There Is an Alloy at the End of the Rainbow: Structure and Optical Properties From Bulk to Nano
Doktorsavhandling, 2021

Mixing different chemical species and decreasing dimensions to the nanoscale are two powerful approaches for improving materials. In both cases new properties emerge, and structure, composition, and chemical ordering can be tuned to tailor materials for specific purposes. To exploit the potential of these materials, it is crucial that they are fundamentally understood, and to this end, computational methods have emerged as an important complement to experiment. This thesis presents the development and application of methods for modeling alloys, nanoparticles, and nanoalloys on the atomic scale, with the purpose of guiding the search for new materials, in particular those related to plasmonic sensing of hydrogen.

A software for creating and sampling alloy cluster expansion has been developed partially in connection to this thesis, and is applied to hydrogenation of Pd and Pd--Au. For Pd--Au, the impact of chemical order on hydrogen uptake is studied, and two kinds of phase diagrams are calculated; one in which the Pd/Au atoms are fixed, and one in which they rearrange in response to hydrogen. These phase diagrams are constructed under the assumption that phase separation occurs with incoherent interfaces. This is not always the case, in particular not during hydrogenation of small Pd nanoparticles. Coherent interfaces lead to strain, and a methodology for studying this significantly more complex case is developed and applied to Pd--H, showing that there are three temperature intervals with qualitatively distinct hydrogenation behaviors.

Moreover, a software for creating Wulff constructions for the prediction of equilibrium nanoparticle shapes has been developed as part of this thesis and is used to study the impact of halides on the shapes of Au and Pd nanoparticles. Furthermore, an algorithm for finding equilibrium shapes of nanoparticles on the atomic scale is detailed, and the results indicate that an ensemble of nanoparticles in thermodynamic equilibrium in general should be expected to contain multiple different shapes. Moreover, nanoalloys of Ag--Cu and Pd--Au are studied on the atomic scale with the aim to understand how chemical ordering is impacted on the nanoscale, which reveals an interplay between chemistry and strain that can give rise to a rather complex distribution of the components throughout a nanoalloy. Finally, the dielectric functions of ten metallic alloys are calculated with first-principles methods and benchmarked with experiment, providing a library of reference data to aid modeling of nanoplasmonic systems. The latter results have also been made available in the form of a web application.

alloy cluster expansions

thermodynamics

alloys

hydrides

dielectric functions

nanoalloys

optical properties

Opponent: Asst. Prof. Tim Mueller, Johns Hopkins University, Baltimore, USA

Författare

Magnus Rahm

Chalmers, Fysik, Kondenserad materie- och materialteori

ICET - A Python Library for Constructing and Sampling Alloy Cluster Expansions

ADVANCED THEORY AND SIMULATIONS,; Vol. 2(2019)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Rahm, J. M., Löfgren, J., Erhart, P. Quantitative predictions of thermodynamic hysteresis: Temperature-dependent character of the phase transition in Pd-H

WulffPack: A Python package for Wulff constructions

Journal of Open Source Software,; Vol. 5(2021)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Beyond Magic Numbers: Atomic Scale Equilibrium Nanoparticle Shapes for Any Size

Nano Letters,; Vol. 17(2017)p. 5775-5781

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Understanding Chemical Ordering in Bimetallic Nanoparticles from Atomic-Scale Simulations: The Competition between Bulk, Surface, and Strain

Journal of Physical Chemistry C,; Vol. 122(2018)p. 28439-28445

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Computational assessment of the efficacy of halides as shape-directing agents in nanoparticle growth

PHYSICAL REVIEW MATERIALS,; Vol. 4(2020)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

A Library of Late Transition Metal Alloy Dielectric Functions for Nanophotonic Applications

Advanced Functional Materials,; Vol. 30(2020)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Datormodellering på atomskala bidrar till utvecklingen av vätgassensorer

Det råder ingen tvekan om att fossila bränslen inte är framtiden. Framtidens energi måste komma från förnybara källor, och en lovande kandidat är vätgas. En stor portion energi kan utvinnas vid förbränning av vätgas och kvar blir rent vatten. Ordet knallgas vittnar dock om att mycket kan gå snett när väte är inblandat. För att undvika explosioner är det avgörande att vätgasläckor kan upptäckas i tid. Den här avhandlingen är ett bidrag till forskningen kring nanoplasmoniska vätgassensorer. "Nano" syftar på att sensorerna är små; mindre än en tusendels millimeter. "Plasmonisk" innebär att detektionen sker med hjälp av ljus. Principen är att så kallade nanopartiklar av palladium placeras på utsidan av den behållare som innehåller vätgas. Om en läcka sker kommer en liten del av den läckta vätgasen sugas upp av nanopartiklarna. Palladium-nanopartiklar som fylls med väte skiftar färg och genom att oavbrutet hålla koll på färgen kan sensorn varna för en läcka innan en olycka hinner ske.

I den här avhandlingen har jag undersökt olika aspekter av hur sådana nanoplasmoniska material fungerar. Mitt tillvägagångssätt har varit datormodellering och studierna har gjorts på atomskala, vilket innebär att materialen behandlas atom för atom. För att göra detta möjligt har jag också utvecklat mjukvara som nu är tillgänglig för vem som helst utan kostnad. Forskningen bidrar till bättre förståelse av bland annat vad som händer när metaller fylls med väte, vilka geometriska former nanopartiklar har och hur legeringar (blandningar av metaller) reflekterar och absorberar ljus. Legeringar är mer utmanande att studera på atomskala än oblandade metaller, men eftersom de ofta har strålande egenskaper måste vi bli bättre på det – skatten vid regnbågens slut består inte bara av guld, utan legeringar också.

Rambidrag inom utlysningen "Materials Science 2015"

Stiftelsen för Strategisk forskning (SSF), 2016-05-01 -- 2021-06-30.

Ämneskategorier

Materialkemi

Nanoteknik

Metallurgi och metalliska material

Den kondenserade materiens fysik

ISBN

978-91-7905-485-4

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4952

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Online

Opponent: Asst. Prof. Tim Mueller, Johns Hopkins University, Baltimore, USA

Mer information

Senast uppdaterat

2021-05-06