Ansökan: Lokaliserade elektrontillstånd i bandgapet hos övergångsmetalloxider

Tidsperiod:

1 januari 2012 – 31 december 2014

Projektledare:

Gunnar Niklasson

Projektdeltagare:

Lars Österlund

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

2 400 000 SEK

De optiska och elektriska egenskaperna hos oxider av övergångsmetaller är av stort intresse för en hel rad av tillämpningar, speciellt inom energi- och miljö områdena. Bland dessa kan nämnas smarta fönster med varierbar genomskinlighet, reglerbara backspeglar, material för fotokatalytisk luftrening och material för känsliga gas-sensorer. Den grundläggande fysiken bakom materialens optiska och elektriska egenskaper är emellertid ofullständigt känd.

Detta projekt syftar till att uppnå en bättre förståelse för de nämnda oxidernas egenskaper. Det är oxidernas elektriska, ytkemiska och optiska egenskaper som är av intresse för tillämpningarna ovan. För att ställa upp modeller för dessa egenskaper krävs en god kunskap om materialens elektronstruktur. Elektronernas övergångar mellan lokaliserade energitillstånd är orsaken till den optiska absorptionen i många elektrokroma material med varierbara optiska egenskaper. Elektroniska yttillstånd har en stor inverkan på nanoporösa oxidmaterials resistans och katalytiska egenskaper.

Vi skall mäta upp den lokaliserade elektronstrukturen, speciellt i materialens bandgap, med hjälp av s.k. interkalations-spektroskopi. Vid interkalering för man in både joner och elektroner i materialet. De tillförda elektronerna går in i högre och högre energitillstånd och man mäter den laddning som förs in som funktion av pålagd spänning. Med denna metod kan Ferminivån varieras i ett ganska stort energiintervall och vi kan få en god bild av elektronernas tillståndstäthet, d.v.s. antal elektrontillstånd per energienhet. Dessa tillstånd kan också studeras i detalj genom olika mätningar och speciellt kan elektrontillståndens utsträckning i rummet mätas. Interkalations-spektroskopi ger dock inte en fullständig bild av elektronstrukturen utan måste kompletteras mad olika tekniker baserade på fotoemission, röntgenabsorption och röntgenemission.

Elektronstrukturen hos amorfa och oordnade material är av stort grundvetenskapligt intresse, i synnerhet egenskaperna hos lokaliserade tillstånd i bandgapet samt relationen mellan en oordnad, amorf, struktur och lokalisering av tillstånd i energibanden. Speciellt vill vi studera elektronstrukturen hos amorf nickeloxid och övergången mellan metall och halvledare hos vanadin-dioxid. Denna övergång anses bero på en plötslig förändring av elektronstrukturen vid en viss temperatur. Senare skall vi gå vidare och studera dopade metalloxider samt blandade metalloxider. Elektroniska yttillstånd skall studeras hos ett antal oxider av intresse som gas-sensorer och fotokatalytiska material. En större förståelse av övergångsmetallers optiska och elektriska egenskaper är alltså av stort intresse i ett flertal tillämpningar inom energi- och miljöteknik och kan leda till såväl förbättrade konstruktioner som nya idéer.