Atomistic modeling of the structural and electronic properties of Cr-based oxides and their potential application as TCO-materials.

Datum: 12 oktober 2017

Locatie: Campus Groenenborger, U0.25 - Groenenborgerlaan 171 - 2020 Antwerpen (route: UAntwerpen, Campus Groenenborger)

Tijdstip: 14 uur

Organisatie / co-organisatie: Departement Chemie

Promovendus: Samira DABAGHMANESH

Promotor: Erik Neyts & Bart Partoens

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Samira Dabaghmanesh - Faculteit Wetenschappen - Departement Chemie



Abstract

Deze thesis focust op de studie van de elektronische en structurele eigenschappen van Cr-gebaseerde oxides met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) en moleculaire dynamica simulaties. We onderzoeken verschillende DFT-gebaseerde dispersie-correctie methodes om de bulk en moleculaire adsorptie-eigenschappen te berekenen van drie bekende korund-achtige oxides Cr2O3, α-Fe2O3 en α-Al2O3. Onze studie benadrukt het belang van vanderwaalsinteracties bij de adsorptie van moleculen. Hoewel de bijdrage van de vanderwaalsinteracties tot de adsorptie van CH3 (in de vorm van een chemisorptie-interactie) minder belangrijk is in vergelijking met de adsorptie van benzeen (in de vorm van een fysisorptie-interactie), vinden we dat deze bijdrage niet kan worden verwaarloosd.

Vervolgens onderzoeken we Cr2O3 en LaCrO3, welke recent het onderwerp waren van veel experimentele interesse als potentiële kandidaten voor p-type transparante geleidende oxides (TCOs). Het is reeds aangetoond dat gedoteerd Cr2O3 een p-type TCO is. De conductiviteit van dit materiaal is echter laag, voornamelijk door een hoge effectieve holtemassa en een vlakke valentieband. Met behulp van first principles berekeningen tonen we aan dat het legeren van Cr2O3 met zwavel de valentiebanddispersie verhoogt en resulteert in een grote verlaging van de effectieve holtemassa. We stellen Cr4S2O4 met een optische bandkloof van 3.08 eV en een effectieve holtemassa van 1.8 me voor als een nieuwe p-type TCO materiaal.

In een afzonderlijke studie voeren we first principles berekeningen uit om de elektronische structuur en vormingsenergie van verschillende puntdefecten in LaCrO3 te bestuderen. Sr-gedoteerd LaCrO3 is experimenteel voorgesteld als een nieuw p-type TCO. Onze resultaten voor de vormingsenergieën tonen aan dat naast Sr nog twee divalente onzuiverheden, Ca en Ba, welke La vervangen in LaCrO3, zich gedragen als ondiepe acceptoren. Verder tonen we aan dat in zuurstofarme groeicondities deze ondiepe acceptoren gecompenseerd zullen worden door intrinsieke donor-achtige defecten (een zuurstof opening en Cr op een zuurstof site), maar in het zuurstofrijke groeiregime hebben de ondiepe acceptoren de laagste vormingsenergieën van alle beschouwde onzuiverheden en zullen deze leiden tot p-type geleiding.

In het laatste hoofdstuk van deze thesis gebruiken we klassieke moleculaire dynamica simulaties gebaseerd op een recent ontwikkeld krachtveld om de structurele eigenschappen van Cr2O3 nanoclusters boven grafeen en koolstofnanobuizen te bestuderen. Koolstof-gedragen metaaloxide nanodeeltjes zijn veelbelovend voor verschillende toekomstige toepassingen in diverse gebieden waaronder spintronica, katalyse en medische biologie. Deze toepassingen zijn echter typisch afhankelijk van de structuur en morfologie van de nanodeeltjes. Wij tonen voor de eerste maal aan dat de Cr2O3 nanoclusters de neiging hebben om op te hopen boven zowel vrijstaand grafeen als koolstofnanobuizen en grotere nanoclusters te vormen. Deze grote nanoclusters worden gekarakteriseerd door hun worm-achtige vorm met een roosterconstante die gelijkaardig is aan die van bulk Cr2O3.



Url: http://---