Dynamical properties of metal halide and oxyhydride perovskites

Doktorsavhandling, 2023

Med avseende på det nuvarande problemet med global uppvärmning, så är det viktigt att kunna utveckla nya material för energitillämpningar, till exempel för nästa generations solceller eller bränsleceller. För ett rationellt utvecklande av sådana ”energi-material”, så krävs dock en fundamental förståelse för varför olika material har olika egenskaper; det vill säga, att förstå korrelationen mellan den atomära strukturen av ett material och dess mer makroskopiska egenskaper. För kristallina material är ofta det viktigaste att förstå kristallstrukturen, det vill säga hur atomerna sitter ordnade och binder till varandra. I många fall måste man dock också ta hänsyn till, och förstå på vilket sätt, atomerna rör på sig.
 
   I min forskning har jag, genom att använda olika typer av neutronspridningsmetoder, som finns att tillgå vid olika internationella neutronspridningsanläggningar, studerat den atomära dynamiken (som kan beskrivas som vibrationer eller diffusion) i två typer av material, baserade på den så kallade perovskit-strukturen. Gemensamt för dessa klasser av material är att de är baserade på den så kallade perovskit-strukturen och att de är relevanta för olika energitillämpningar. Den första klassen av studerade material är metall-halid-perovskitervilka har påvisats stor potential för att kunna användas i en ny typ av solceller. För denna klass av material har mina studier fokuserat på att förstå dynamiken av organiska katjoner i dessa material och på att förstå den mer kollektiva dynamiken av atomerna i material, gitterdynamiken. Resultaten av min forskning har påvisat ett samband mellan den organiska katjons dynamiken och stabiliteten av material, och påvisat att dopning med relativt små mängder av metylammonium katjoner kan förändra dynamiken i materialet och på så vis leda till en högre stabilitet. Utöver detta har resultaten av min forskning påvisat viktiga samband mellan atomdynamiken i materialen och de optiska egenskaperna, vilka är av direkt relevans för solcellstillämpningar, och kan på så vis bidra till utvecklingen av nya material med ännu högre effektivitet och/eller stabilitet.
 
   För den andra klassen av material, oxyhydrider med perovskitstruktur, har min forskning fokuserat på att förstå vätedynamiken i dessa material. Dessa material uppvisar den intressanta, och relativt ovanliga, egenskapen av hydridjons-ledning, vilket är av stort intresse för utveckling av miljövänliga bränsleceller. Dock så är ofta konduktiviteten för låg för praktiska tillämpningar och för att kunna utveckla nya material, med ännu högre ledningsförmåga, behöver man förstå det detaljerade sambandet mellan den makroskopiska ledningsförmågan och den atomära strukturen och dynamiken. Genom att studera i detalj den atomära mekanismen för vätediffusion i dessa material, har min forskning påvisat viktiga samband mellan vätediffusionen och atomstruktur och vakans- och anjonskoncentration, vilket kan användas för utvecklingen av nya material.