OH− ionok LiNbO3 kristályban (HPC felhasználás) Lengyel Krisztián MTA SZFKI Kristályfizikai osztály
2011. november 14.
OH− ionok LiNbO3 kristályban (HPC felhasználás)
1/16
Tartalom
A LiNbO3 kristály és a rácsba beépülo˝ OH− ionok rövid bemutatása. Infravörös abszorpciós mérések ⇐⇒ kvantumkémiai számítások. A SIESTA (Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms) program. Sztöchimetrikus LiNbO3 kristályba beépülo˝ OH− ionok vizsgálata. Valósághubb ˝ modell (kristályhibák), avagy miért is van szükség HPC-re? Tapasztalatok, köszönetnyilvánítás.
OH− ionok LiNbO3 kristályban (HPC felhasználás)
2/16
LiNbO3 kristály és az OH− ionok Alkalmazások Nagy hatásfokú felharmonikus keltés. (PPLN) Elektro- és akusztooptikai alkalmazások. Holografikus adattárolás. THz-es elektromágneses sugárzás keltése.
OH− ionok LiNbO3 kristályban (HPC felhasználás)
3/16
LiNbO3 kristály és az OH− ionok
Növesztés Olvadékból (Czochralski módszer) Oldat-olvadékból (TSSG módszer) Idegen anyagok ˝ (pl. OH− Szennyezok ionok) Adalékok (pl. Mg, Fe, ritkaföldfém)
OH− ionok LiNbO3 kristályban (HPC felhasználás)
4/16
LiNbO3 kristály és az OH− ionok OH− ionok hatásai ˝ Megváltoztatják a LiNbO3 kristály vezetoképességét. ˝ teszik a LiNbO3-ba írt hologramok termikus Lehetové rögzítését. Felhasználhatók „detektorként” a kristályrács hibáinak vizsgálatára a karakterisztikus rezgések mérésével.
OH−
Hajlítási
Nyújtási
O2− H+
OH− ionok LiNbO3 kristályban (HPC felhasználás)
5/16
Infravörös mérések ⇔ kvantumkémiai számítások Az infravörös abszorpciós spektrum Sztöchiometria (sztöchiometrikus Li/Nb=1, kongruens Li/Nb≈0.945) Adalékolás (pl. lézersérülést gátló adalékok: Mg, Zn. . . )
Abszorbancia [ö.e.]
sLN cLN sLN:Mg cLN:Mg
3400
3450
3500
3550
3600
Hullámszám [cm−1]
OH− ionok LiNbO3 kristályban (HPC felhasználás)
6/16
Infravörös mérések ⇔ kvantumkémiai számítások
A mért OH abszorpciós sávok tartománya a minta ˝ függoen ˝ 3400-3600 cm−1 . összetételétol ˝ Az irodalomban eloforduló számítások eredményei nem egyeznek kisérleti adatokkal. Új módszer kell, ha a sztöchiometria és adalékolás hatását szeretnénk vizsgálni! Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms
OH− ionok LiNbO3 kristályban (HPC felhasználás)
7/16
SIESTA
c Fundación General Universidad Autonoma de Madrid
E.Artacho, J.D.Gale, A.García, J.Junquera, P.Ordejón, D.Sánchez-Portal and J.M.Soler Honlap: http://www.uam.es/siesta Elektronszerkezeti számítások (DFT) és ab initio molekula-dinamikai szimulációk szilárdtestekben és molekulákon. MPI-vel több szálon is futtatható!
OH− ionok LiNbO3 kristályban (HPC felhasználás)
8/16
Sztöchiometrikus LiNbO3
Szupercella 2x2x2 hexagonális elemi cella (240 atom) 1 db Li vakancia, közelében a szennyezo˝ proton
OH− ionok LiNbO3 kristályban (HPC felhasználás)
9/16
Sztöchiometrikus LiNbO3 Az optimális hely nem 2 O2− ion között van, hanem a leghosszab kötéstávolságú O2− háromszögben. Az OH− kötésirány kifordul a síkból: αout ≈ 4.3◦ .
2−
O + H
dOH=0.988 Å
Hopt
Y [Å]
Hstart
1
2
3
4
5
X [Å]
OH− ionok LiNbO3 kristályban (HPC felhasználás)
10/16
Sztöchiometrikus LiNbO3 Potenciálfelület Rögzített, optimális LiNbO3 szerkezet Proton helye: 1.2x1.2x1.2 Å3 térfogat 0.1 Å lépésköz 2197 pont 0.6
eV 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.60 0.30 0.10
z [Å]
0.3
0
−0.3
−0.6 −0.6
−0.3
0 x [Å]
OH− ionok LiNbO3 kristályban (HPC felhasználás)
0.3
0.6 −0.3
0
0.3
0.6
0.9
y [Å]
11/16
Sztöchiometrikus LiNbO3 Dinamika ˝ ab initio számítással meghatároztuk a A potenciálfelületbol karakterisztikus rezgések frekvenciáit:
Módus
ν DFT [cm−1 ]
B1
527
ν exp [cm−1 ]
B2
965
960
S
3469
3466
S+B1
3981
4009
S+B2
4394
4415
2S
6744
6745 Fig. 1.
(Color online) Infrared absorption spectra of a 2 cm −
OH− ionok LiNbO3 kristályban (HPC felhasználás)
12/16
Valósághubb ˝ modell
Kongruens LiNbO3 ˝ Könnyebb eloállítás ⇒ elterjedtebb Li/Nb≈0.945 3x3x3 hexagonális elemi cella (162 LiNbO3 molekula) 1 NbLi + 4 VLi
OH− ionok LiNbO3 kristályban (HPC felhasználás)
13/16
Valósághubb ˝ modell Miért van szükség nagy számítási kapacitásra? SLN 240 atom
⇔
CLN 810 atom
1 hibaszerkezet
kb. 3x4 hibaszerkezet
Futásido˝ 3 hónap
Futásido˝ > 120 hónap
Emellett fontos még: Megnövekedett memóraigény. Bonyolultabb és nagyobb rendszerek gyakori, váratlan nehézségei.
OH− ionok LiNbO3 kristályban (HPC felhasználás)
14/16
Valósághubb ˝ modell
Futó számítás Szerkezet optimalizálás intrinszik hibával (4x), majd OH− ionnal (3-4x). Potenciálfelület (1.2x1.2x1.2 Å3 ). Tervek Lézersérülést gátló adalékok vizsgálata LiNbO3-ban (alkalmazás). Ritkaföldfémek elektronátmeneteinek és lokális rezgéseinek összefonódása LiNbO3 -ban (rezonáns optikai folyamatok).
OH− ionok LiNbO3 kristályban (HPC felhasználás)
15/16
Tapasztalat, köszönetnyilvánítás
Tapasztalat NIIF regisztráció (GRID, HPC) Job management: GRID (gLite) HPC (qsub, qdel . . . )
Köszönetnyilvánítás MTA SZFKI Kvantumoptika Osztály, NIIF, RMKI GRID, HPC
OH− ionok LiNbO3 kristályban (HPC felhasználás)
16/16
