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Uma variedade de propriedades do material pode ser alcançada por uma tecnologia de ânions compostos em que uma parte do oxigênio no óxido sólido é substituída por outro elemento, como o flúor. Os pesquisadores agora desenvolveram uma abordagem interdisciplinar para demonstrar o complexo mecanismo de ordenação iônica em estruturas compostas complexas. Usando teoria funcional de densidade e ressonância magnética nuclear, os pesquisadores determinaram os locais ocupacionais energeticamente favoráveis de átomos de flúor em oxifluoreto de titânio de chumbo.
Materiais de estado sólido são amplamente utilizados em semicondutores, fósforos e baterias, e se tornaram uma parte indispensável da vida moderna. A substituição de elementos nestes materiais compósitos complexos é uma técnica popular para alcançar as propriedades desejadas do material. Especialmente, várias propriedades podem ser alcançadas substituindo parcialmente o oxigênio no óxido sólido por outro elemento, como o flúor (tecnologia de ânions compostos). No entanto, para ajustar as propriedades do material por substituição, é importante conhecer os locais no material onde o elemento é substituído. Se o sítio de substituição estiver próximo ao sítio altamente reativo no sólido, favorece a reação que desenvolve uma certa propriedade do material.
Para isso, uma equipe de pesquisadores liderada pelo professor Ryo Maezono, do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão, desenvolveu uma ferramenta analítica para investigar a ordenação do flúor no oxifluoreto de titânio de chumbo, um material compósito complexo. Em um estudo recente publicado em Transações Dalton em 23 de setembro de 2022, os pesquisadores relatam o desenvolvimento de um método interdisciplinar para esclarecer as posições dos átomos de substituição em materiais compostos complexos. Para superar a limitação de determinar os locais de substituição apenas por técnicas experimentais, a equipe empregou simulações computacionais avançadas. Como explica o professor Maezono, “estabelecemos um método para esclarecer as posições dos átomos de substituição em materiais sólidos, que não podem ser esclarecidos apenas por experimentos, por simulação computacional”.
Os pesquisadores usaram uma simulação chamada cálculo de primeiros princípios (teoria do funcional da densidade) para analisar os resultados experimentais e determinar as posições de substituição dos elementos no material aniônico composto. A equipe conseguiu identificar as posições de substituição de elementos para materiais de ânions compostos, onde alguns dos átomos de oxigênio são substituídos por flúor. Simulações foram realizadas usando cálculos de primeiros princípios para um modelo de estrutura cristalina com várias posições de substituição de elementos, e cada valor de energia foi comparado. Os resultados mostram que a posição de substituição que fornece o menor valor energético é a posição provável para substituição. Outras simulações foram realizadas usando o modelo de estrutura cristalina com as posições de substituição determinadas desta forma e foram obtidos resultados consistentes com os dados observados em vários experimentos. Esta análise mostra que no oxifluoreto de titânio de chumbo, os átomos de flúor ocupam predominantemente dois dos seis sítios inequivalentes disponíveis em uma proporção de 73: 27. taxa de ocupação observada experimentalmente. Eles explicam ainda que os elétrons de valência do átomo de chumbo poderiam determinar os locais de ocupação majoritária e minoritária de flúor.
Usando recursos de supercomputação, simulações mais rápidas agora são possíveis para determinar qual posição de substituição tem a menor discrepância com o experimento. Essa abordagem complementa as observações experimentais para entender completamente o mecanismo de ordenação de ânions em materiais complexos. Este resultado possibilita fornecer uma poderosa ferramenta analítica na área de desenvolvimento de materiais, na qual a substituição em nível atômico é realizada em materiais sólidos e suas propriedades são ajustadas. O professor Maezono conclui: “A metodologia desenvolvida neste trabalho pode acelerar o desenvolvimento de materiais de ânions mistos. A técnica de ânions mistos pode produzir materiais melhores do que os materiais convencionais de mono-ânions nas indústrias de spintrônica de semicondutores.”
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.
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