Kotomin E.A. (eds.). Radiation Effects in Solids, 2006, NATO ASI Science Series II. Physics, Chemistry and Mathematics, Vol. 235.
23.09
LZA prezentācija

25. 20 ielūgtie referāti starptautiskās konferencēs
Ielūgtais eksperts ASV Enerģētikas Departamenta
(Department of Energy, DOE) un Nacionālās Zinātnes Fonda
(National Science Foundation, NSF) projektiem: 2005, 2007, 2009
Recenzents 20 vadošiem starptautiskiem žurnāliem:
Physical Review Letters, Physical Review B and E,
Nature Materials, Journal of Nuclear Materials,
Nuclear Instruments and Methods B, Solid State Ionics,
Surface Science, Physical Chemistry Chemical Physics,
Physica Status Solidi, Physica B, J Luminescence,
Chemistry of Materials, J Physical Chemistry
J Physics: Condensed Matter, Solid State Communications,
Chemical Physics, Philos. Magazin, Applied Physics Letters,
J. Materials Research.
23.09
LZA prezentācija

26. Mājas lapa: http://www. cfi. lu
Mājas lapa: Laboratorijā strādā 13 darbinieki: LZA īstenais loceklis, 2 Dr Habil. Phys., 8 Dr phys.,2 doktoranti
Pēdējo 9 gadu laikā zinātniso darbinieku (ar doktora grādu)
skaits laboratorijā ir divkāršojies:
Gads
Dr. fiz. Skaits
2011
23.09
LZA prezentācija