Multiplet computation methods for core level X-ray spectroscopy of transition metal and rare earth elements

QC 2023-05-23

Abstract

Med utvecklingen av nya generationens synkrotronanläggningar har prestandan för olika röntgenspektroskopier blivit mer avancerad. För att tolka röntgenspektrumexperiment av olika nya material relaterade till övergångsmetaller och sällsynta jordartsmetaller krävs nya avancerade teoretiska metoder. Denna avhandling inkorporerar fyra metoder baserade på den klassiska multiplettläran för att studera röntgenspektroskopi på kärnenerginivån för övergångsmetaller och sällsynta jordartsmetaller. De fyra metoderna består av nya metoder som utvecklats från den klassiska multiplettläran till multiplettberäkning med hjälp av högnivå-först-principer-metoder. Vissa metoder har valts från tidigare forskning och några har uppfunnits genom originalforskning. Dessa metoder integreras för att bilda en komplett uppsättning av multiplettberäkningsmetoder. Denna uppsättning av multiplettberäkningsmetoder kan utföra beräkningar av olika röntgenspektroskopier som XAS, XPS, XES och RIXS relaterade till elektroner på kärnenerginivån. Denna breda spektrum av spektroskopiska metoder som kopplas till olika multipletteteoretiska tillvägagångssätt fungerar som effektiva verktyg för att förstå den elektroniska strukturen hos metalliska platser och deras unika bidrag till materialets fysikaliska/kemiska egenskaper.

Avhandlingen förbättrar på ett kreativt sätt den klassiska multiplettläran på flera områden: (1) förhållandet mellan kristallfältparametrar och lokala strukturfaktorer, (2) svårigheten med att hantera förgreningskedjor i punktgruppsymmetri för strukturer med låg symmetri, (3) först-principer-beräkning av semi-empiriska parametrar. Fyra metoder presenteras i denna avhandling: den första är den klassiska multiplettläran som omfattar multiplett-effekten, kristallfältseffekten och laddningsöverföringseffekten genom flera semi-empiriska parametrar som beskriver dessa effekter. Den andra multiplett-teoretiska tillvägagångssättet analyserar kristallfältspotensialmatrisen i olika symmetrier enligt reglerna för punktgruppsymmetri. Därefter kopplas de kristallfältseffektparametrar som används i den klassiska multiplettläran analytiskt till specifika strukturella faktorer som bindningslängd och vinklar. Detta tillvägagångssätt är ett bra verktyg för att studera strukturell distorsion från högre till lägre ordningssymmetri med analys av förändringar i röntgenspektrala funktionsändringar i experiment. Det tredje tillvägagångssättet använder en stor klustermetod som består av punktladdningar på ekvivalenta atompositioner för att simulera kristallfältsinverkan på metallcentralen. Detta tillvägagångssätt hanterar kristallfält med låg symmetri och lång räckvidd i multiplettberäkningar på ett enklare sätt än den klassiska multiplettläran. Det fjärde tillvägagångssättet studerar initialt det intressanta systemet med först-principer-beräkningar av elektronvågfunktioner. Därefter används dessa elektronvågfunktioner för att härleda maximalt lokaliserade Wannier-funktioner vid metall-/ligandpositioner. Analysen av dessa Wannier-funktioner ger många av de semi-empiriska parametrar som krävs i den klassiska multiplettberäkningsmetoden på ett först-principer-sätt. Detta tillvägagångssätt har i stor utsträckning löst problemet med att hitta den bästa uppsättningen semi-empiriska parametrar för att anpassa de beräknade röntgenspektrumen med experimentella data.

För att studera de lättas elektroner (som C/N/O) runt centrala metalljoner introduceras även en teoretisk beräkningsmetod för att studera röntgenspektrum med vibrationell upplösning för kärnelektroner som ett kompletterande forskningsområde och tillämpas på beräkningar av C1s-kärnenerginivåns XPS som ett exempel.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-327243