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Optimizing functional materials through tailored disorder

Applicant Simonov Arkadiy
Number 180035
Funding scheme Ambizione
Research institution Departement Materialwissenschaft ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.04.2019 - 31.03.2023
Approved amount 916'164.00
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Keywords (6)

second harmonic generation; multiferroics; magnetism; materials design; disorder; spin-crossover

Lay Summary (German)

Lead
Die Eigenschaften verschiedener kristalliner Materialien kann durch Fehlordnung verbessert werden. Fehlordnung bedeutet in diesem Kontext, dass einige Atome des geordneten Ausgangsmaterials durch andere Atome ersetzt oder sogar vollständig entfernt werden. Dieser Ansatz ist häufig erfolgreich. So verbessert Fehlordnung zum Beispiel die Quanteneffizienz neuartiger organisch-anorganischer Solarzellen. Die Schwierigkeit dieser Methode besteht allerdings darin, dass bisher nur die Fehlerhäufigkeit kontrolliert werden konnte, nicht jedoch deren Verteilung, welche bisher eine “versteckte” Variable blieb.
Lay summary
Ziel dieses Projekts ist es herauszufinden, wie sich eine durch thermische Abschreckung oder chemische Synthese kontrollierte Fehlordnung auf die nutzbaren Eigenschaften von Materialien auswirkt. Dazu verwenden wir ein neuartiges Verfahren namens 3D-PDF, das es ermöglich, die Verteilung von Fehlern in Einkristallen zu charakterisieren. Konkret werden dazu zwei Systeme untersucht werden. Eines davon ist der Perowskit HgMnO12. Dieses Material ist multiferroisch, was bedeutet, dass sein Magnetfeld durch elektrische Polarisation manipuliert werden kann, ein Effekt, der für die Schaffung einer neuen Generation von Speicherelementen für Computer vorgeschlagen wird. Das zweite ist die Familie der sogenannten Preussisch Blau Analogstrukturen, die als Katalysatoren, Farbstoffe, Kathoden für Natriumionenbatterien sowie zur Wasserstoffspeicherung verwendet werden können. Das entscheidende Ziel ist es Fehlordnung von einer versteckten Variable zu einem nützlichen Werkzeug für Materialingenieure zu wandeln. Sobald dies erreicht ist, wird es möglich sein bessere, billigere und zuverlässigere Funktionsmaterialien zu entwickeln.
Direct link to Lay Summary Last update: 10.04.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

I would like to explore a novel approach in designing functional materials. The idea of the approach is based on a well known fact that properties of certain materials can be improved by adding disorder. Disorder in this context means that on atomic level the structures of such materials are not ideal: some of the atoms or molecules might be replaced by different species, other might even be absent. For instance in novel organic-inorganic solar cells molecular disorder improves their quantum efficiency.Chemists have explored this pathway by controlling the number of defects in their structures. This approach is successful, but very delicate. Disorder is very sensitive to synthesis conditions and it is not unusual that samples of the same material prepared by in slightly different ways for unknown reasons have drastically different properties.My hypothesis that this difference in properties comes not from the difference in number of defects but different distribution of those defects. Traditional methods cannot characterise the distribution of defects well, and usually it is usually assumed to be random. Recently I have developed a method which is called the 3D-?PDF, which allows to precisely characterise disorder in single crystals. Preliminary results show that disorder is almost never random. Due to chemical interactions, locally the atoms almost always have a strong preference towards certain arrangements.In this work I propose to use tune this local structure in order to change the properties of materials.I have selected two systems. One is the perovskite HgMn7O12. This material is multiferroic which means that one can manipulate its magnetic field using electric polarisation, an effect which is proposed for creating a new generation memory elements for computers. I will try to tune this electric property by changing the material disorder. The second is the family of Prussian Blue analogues, which can be used as catalysts, color changing dyes, cathodes for sodium-ion batteries, and for hydrogen storage. I will investigate the effect of disorder on the unusual property of light induced colour and magnetism change in this system.
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