Расчеты свойств кристаллов и низкоразмерных структур из первых принципов

Задача предсказания свойств различных материалов на основании знания только их химического состава давно привлекает исследователей. Однако еще в 1929 году Поль Дирак писал, что хотя теоретический фундамент для этого уже создан в рамках квантовой механики, дело упирается в решение чрезвычайно сложных уравнений.

Огромные успехи, достигнутые в развитии вычислительной техники и методов программирования, позволяют в настоящее время получить при расчете свойств веществ исходя только из уравнений квантовой механики (из первых принципов, ab initio) точность, сопоставимую с получаемой в эксперименте. Эти методы расчета позволяют предсказывать свойства самых разных объемных материалов и изготовленных из них низкоразмерных структур, рассматривать такие вопросы как поведение материалов в экстремальных условиях (например, при сверхвысоких давлениях, недостижимых в лабораторных условиях), изучать свойства опасных (радиоактивных, взрывоопасных) веществ. Расчеты из первых принципов чрезвычайно полезны при поиске материалов с какими-либо рекордно высокими характеристиками, позволяя на стадии компьютерного моделирования выделить наиболее перспективные из этих материалов еще до начала их практического получения и последующего экспериментального исследования. Кроме того, расчеты из первых принципов позволяют глубже разобраться в сути физических явлений, происходящих в исследуемых материалах, и получить их адекватную физическую интерпретацию. Признанием успехов, достигнутых в области первопринципных расчетов, является присуждение ученым, стоявшим у истоков этого направления, – Роберту Малликену, Вальтеру Кону и Джону Поплу – Нобелевских премий.

Основным направлением исследований в группе проф. А.И. Лебедева являются исследования свойств объемных кристаллов и низкоразмерных структур (сверхрешеток, нанопластинок, наногетероструктур, квантовых нитей, магических нанокластеров), содержащих в том числе легирующие примеси и структурные дефекты. Эти исследования тесно связаны с экспериментальными работами, проводимыми в нашей и дружественных лабораториях.

Проводимые расчеты основаны на использовании метода функционала плотности для расчета электронной структуры. Он позволяет рассчитать параметры кристаллической структуры, энергии различных фаз, фононный спектр, зонную структуру, спонтанную поляризацию, найти тензоры диэлектрической проницаемости, пьезоэлектрических и упругих модулей, тензоры квадратичной нелинейной оптической восприимчивости и естественной оптической активности, рассчитать рамановские и инфракрасные спектры, определить энтальпию смешения твердых растворов, величину магнитных моментов атомов и спин-орбитальное расщепление уровней. С его помощью изучаются индуцируемые давлением фазовые переходы в кристаллах. Полученные результаты публикуются в ведущих научных журналах (Physical Review B, Journal of Applied Physics, Journal of Physical Chemistry C, Journal of Alloys and Compounds, Computational Materials Science).

Поскольку любые расчеты из первых принципов чрезвычайно трудоемки, то для их проведения используется техника параллельных вычислений, при которой расчеты проводится параллельно на большом числе ядер вычислительного кластера или суперкомпьютера. Это позволяет существенно ускорить вычисления.

Для проведения расчетов в лаборатории имеется 68-ядерный вычислительный кластер, работающий под 64-разрядной операционной системой Linux, который состоит из процессоров Intel 3-го, 6-го, 8-го, 10-го и 11-го поколений с объемом оперативной памяти до 10 ГБайт на ядро и дисковой памятью около 10 ТБайт. Взаимодействие в кластере организовано с использованием протокола MPI и гигабитной сети Ethernet.

Сотрудники направления

Публикации:

• А.И. Лебедев. Электронная структура и фононный спектр теллурида свинца с примесью индия: расчеты из первых принципов. – Тез. докл. VIII Российской конф. по физ. полупроводников (Екатеринбург, 2007), с. 74.
• А.И. Лебедев. Расчеты свойств сегнетоэлектрических сверхрешеток BaTiO3/SrTiO3 из первых принципов. – Сб. докл. научн. конф. "Ломоносовские чтения", секция физики, апрель 2008 г., физфак МГУ, с. 91-94.
• А.И. Лебедев. Первопринципные расчеты свойств сегнетоэлектрических сверхрешеток BaTiO3/SrTiO3. – Тез. докл. Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (ВКС-18, Санкт-Петербург, 2008), с. 92.
• А.И. Лебедев. Ab initio расчеты фононных спектров в кристаллах перовскитов ATiO3 (A = Ca, Sr, Ba, Ra, Cd, Zn, Mg, Ge, Sn, Pb). – Физика твердого тела, т. 51, в. 2, с. 341-350 (2009).
• А.И. Лебедев. Сегнетоэлектрический фазовый переход в орторомбическом CdTiO3: расчеты из первых принципов. – Физика твердого тела, т. 51, в. 4, с. 757-763 (2009).
• А.И. Лебедев. Сегнетоэлектрические явления в CdSnO3: исследования из первых принципов. – Физика твердого тела, т. 51, в. 9, с. 1766-1770 (2009).
• А.И. Лебедев. Ab initio исследования диэлектрических, пьезоэлектрических и упругих свойств сегнетоэлектрических сверхрешеток BaTiO3/SrTiO3. – Физика твердого тела, т. 51, в. 11, с. 2190-2198 (2009).
• А.И. Лебедев. Основное состояние и свойства сегнетоэлектрических сверхрешеток на основе кристаллов семейства перовскита. – Физика твердого тела, т. 52, в. 7, с. 1351-1364 (2010).
• А.И. Лебедев. Квазидвумерное сегнетоэлектричество в сверхрешетках KNbO3/KTaO3. – Физика твердого тела, т. 53, в. 12, с. 2340-2344 (2011).
• A.I. Lebedev. Ground-state structure of KNbO3/KTaO3 superlattices: Array of nearly independent ferroelectrically ordered planes. – e-print arXiv:1102.1001 (2011); Physica Status Solidi B 249, 789 (2012).
• A.I. Lebedev. Dielectric, piezoelectric, and elastic properties of BaTiO3/SrTiO3 ferroelectric superlattices from first principles. – e-print arXiv:1105.5828 (2011); Journal of Advanced Dielectrics 2, 1250003 (2012).
• А.И. Лебедев. Ab initio расчеты нелинейно-оптических свойств нелегированных и легированных Zr и Nb кристаллов KTiOPO4. – Тез. докл. XIX Всеросс. конф. по физике сегнетоэлектриков (Москва, 2011), с. 98.
• А.И. Лебедев. Сегнетоэлектричество и индуцированные давлением фазовые переходы в HgTiO3. – Физика твердого тела, т. 54, в. 8, с. 1559-1564 (2012).
• A.I. Lebedev. First-principles study of ferroelectricity and pressure-induced phase transitions in HgTiO3. – e-print arXiv:1203.2370 (2012); Phase Transitions 86, 442 (2013).
• A.I. Lebedev. Crystal structure and properties of barium thorate BaThO3 from first principles. – e-print arXiv:1302.5614 (2013); Journal of Alloys and Compounds 580, 487 (2013).
• А.И. Лебедев. Свойства сегнетоэлектрических сверхрешеток BaTiO3/BaZrO3 с конкурирующими неустойчивостями. – Физика твердого тела, т. 55, в. 6, с. 1110-1118 (2013).
• А.И. Лебедев, И.А. Случинская. Структурная неустойчивость в кристаллах BaZrO3: расчеты и эксперимент. – Физика твердого тела, т. 55, в. 9, с. 1825-1829 (2013).
• А.И. Лебедев. Разрывы зон в гетеропереходах, образованных оксидами с кубической структурой перовскита. – Физика твердого тела, т. 56, в. 5, с. 1000-1008 (2014).
• А.И. Лебедев. Сегнетоэлектрические свойства RbNbO3 и RbTaO3. – Физика твердого тела, т. 57, в. 2, с. 316-320 (2015).
• A.I. Lebedev, I.A. Sluchinskaya. Combined first-principles and EXAFS study of structural instability in BaZrO3. – Journal of Advanced Dielectrics 5, 1550019 (2015); e-print arXiv:1304.6359 (2013).
• M.A. Terekhin, V.N. Makhov, A.I. Lebedev, I.A. Sluchinskaya. Effect of local environment on crossluminescence kinetics in SrF2:Ba and CaF2:Ba solid solutions. – Journal of Luminescence 166, 137 (2015); e-print arXiv:1506.02325 (2015).
• А.И. Лебедев. Фазовые переходы и метастабильные состояния в напряженных пленках SrTiO3. – Физика твердого тела, т. 58, в. 2, с. 292-300 (2016).
• A.I. Lebedev. Metastability effects in strained and stressed SrTiO3 films. – Journal of Advanced Dielectrics 6, 1650016 (2016); e-print arXiv:1509.00902 (2015).
• А.И. Лебедев. Нелинейно-оптические свойства нелегированных и легированных Zr и Nb кристаллов KTiOPO4. – Известия РАН, серия физическая, т. 80, в. 9, с. 1137-1140 (2016).
• R.B. Vasiliev, A.I. Lebedev, E.P. Lazareva, N.N. Shlenskaya, V.B. Zaytsev, A.G. Vitukhnovsky, Y. Yao, K. Sakoda. High-energy exciton transitions in quasi-two-dimensional cadmium chalcogenide nanoplatelets. – Physical Review B 95, 165414 (2017); e-print arXiv:1703.08960 (2017).
• A.I. Lebedev. Lattice dynamics of quasi-two-dimensional CdSe nanoplatelets and their Raman and infrared spectra. – Physical Review B 96, 184306 (2017), e-print arXiv:1707.05444 (2017).
• A.I. Lebedev. Ferroelectricity and piezoelectricity in monolayers and nanoplatelets of SnS. – Journal of Applied Physics 124, 164302 (2018); e-print arXiv:1805.08437 (2018).
• И.А. Случинская, А.И. Лебедев. Новая магнитная нецентральная примесь – кобальт в титанате стронция. – Физика твердого тела 61, 521 (2019).
• A.I. Lebedev. Negative thermal expansion in CdSe quasi-two-dimensional nanoplatelets. – Physical Review B 100, 035432 (2019); e-print arXiv:1908.04581 (2019).
• Е.М. Рогинский, Ю.Ф. Марков, А.И. Лебедев. Структура, динамические и нелинейные оптические свойства кристаллов Hg2F2. – Журнал экспериментальной и теоретической физики 155, 855 (2019).
• I.A. Sluchinskaya, A.I. Lebedev. Electronic and magnetic properties of structural defects in SrTiO3(Co). – Journal of Alloys and Compounds 820, 153243 (2020); e-print arXiv:1912.10711 (2019).
• A.I. Lebedev. Piezoelectric properties of II-IV/I-V and II-IV/III-III ferroelectric perovskite superlattices. – Ferroelectrics 567, 89 (2020).
• A.I. Lebedev. Piezoelectric properties of ferroelectric perovskite superlattices with polar discontinuity. – Computational Materials Science 188, 110113 (2021); e-print arXiv:2012.08817 (2020).
• A.I. Lebedev, B.M. Saidzhonov, K.A. Drozdov, A.A. Khomich, R.B. Vasiliev. Raman and infrared studies of CdSe/CdS core/shell nanoplatelets. – Journal of Physical Chemistry C 125, 6758 (2021).
• А.И. Лебедев. Расчеты из первых принципов колебательных спектров сверхрешеток CdSe/CdS. – Физика твердого тела 63, 2038 (2021).
• И.А. Случинская, А.И. Лебедев. О возможности введения примеси железа в узлы A в SrTiO3. – Физика твердого тела 64, 345 (2022).
• A.I. Lebedev. Spontaneous strain in quasi-two-dimensional Janus CdSe nanoplatelets and its microscopic mechanisms. – Journal of Physical Chemistry C 127, 9911 (2023); e-print arXiv:2405.11679 (2024).
• A.I. Lebedev. A new approach to analyzing the spinor wave functions: Effect of strain on the electronic structure and optical transitions in bulk CdSe. – e-print arXiv:2307.15534 (2023).