КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-72-00138

НазваниеИсследование фазовых переходов в углеродных материалах на атомном уровне с помощью современных методов моделирования

РуководительЕрохин Сергей Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-206 - Высокие давления

Ключевые словаалмаз, графит, диаман, фазовые переходы, ML-потенциалы

Код ГРНТИ29.19.15

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Разнообразные фазовые переходы первого рода в своем развитии проходят через одни и те же стадии, первая из которых является стадия нуклеации представляющая наибольший интерес и наибольшую сложность при изучении. В теории этой стадии тесно переплетаются вопросы термодинамики малых систем и описания процесса преодоления зарождающимися частицами энергетического барьера. Для достижения детального понимания нуклеации необходимо применение методов компьютерного моделирования. Малые размеры зарождающегося ядра новой фазы требуют учёта вкладов границы раздела, поверхностной энергии, релаксации механических напряжений в энергию кривизны и прочие особенности низкоразмерных материалов. Для этого необходимо проведение высокоточного моделирования, учитывающего все эти параметры, что, однако, является крайне сложной задачей для текущего инструментария вычислительного материаловедения. Действительно, традиционные методы теории функционала электронной плотности, хотя и позволяют достаточно точно рассчитывать свойства атомарных систем из первых принципов, тем не менее лимитированы имеющимися вычислительными мощностями. Это ограничивает их применимость периодическими структурами, состоящими из сотен атомов. В то же время задача описания нуклеации новых фаз требует описание систем с числом атомов до 10^4-10^6 атомов. С другой стороны, нетребовательные к вычислительным ресурсам эмпирические потенциалы позволяют описывать большие системы содержащие миллионы атомов. Но до недавнего времени параметризация этих потенциалов ограничивалась своими (часто довольно узкими) модельными системами, не предназначенными для моделирования переходных состояний и новых фаз, что является необходимым условием изучения фазовых трансформаций. Однако, ситуация кардинально изменилась в последнее время с появлением эмпирических потенциалов машинного обучения, которые могут быть обучены на большом наборе данных, получаемых с помощью расчётов из первых принципов. Таким образом, одной из задач проекта является разработка таких потенциалов описывающих взаимодействие с точностью методов из первых принципов, позволяющих моделировать требуемое число атомов в структурах. Параметризованные потенциалы будут применены для описания фазовой трансформации в углеродных системах, переходе графит-алмаз и многослойный графен-сверхтонкая алмазная плёнка (диаман), а в дальнейшем могут быть использованы для описания фазовых переходов и в других системах.

Ожидаемые результаты
По итогам проекта будут достигнуты следующие результаты: Будет предложен новый механизм фазового перехода из графита в алмаз с учётом формирования сверхтонких слоёв новой фазы в графите. Для количественного описания нового механизма будет разработан ML-потенциал для описания формирования зародышей sp^3-фаз в углеродных структурах как объёмного графита/алмаза, так и сверхтонких плёнок графена/алмаза. Для этого будет подготовлен набор из тысяч периодических ячеек, содержащих различные углеродные структуры. Для случая перехода «многослойный графен-сверхтонкая алмазная плёнка» потенциалы будут параметризованы для описания плёнок различных фаз нанометровой толщины со свободной поверхностью. Координаты структур будут преобразованы в подходящий набор представлений, который позволит алгоритму машинного обучения натренировать потенциал с достаточной точностью. Данный потенциал будет корректно описывать параметры решёток, внутреннюю энергию изучаемых фаз углерода, а также упругую энергию механических напряжений на границе раздела между различными фазами. С использованием разработанного потенциала будет исследована нуклеация алмазных фаз в графите и многослойном графене. Будет описана новая модель роста алмазной фазы в графите и определено влияние давления и температуры. В случае сверхтонких плёнок будет показана нуклеация диамана в плёнках графена под давлением и показано влияние формы зародыша на процесс роста алмазной фазы. Успешное выполнение проекта не только приведёт к созданию первого потенциала, основанного на машинном обучении, предназначенного для изучения фазовых переходов в углеродных наноструктурах, что существенно расширит применимость методов компьютерного моделирования в материалах, но и позволит ответить на вопрос о роли структуры зародыша в фазовой трансформации графит-алмаз, а также уточнить условия формирования нового перспективного материала – двумерного алмаза.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
С помощью теории функционала электронной плотности было показано, что плёнки кубического алмаза в графитовой матрице могут быть устойчивы, только начиная с 8 атомарных слоёв, тогда как плёнки гексагонального алмаза стабилизируются уже начиная с 4-х слоёв. Преимущество фазы лонсдейлита в сверхтонких плёнках было объяснено расчётом поверхностной энергии плёнок. Было получено, что поверхностная энергия плёнок кубического алмаза более, чем в два раза выше, чем у гексагонального алмаза. После исследования устойчивости плёнок с различными поверхностями было показано, что только плёнка (111) со структурой кубического алмаза и плёнка (10-10) со структурой гексагонального алмаза обладают наименьшими расхождениями с параметрами решётки графита и подходят для изучения процесса нуклеации. На тренировочном наборе структур, состоящем из периодических структур кристаллов исследуемых фаз под давлением, неравновесных конфигурациях при температуре, плёнок с различными поверхностями и полупериодических моделей зародышей, были натренированы потенциалы машинного обучения. Критерием тренировки было не только малое значение среднеквадратичного отклонения в определении сил и энергий от расчётов теории функционала плотности, но и корректное определение упругих характеристик объёмных фаз. После сравнения потенциалов MTP- и GAP-типа было показано, что они дают сходную точность. Однако, как по вычислительным затратам, так и по эффективности распараллеливания заметным преимуществом обладал потенциал MTP. который и использовался в дальнейших расчётах. С помощью полученного потенциала машинного обучения строились и оптимизировались модели зародышей фаз кубического и гексагонального алмаза в графите при различных давлениях. Далее вычислялся термодинамический потенциал Гиббса, значения которого использовались для вывода аналитического уравнения для описания нуклеации алмазных фаз в графите. По зависимостям, полученным из аналитического уравнения, были определены барьеры нуклеации и критические размеры зародышей алмазных фаз. Кроме того, было показано, что зародыши слишком малой толщины вообще не могут существовать даже при давлении 15 ГПа. При толщине от ~6 до ~10 атомарных слоёв более стабильными оказываются зародыши гексагонального алмаза. А при толщине больше 30 слоёв более устойчивыми становятся зародыши кубического алмаза.

 

Публикации

1. - информация о грантах сайт лаборатории, - (год публикации - )