Atomic scale modeling of ordering phenomena

Doctoral thesis, 2020

Kemisk ordning i material beskriver hur de olika atomerna är fördelade i materialet.
Fenomen kopplade till ordning har ofta en viktig påverkan på ett materials egenskaper och styrs av en kamp mellan entropi (ett mått på oordning) och energi.
Vid låga temperaturer är energin den dominanta termen och atomerna i materialet tenderar att vara ordnade.
När temperaturen höjs så ökar oordningen och atomerna utforskar då olika sätt att distribueras.
Vid en tillräckligt hög temperatur är atomerna helt slumpmässigt utspridda i materialet.
Exakt vad som räknas som låg eller hög temperatur går generellt sett inte att säga för ett givet material och dessutom ligger ofta det intressanta temperaturintervallet mellan dessa extrema temperaturer.
Ordningen bestäms därför av ett samspel mellan energin och entropin som inte är så lätt att förutspå.

För att studera ordning i material så har vi i den här avhandlingen utvecklat och använt oss av så kallade klusterexpansioner. Detta är en modell på atomnivå som möjliggör utforskandet av energi- och entropilandskapet i material med hjälp av datorsimuleringar.

Ett exempel på tillämpningsområde där dessa metoder kan användas är de inorganiska klatraterna som är intressanta material till termoelektriska element.
I dessa material sitter atomerna i ett nätverk som formar burar som innesluter så kallade gästatomer, vilket är löst bundna atomer.
Dessa nätverk, som typiskt ockuperas av atomer från grupp 13 och 14 i periodiska systemet, har en distribution som är väldigt långt ifrån en slumpmässig ordning.
Det har även påvisats med både beräkningar och experiment att denna ordning har en påverkan på de termoelektriska egenskaperna.
Därmed är det viktigt att förstå vilken inverkan atomslag eller koncentration har på den kemiska ordningen i dessa material.

Vi har därför i papper II och III i denna avhandling studerat klatraterna med klusterexpansioner och simuleringar och återskapat de experiment och observationer som funnits i litteraturen.
Vi har även kunnat öka förståelsen för hur och varför den kemiska ordningen påverkas av olika faktorer.

Sammanfattningsvis så visar vi hur modeller och datorsimuleringar kan användas för att, på ett ofta väldigt exakt sätt, beskriva ordning och andra relaterade fenomen i material på ett effektivt sätt.