Binääristen oksidien ominaisuudet: DFT-tutkimus

Titaanidioksidi (TiO2) on binäärioksidi, jota käytetään lukuisissa sovelluksissa. Valon taitto-ominaisuuksien vuoksi suuria TiO2-partikkeleita käytetään väripigmentteinä. TiO2:ta käytetään lähes kaikkeen, missä on valkoista väriä. Hyvin pieniä partikkeleita käytetään esimerkiksi aurinkovoiteissa ja toisaalta katalyytteinä.

Kun partikkelien koko muuttuu, myös niiden ominaisuudet muuttuvat ja riippuvat herkemmin rakenteesta, koosta ja ympäristöstä. Tässä väitöksessä SO4- ja OH-ryhmien vaikutusta hyvin pienten (1-2 nanometriä) TiO2-partikkeleiden ominaisuuksiin on tutkittu kvanttimekaanisilla laskuilla. Tällaisia ryhmiä esiintyy partikkelien pinnalla valmistusprosessien aikana.

Työssä havaittiin, että tutkitut ryhmät muuttavat partikkelien ominaisuuksia niin rakenteellisesti kuin sähköisestikin, mikä edelleen heijastuu niiden optisiin ominaisuuksiin. Näiden ilmiöiden huomioon ottaminen auttaa valmistusprosessin laadunvalvonnassa ja laskennallisten tulosten ja koetulosten vertailussa.

Väitöstyön toinen osa käsittelee teoreettisesti laskettuja atomien osittaisvarauksia ja niiden hapetustiloja binäärioksideissa. Osittaisvaraukset kertovat elektronien jakautumisesta atomien ympärille ja ne saadaan selville kohtalaisen helposti kvanttimekaanisten elektronirakennelaskujen avulla. Hapetustila on teoreettinen käsite, joka kertoo, montako elektronia atomi on saanut tai menettänyt.

Tutkijat ovat kauan yrittäneet selvittää, onko näillä kahdella käsitteellä, osittaisvarauksilla ja hapetustiloilla, jokin yhteys. Väitöstutkimuksessa saatiin selville, että niiden välillä on yhteys. Tätä varten analysoitiin tuhansia binäärioksidien ominaisuuksia sisältäviä tietueita avoimista materiaalitietokannoista. Yhteyden löytäminen mahdollistaa hapetustilan nopean arvioinnin ja nopeuttaa näin uusia tieteellisiä löytöjä.