Combined experimental and computational study of the meta-stable Mg-Ti-H system

Nanoteknologirevolusjonen er over oss, og i takt med at komponenter og systemer blir stadig mindre vokser behovet for å forstå materialegenskaper helt ned på atom- og elektronskala. Arbeidet i denne doktorgraden gir en smakebit på den kompleksiteten som møter oss når materialer skal skreddersys på denne skalaen. Systemet som ble studert bestod av magnesium (Mg) og titan (Ti) med og uten hydrogen (H). Kombinasjonen av Mg og Ti i tynne filmer har nemlig vist seg å gi materialer med interessante optiske og elektriske egenskaper: Alene er Mg-Ti metallisk med en blank reflekterende overflate, men tilsettes H skifter materialet til å være svart og lysabsorberende. Muligheten for å justere materialegenskapene ved å tilpasse hydrogeninnholdet er interessant i forhold til anvendelser, for eksempel som smarte overflatelag på solfangere. Hvis et materiale skal brukes må det imidlertid også forstås, og Mg-Ti reiser en rekke interessante spørsmål. Mg og Ti er nemlig uløselige grunnstoffer, som betyr at de ikke danner legeringer med hverandre og normalt ikke lar seg blande. De kan likevel tvinges sammen ved å bruke såkalte ikke-likevekststeknikker, som gjør det vanskelig å forutse hvordan Mg- og Ti-atomene er ordnet i forhold til hverandre. I dette prosjektet ble atomskalaberegninger basert på elektrontetthets-funksjonaler (DFT) kombinert med den eksperimentelle teknikken røntgenfotoelektron-spektroskopi (XPS) for å studere hvordan Mg og Ti interagerer både med hverandre og med H. To DFT-modeller ble sammenliknet, en der Ti var distribuert tilfeldig rundt i Mg og en der Ti var samlet i grupper på 10-20 atomer. Ved å sammenlikne dannelsesenergiene og elektronstrukturene til de to modellene fant vi ut at Ti helst ønsker å unngå Mg, men at dannelsen av de små sub-nanogruppene i modellen var tilstrekkelig for at Ti skulle føle at det var separert fra Mg. Mellom Ti-gruppene og Mg ble det dermed dannet en grenseflate, og ved hjelp av DFT-beregningene fant vi ut at denne grenseflaten virket som en felle for H atomer. H atomene fungerte som et elektronskjold mellom Mg og Ti og bidro til å stabilisere systemet. I de eksperimentelle spektrene fra XPS oppdaget vi nye detaljer som kunne forklares ved hjelp av DFT-resultatene og dermed fant vi støtte for at beregningene vi gjorde var relevante i forhold til virkeligheten