Assessment, improvement and comparison of different computational tools used for the simulation of heat transport in nanostructures

Abstract

En este trabajo comparamos diferentes implementaciones de dos modelos de potencial interatómico, uno empírico de Tersoff-Brenner y otro semiempírico de enlace fuerte, para su uso en el estudio del transporte térmico de nanosistemas de silicio. Los cálculos se basan en simulaciones de dinámica molecular. En el caso del potencial de Tersoff-Brenner, se emplearon dos paquetes de software libre, mientras que para el potencial de enlace fuerte se desarrolló un código propio. Ambos enfoques requieren un enorme esfuerzo computacional, por lo que el uso de herramientas de aceleración para un rendimiento adecuado es crucial. Presentamos un estudio detallado de cada herramienta computacional utilizada: eficiencia, ventajas y desventajas, así como resultados de su aplicación al cálculo de la conductancia térmica de nanocristales de silicio estructurados sometidos a un gradiente de temperatura.

In this work we compare different implementations of two interatomic potential models, one empirical Tersoff-Brenner and another semi-empirical Tight-Binding, to be used in the thermal transport study of silicon nanosystems. The calculations are based on molecular dynamics simulations. In the case of Tersoff-Brenner potential, two free software packages were used, while for Tight-Binding potential, an in-house code was developed. Both approaches require an enormous amount of computing effort, so the use of acceleration tools for adequate performance is crucial. We present a detailed study of each computational tool used: efficiency, advantages and disadvantages, as well as results of application to the calculation of thermal conductance of structured silicon nanocrystals subjected to a temperature gradient.

Neste trabalho, comparamos diferentes implementações de dois modelos de potencial interatômico, um empírico de Tersoff-Brenner e outro semi-empírico de Tight-Binding, para serem usados ??no estudo de transporte térmico de nanosistemas de silício. Os cálculos são baseados em simulações de dinâmica molecular. No caso do potencial de Tersoff-Brenner, dois pacotes de software livre foram usados, enquanto para o potencial de Tight-Binding, um código interno foi desenvolvido. Ambas as abordagens exigem uma enorme quantidade de esforço computacional, portanto, o uso de ferramentas de aceleração para um desempenho adequado é crucial. Apresentamos um estudo detalhado de cada ferramenta computacional usada: eficiência, vantagens e desvantagens, bem como resultados de aplicação ao cálculo da condutância térmica de nanocristais de silício estruturados submetidos a um gradiente de temperatura.