Моделирование образования молекулярной структуры в результате теплового пробоя в аморфном углероде

Авторы

  • А.М. Попов
  • А.А. Гришанин
  • Н.Г. Никишин
  • Г.Н. Шумкин

Ключевые слова:

многомасштабные квантовомеханические коды молекулярной динамики
фазовый переход в аморфном углероде
память на фазовых переходах
нанотехнологии
суперкомпьютер Blue Gene/P

Аннотация

Предложена многомасштабная модель памяти на фазовом переходе. Процесс моделируется самосогласованно на трех уровнях. На первом уровне проводятся вычисления квантовой молекулярной динамики из первых принципов c учетом пространственного распределения температуры. Временн’ая эволюция электронной структуры моделируется на втором уровне с использованием редуцированной молекулярной динамики Эренфеста в окрестности фазового перехода второго рода. На третьем уровне вычисляется новое пространственное распределение температуры с помощью уравнения теплопроводности в сплошной среде. Вычисления показывают образование графитовой послойной молекулярной структуры из аморфного состояния под действием температурных эффектов. Эволюция электронной плотности приводит к локализации пространственной зависимости проводимости. Пространственно локализованный джоулев источник инициирует возникновение тепловой неустойчивости и таким образом поддерживает структуру. Такое поведение может объяснить возникновение S-образной формы вольт-амперной характеристики проводящей наноточки в эксперименте. Вычисления проводились на суперкомпьютере IBM Blue Gene/P, установленном на факультете ВМК МГУ.

Новые вычислительные технологии

Загрузки

Опубликован

2014-04-01

Выпуск

Том 15 (2014): Выпуск 2.

Раздел

Раздел 1. Вычислительные методы и приложения

Авторы

А.М. Попов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Ленинские горы, 119991, Москва
• профессор

А.А. Гришанин

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Ленинские горы, 119991, Москва
• аспирант

Н.Г. Никишин

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Ленинские горы, 119991, Москва
• студент

Г.Н. Шумкин

Научно-технический центр IBM в России
Пресненская наб., 10, 123317, Москва
• разработчик ПО

Библиографические ссылки

  1. Rieth M., Schommers W. Handbook of Theoretical and Computational Nanotechnology. Karlsruhe: Forschungszentrum Karlsruhe, 2006.
  2. Wuttig M., Yamada N. Phase-change materials for rewriteable data storage // Nat. Mater. 2007. 6. 824-832.
  3. Liljeroth P., Repp J., Meyer G. Current-induced hydrogen tautomerization and conductance switching of naphthalocyanine molecules // Science. 2007. 317. 1203-1206.
  4. Standley B., Bao W., Zhang H., et al. Graphene-based atomic-scale switches // Nano Lett. 2008. 8, N 10. 3345-3349.
  5. Попов А.М. Вычислительные нанотехнологии. М.: КноРус, 2014.
  6. Van der Molen S.J., Liljeroth P. Charge transport through molecular switches // Journal of Physics: Condensed Matter. 2010. 22, N 13, 133001-133030.
  7. Meijer G.I. Who wins the nonvolatile memory race? // Science. 2008. 319. 1625-1626.
  8. Sebastian A., Pauza A., Rossel C., Shelby R.M., Rodriguez A.F., Pozidis H., Eleftheriou E. Resistance switching at the nanometre scale in amorphous carbon // New J. Phys. 2011. 13, N 1. Article No. 013020.
  9. Shumkin G.N., Zipoli F., Popov A.M., Curioni A. Multiscale quantum simulation of resistance switching in amorphous carbon // Procedia Computer Science. 2012. 9. 641-650.
  10. Шумкин Г.Н., Попов А.М. Моделирование из первых принципов фазового перехода в аморфном углероде // Математическое моделирование. 2012. 24, № 10. 65-79.
  11. Takai K., Oga M., Sato H., et al. Structure and electronic properties of a nongraphitic disordered carbon system and its heat-treatment effects // Phys. Rev. B. 2003. 67. 214202-214212.
  12. Jornada F.H., Gava V., Martinotto A.L., Cassol L.A., Perottoni C.A. Modeling of amorphous carbon structures with arbitrary structural constraints // J. Phys. Condens. Matter. 2010. 22, N 39. Article No. 395402.
  13. Marks N.A., McKenzie D.R., Pailthorpe B.A., Bernasconi M., Parrinello M. Ab initio simulations of tetrahedral amorphous carbon // Phys. Rev. B. 1996. 54, N 14. 9703-9714.
  14. He Y., Zhang J., Guan X., et. al. Molecular dynamics study of the switching mechanism of carbon-based resistive memory // IEEE Trans. on Electron Dev. 2010. 57, N 12. 3434-3441.
  15. Car R., Parrinello M. Unified approach for molecular dynamics and density-functional theory // Phys. Rev. Lett. 1985. 55. 2471-2474.
  16. Kohn W. Density functional and density matrix method scaling linearly with the number of atoms // Phys. Rev. Lett. 1996. 76. 3168-3171.
  17. Marx D., Hutter J. Ab initio molecular dynamics: theory and implementation // Modern Methods and Algorithms of Quantum Chemistry. Vol. 1. Julich: Forschungszentrum Jülich, 2000. 301-449.
  18. Andreoni W., Curioni A. New advances in chemistry and materials science with CPMD and parallel computing // Parallel Comput. 2000. 26, N 7/8. 819-842.
  19. Bekas C., Curioni A., Andreoni W. Atomic wavefunction initialization in ab initio molecular dynamics using distributed Lanczos // Parallel Comput. 2008. 34, N 6. 441-450.
  20. Andrade X., Castro A., Zueco D., Alonso J.L., Echenique P., Falceto F., Rubio A. A modified Ehrenfest formalism for efficient large-scale ab initio molecular dynamics // J. Chem. Theory Comput. 2009. 5, N 4. 728-742.
  21. Martyna G.J., Klein M.L., Tuckerman M. Nosé-Hoover chains: the canonical ensemble via continuous dynamics // J. Chem. Phys. 1992. 97, N 4. 2635-2643.