Vibrational and Structural Characterisation in Two Perovskite Challenges: A Density Functional Theory Study

Doctoral thesis, 2019

Datorstödd materialmodellering har blivit en allt viktigare beståndsdel i modern materialutveckling och används idag rutinmässigt inom utvecklingen av nya material. Speciellt intressant är utvecklingen av material för energitillämpningar ämnade att komma till rätta med klimatkrisen. Exempel på sådana material med utmärkta egenskaper för energitillämpningar är perovskiter. Datorstödd materialmodellering kan här spela en viktig roll, eftersom den fungerar som ett avancerat mikroskop med en möjlighet att studera material på atomär nivå för att därigenom kunna skräddarsy nya material med optimerade egenskaper. Samtidigt kan materialmodellering vara svårt, av många skäl. Många simuleringsmetoder utelämnar helt fenomen som direkt beror på kvantmekaniska effekter, medan andra är beroende av experimentella data eller tidigare kännedom om det undersökta materialet. Med hjälp av täthetsfunktionalteori (DFT) har naturvetenskapen fått tillgång till ett verktyg av yppersta klass för att lösa Schrödingerekvationen och kunna studera material på kvantnivå. Men inte heller med verktyg som DFT är materialmodellering enkel.

I denna tes avhandlas två fall där materialmodellering med hjälp av DFT kan ge, och även har gett, felaktiga förutsägelser om den tillämpas ovarsamt. I båda fallen är kvanteffekter viktiga och i båda fallen visar det sig att valet av de approximationer man ovillkorligen måste göra i DFT är betydelsefulla. En av slutsatserna i denna tes är att DFT-beräkningar av atomära vibrationer är en ypperlig metod för att karaktärisera olika hypotetiska modeller. I kombination med experimentella resultat från inelastisk neutronspridning kan olika modeller skiljas åt baserat på olika karaktärsdrag i deras respektive vibrationsspektrum. Två modeller med snarlika egenskaper visar sig här ge upphov till tydliga karaktärsdrag som lätt kan identifieras med hjälp av de respektive modellernas vibrationsspektra. Därtill visas hur de olika approximationerna som används inom DFT kan utvärderas. Återigen är gittervibrationerna, och olika egenskaper som direkt beror av dessa, goda värdemätare på approximationerna inom DFT. Gittervibrationerna är mycket känsliga för elektrontätheten, den fundamentala variabeln i DFT, och är således effektivt ett indirekt mått på kvaliteten i approximationen.