تعیین خواص الکترونیکی و اپتیکی مواد، پیش از سنتز

محققان دانشگاه فردوسی مشهد به کمک روش‌های محاسباتی توانستند خواص نانوساختار
مغناطیسی MgAl₂O₄ را تعیین کنند و سپس اقدام به سنتز آن نمایند که این مهم موجب شد
که هزینه و وقت لازم برای سنتز این ماده پرکاربرد، تا حد زیادی کاهش یابد.

آقای دکتر محمد حسینی، در گفتگو با بخش خبری سایت ستاد ویژه توسعه فناوری نانو با
بیان اینکه هدف اصلی از انجام این پژوهش «محاسبه خواص ساختاری، الکترونیکی و اپتیکی
اسپینل مغناطیسی MgAl₂O₄بوده‌است»، افزود: «برای تعیین خواص این ماده پرکاربرد به
طور تجربی، نیاز به یک آزمایشگاه پیشرفته و دستگاه‌های اندازه‌گیری مدرن است. از
طرفی دیگر، هزینه و وقت لازم برای تعیین خواص آن نیز بسیار بالاست. ولی با روشی که
ما ارایه کرده‌ایم فقط به یک کامپیوتر پیشرفته و تبحر کافی در محاسبات لازم است. به
علاوه کنترل سیستم در دست مجری طرح بوده و می‌تواند با افزودن ناخالصی، و یا تغییر
در شرایط موجود به خواص مورد نظر این ماده حاصل برسد و به سمت هدف مطلوب حرکت کند».

گفتنی است که زمان لازم برای محاسبه این کمیت‌ها بستگی به سرعت کامپیوتر دارد. با
یک کامپیوتر چهار هسته، زمان لازم حدود ۱۰ روز برای محاسبات اولیه و برای خواص
ساختاری و اپتیکی با این نوع کامپیوتر، در حدود یک ماه است.

نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که می‌توان خواص اپتیکی اکسید اسپینل MgAl₂O₄ نظیر
تابع دی‌الکتریک، ضریب انعکاس، ضریب شکست و تابع اتلاف را با استفاده از نظریه
تابعی چگالی محاسبه نمود که محاسبات مربوط به این پارامترها، به کمک روش پتانسیل
کامل امواج تخت تقویت شده و با تقریب شیب تعمیم یافته شده انجام شده‌است. نتایج
محاسبات نیز نشان داده‌اند که این مواد اکسیدی در ناحیه نور مرئی شفاف بوده و
تغییرات ضریب شکست آنها در طول موج‌های بلند، تقریبا خطی است و مقدار آن به شدت در
طول موج‌های کوتاه افزایش می‌یابد. ضریب شکست این ماده نیز در طول موج ۸۰۰nm در
حدود ۴۷۷/۱ محاسبه شده‌است.

مواد با ساختار اسپینل، اغلب دارای خاصیت مغناطیسی و اپتیکی هستند. اسپینل مغناطیسی
با فرمول شیمیایی MgAl₂O₄ دارای درجه ذوب بالا (۱۲۵۰ °C)، استحکام زیاد و مقاومت در
مقابل خوردگی شیمیایی است. اتلاف الکتریکی کمی داشته و لایه نازک آن به عنوان سنسور
رطوبت و بلور آن به عنوان یک سنگ قیمتی استفاده می‌شود.

عضو هیئت علمی دانشگاه فردوسی مشهد برای محاسبه خواص ساختاری و اپتیکی این ماده، از
روش شبیه‌سازی استفاده کرده است.

جزئیات این پژوهش که در بخش فیزیک آزمایشگاه مواد و الکتروسرامیک دانشگاه فردوسی
مشهد انجام شده، در مجله phys. stat. sol. (b)(جلد ۲۴۵، صفحات۲۸۰۰–۲۸۰۷، سال۲۰۰۸)
منتشر شده‌است.