Strukturbestimmung komplexer Anionenmaterialien

Festkörpermaterialien werden häufig in Halbleitern, Leuchtstoffen und Batterien verwendet und sind aus dem modernen Leben nicht mehr wegzudenken. Die Substitution von Elementen in diesen komplexen Verbundmaterialien ist eine beliebte Technik, um gewünschte Materialeigenschaften zu erzielen. Verschiedene Eigenschaften können erreicht werden, indem Sauerstoff im Oxidfeststoff teilweise durch ein anderes Element wie Fluor ersetzt wird (Composite-Anion-Technologie).

Um Materialeigenschaften durch Substitution abzustimmen, ist es jedoch wichtig, die Stellen im Material zu kennen, an denen das Element substituiert wird. Befindet sich die Substitutionsstelle in der Nähe der hochreaktiven Stelle im Festkörper, begünstigt sie die Reaktion, die eine bestimmte Materialeigenschaft entwickelt.

Zu diesem Zweck hat ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Ryo Maezono vom Japan Advanced Institute of Science and Technology ein Analysewerkzeug entwickelt, um die Anordnung von Fluor in Bleititanoxyfluorid, einem komplexen Verbundmaterial, zu untersuchen.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Dalton-Transaktionen Am 23. September 2022 berichten die Forscher über die Entwicklung einer interdisziplinären Methode zur Klärung der Positionen von Substitutionsatomen in komplexen Verbundwerkstoffen. Um die Einschränkung der Bestimmung der Substitutionsstellen allein durch experimentelle Techniken zu überwinden, setzte das Team fortschrittliche Computersimulationen ein. Wie Professor Maezono erklärt: „Wir haben eine Methode entwickelt, um die Positionen von Substitutionsatomen in festen Materialien zu klären, die nicht nur durch Experimente, sondern durch Computersimulation geklärt werden können.“

Die Forscher verwendeten eine Simulation namens „First-Principles-Berechnung“ (Dichtefunktionstheorie), um die experimentellen Ergebnisse zu analysieren und die Elementsubstitutionspositionen im zusammengesetzten Anionenmaterial zu bestimmen. Dem Team gelang es, die Elementsubstitutionspositionen für Komposit-Anionenmaterialien zu identifizieren, bei denen einige der Sauerstoffatome durch Fluor ersetzt sind.

Simulationen wurden unter Verwendung von First-Principles-Berechnungen für ein Kristallstrukturmodell mit verschiedenen Elementsubstitutionspositionen durchgeführt, und jeder Energiewert wurde verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Substitutionsposition, die den niedrigsten Energiewert ergibt, die wahrscheinlichste Position für eine Substitution ist. Weitere Simulationen wurden unter Verwendung des Kristallstrukturmodells mit den auf diese Weise bestimmten Substitutionspositionen durchgeführt und Ergebnisse erhalten, die mit den in verschiedenen Experimenten beobachteten Daten übereinstimmen.

Diese Analyse zeigt, dass in Bleititanoxyfluorid die Fluoratome überwiegend zwei der sechs verfügbaren inäquivalenten Stellen in einem Verhältnis von 73:27 besetzen. Die Forscher erklärten die Bevorzugung der Fluorbesetzung an diesen Stellen mit Dichtefunktionaltheorie-basierten Berechnungen, die mit dem experimentell beobachteten Besetzungsverhältnis übereinstimmten. Sie erklärten weiter, dass die Valenzelektronen des Bleiatoms möglicherweise die Mehrheits- und Minderheits-Fluorbesetzungsstellen bestimmen könnten.

Mithilfe von Supercomputing-Einrichtungen können jetzt schnellere Simulationen bestimmen, welche Substitutionsposition die geringste Abweichung vom Experiment aufweist. Dieser Ansatz ergänzt experimentelle Beobachtungen, um den Mechanismus der Anionenordnung in komplexen Materialien aufzudecken. Dieses Ergebnis ermöglicht die Bereitstellung eines leistungsstarken Analysewerkzeugs im Bereich der Materialentwicklung, bei dem eine Substitution auf atomarer Ebene an festen Materialien durchgeführt und ihre Eigenschaften abgestimmt werden.

Professor Maezono schlussfolgert: „Die in dieser Arbeit entwickelte Methodik kann die Entwicklung von Materialien mit gemischten Anionen beschleunigen.

Bereitgestellt vom Japan Advanced Institute of Science and Technology