Defekter i TiNb2O7 : en teoretisk og eksperimentell studie

Abstract

TiNb2O7 er tidligere vist å være en blandet elektron- og protonleder. Mange sider av defektstrukturen er ukjent for TiNb2O7, og en teoretisk og eksperimentell studie av denne ville kunne bidra til økt forståelse av defektdannelse og hydratisering av materialet.

Det er blitt utført elektrisk karakterisering og sammensetningsanalyser av syntetiserte prøver av nominelt udopet og aluminumsdopet TiNb2O7. Ledningsevnemålinger har blitt gjort som funksjon av temperatur, partialtrykk av oksygen og vanndamp. Sammensetningsanalyser har bidratt til økt forståelse av kationstøkiometrien til både dopede og udopede prøver. Utifra de utførte karakteriseringer kan det slås fast at akseptordoping av TiNb2O7, ved faststoffsyntese og aluminium som dopant, ikke kompenseres av oksygenvakanser. Akseptordopanten ser heller ut til å kompenseres av like mengder overskudd av niob. Det ble derimot observert niob overstøkiometri med WDS-analyse i nominelt udopet TiNb2O7.

Akseptordoping bidro ikke til økt protonledningsevne, og materialet utviste i stor grad liknende oppførsel som udopet materiale. Akseptordopingen ga likevel enkelte effekter som endring i mekanismen ved faseovergang under reduksjon.

Den teoretiske delen av studiet har bestått av DFT-modellering av relevante punktdefekter i strukturen. DFT-modellering av defekter i TiNb2O7 har bekreftet at det vil finnes kationuorden i strukturen og at kationdefekter har ved substitusjon generelt lavere dannelsesenergi enn oksygendefekter i strukturen. Hydrogendefekter er vist seg relativt stabile.

På bakgrunn av de eksperimentelle og teoretiske resultatene er defektstrukturen i TiNb2O7 blitt diskutert med hensyn på kationstøkiometri, og uorden, samt hydratisering av materialet.