|
|
First-principles studies of the electronic and structural properties of Lead Zirconate Titanate (PZT)
Planer, Jakub ; Friák, Martin (referee) ; Bartošík, Miroslav (advisor)
This work is focused on Density Functional Theory (DFT) calculations of oxygen vacancy diffusion barriers in mixed perovskite lead zirconate titanate and its pure counterparts. We found out that barrier heights are different in lead titanate and lead zirconate caused by the different localization of the excess electrons due to the oxygen vacancy formation. Diffusion barriers were also determined for titanium-rich mixed phases and compared to experimental values. This work contributes to clarify unusually low experimentally measured diffusion coefficients in PZT. We found out that the induced vacancy states are forming localized bonds to the lead atoms which causes the oxygen vacancies to become immobile due to the increase of the activation energy of the diffusion process.
|
|
|
Optical characterization of inorganic lead halide perovskites using ab-initio methods
Matula, Radovan ; Špaček, Ondřej (referee) ; Liška, Petr (advisor)
Tato práce se zabývá olovnato-halogenidovými perovskity (OHP), novou skupinou materiálů, jež našla své využití v oblastech jako například fotovoltaika a optoelektronika. Potenciál OHP leží v jejich elektronové struktuře a snadno laditelném zakázaném pásu, což má za následek jedinečné fyzikální a funkční vlastnosti. Ke studiu optických vlastností a elektronové struktury OHP využíváme teorie funkcionálu hustoty (DFT). DFT metoda je ab-initio metoda založená na principu minimalizace funkcionálu elektronové hustoty k nalezení základní energie daného systému. DFT metoda společně s hybridními funkcionály byla využita pro získání správné elektronové struktury a hodnoty zakázaného pásu pro krystal CsPbBr3. Teoreticky získaná data byla využita v modelu efektivní hmotnosti k porovnání s fotoluminiscenčními spektry jednotlivých CsPbBr3 nanokrystalů s cílem zjistit energiové hladiny excitonů v závislosti na velikosti a tvaru nanokrystalů.
|
|
|
Modelling of Chemical Processes
Al Mahmoud Alsheikh, Amer ; Bártlová,, Milada (referee) ; Urban,, Ján (referee) ; Žídek, Jan (advisor)
V této práci je prezentována studie fragmentačního procesu zvolené molekuly a jeho vztah ke složení fragmentačních produktů. Práce je zaměřená na výpočet fragmentační energie molekuly pomocí ab initio kvantově chemických metod, metodou „density functional theory (DFT)“ a také srovnáním s experimentem. Je prezentován vliv výpočetní metody, bázového setu, a geometrie molekuly na simulaci. Byla porovnána fragmentace methylfenylsilanu (MPS), dimethylfenylsilanu (DMPS), a trimetylfenylsilanu (TMPS). Fragmentace byla iniciována monochromatickým elektronovým svazkem (EII). Hmotnostní spektrometrie byla využita ke studiu složení fragmentačních produktů MPS a TMPS. Fragmentační produkty MPS a TMPS měřené v rámci této práce byly doplněny o experimentální studii DMPS, která byla prezentována v literatuře. Takto byla získána řada molekul, které jsou strukturně podobné, ale mají výrazně rozdílné chování během fragmentace. Pomocí měření účinného průřezu byly měřeny disociační energie vazeb a tyto disociační energie byly vypočteny pomocí metody DFT. Kombinací teoretického výpočtu metodou DFT a experimentálního měření jsme poukázali na společné rysy a na rozdíly ve fragmentačním schématu všech tří molekul. Navrhli jsme odštěpení dvou vodíkových atomů během plazmově indukovaného fragmentačního procesu. Vodíky mohou být odštěpeny pomocí dvou mechanismů: i. odštěpení dvou vodíků jeden po druhém a ii. odštěpení molekuly H2 v jednom kroku. Z profilů energie dokážeme určit, který mechanismus bude v tom konkrétním případě pravděpodobnější. Předpokládaný mechanismus je v korelaci s experimentálními výsledky fragmentace zjištěnými z hmotnostních spekter.
|
|
|
The effect of impurities on the interface cohesion in multilayers in transition metal nitrides
Češka, Jakub ; Zelený, Martin (referee) ; Černý, Miroslav (advisor)
This work deals with the study of transtition metal nitride multilayers using first-principles calculations. Objects of this study are three particular systems AlN / TiN, AlN / VN and TiN / VN. Studied systems are in the B1 structure with an interface along the (001) plane. The main goal is to unravel the effect of impurity on cohesion in these multilayers. The impurity in question is a substitutional O atom replacing N in the lattice. Preferred positions of these substitutions are predicted for three different concentrations of substitution impurity. These predictions are based on the energy balance of substitutions in different positions. Resulting preferred positions within the multilayer may differ depending on the oxygen concentration. In most cases, the preferred position is at the interface between the two nitrides. For such systems with oxygen impurity in the preferred position a cleavage energy along several (001) planes is calculated. The effect of the impurity on the value of cleavage energy depends on its concentration. In the case of AlN / TiN multilayer, a suitable concentration of the impurity may increase the cleavage energy of the weakest link in multilayer compared to clean multilayer. In other cases the presence of impurity either causes a decrease in the cleavage energy or does not significantly affect its value.
|
|
|
Ab initio study of electronic structure of 2D materials
Pekár, Zdenko ; Nezval, David (referee) ; Černý, Miroslav (advisor)
This bachelor’s thesis begins with an overview of basic terminology and principles regarding transition metal dichalcogenides and density functional theory. The theoretical part then brings several examples of atomic configuration of such materials and aproximations for the exchange-correlation functional. The practical part focuses on computational simulation and optimization of cells for various phases of transition metal dichalcogenides and their combinations, and compares their properties to those found in scientific literature and also gathers new, so far untested information about these materials.
|
|
|
Studying the properties of molecular photoactive materials via the methods of computational chemistry
Truksa, Jan ; Rapta, Peter (referee) ; Toman, Petr (referee) ; Salyk, Ota (advisor)
V této práci jsou nejprve rychle nastíněny principy teorie funkcionálu elektronové hustoty (DFT), spolu s praktickými metodami hledání nejníže energeticky postavených struktur organických molekul a predikování jejich spektroskopických a elektronických vlastností. Poté jsou prezentovány výsledky teoretické analýzy geometrie a elektronové struktury dvou druhů molekul v kombinaci s experimentálními výsledky. Nejprve jsou diskutovány alloxazin, lumazin a jejich deriváty, souhrnně nazývané flaviny, které reprezentují molekulární materiály. Naproti tomu, struktury na bázi polythiofenu reprezentují polymerní materiály. V případě flavinů byla nejprve nalezena nejlepší možná korelace teoretických absorpčních spekter s experimentálními na základě výpočtů se třemi různými bázovými soustavami v kombinaci s funkcionálem B3LYP. Dobrá shoda byla nalezena pomocí metod B3LYP/6-31+G** a B3LYP/aug-cc-PVDZ, které dosáhly korelačních koeficientů 0.95 a 0.96. Naproti tomu soustava def2SVP dosáhla pouze 0.94. V tomto kontextu se tak metoda B3LYP/6-31+G** jeví jako nejefektivnější vzhledem k náročnosti na výpočetní kapacitu. Měřením absorpčních spekter vybraných flavinů ve směsi dimethylsulfoxidu (DMSO) a vody byla získána spektra jednotlivých izomerů – alloxazinové a isoalloxazinové formy. Reakce těchto molekul na změny koncentrace DMSO a vody bude předmětem dalšího studia. U polythiofenů byly studovány optické a elektrické vlastnosti na modelových oktamerech, zatímco geometrie a konformace adamantylovaných substitutentů byly z důvodu vysoké výpočetní náročnosti modelovány na trimerových molekulách. Bylo zjištěno, že thiofenový řetězec s postranními methyladamantylovými skupinami vykazuje vyšši rigiditu než řetězec substituovaný ethyladamantylem, což bylo později potvrzeno krystalografickou analýzou a skenováním povrchu pomocí mikroskopie atomárních sil. Byly nalezeny krystalické struktury s parametry srovnatelnými s poly(3-hexylthiofenem) (P3HT). Na základě tohoto výzkumu byly navržený nové páteřní řetězce pro možnou syntézu, jako hlavní doporučení se zde jeví snížení počtu substituentů, aby adamantylový postranní řetězec byl přítomen pouze na každém druhém či třetím thiofenu. Zde prezentované molekuly jsou zajímavými kandidáty pro využití v optoelektronice, a teoretické predikce dosahují dobrou shodu s experimentem, přestože jejich srovnání není vždy triviální, jako je tomu například u postranních řetězců polythiofenu.
|
|
|
Mechanistic Insights into Reactive Zeolite-Water Interactions
Benešová, Tereza ; Heard, Christopher James (advisor) ; Maldonado Dominguez, Carlos Mauricio (referee)
Title: Mechanistic Insights into Reactive Zeolite-Water Interactions Author: Tereza Benešová Department: Department of Physical and Macromolecular Chemistry Supervisor: Christopher Heard, PhD. Abstract: An in silico investigation of zeolite-water interactions was undertaken using a combined static and dynamic approach within density functional theory. Two periodic models of zeolite chabazite were used, purely siliceous and aluminosilicate in order to explain the different behaviour of water near Si-O-Si and Al-O-Si bridges. One or two water molecules per supercell of the model were used, corresponding to experimental conditions of steaming. Under such conditions, water can interact with zeolites by non-reactive adsorption but also by reactive interactions such as hydrolysis and oxygen exchange between water and the framework. The main goal of the study was to explain oxygen exchange at an atomistic level. The viable mechanisms of oxygen exchange were established. These mechanisms are different for Si-O-Si and Al-O-Si bridges but for both of them oxygen exchange is initiated by partial hydrolysis of the framework. After this hydrolysis, oxygen exchange heals the framework while incorporating into it the oxygen that originated from the water. Both established mechanisms are competitive with non-exchange...
|
|
|
Theoretical Investigation of the Zeolite Hydrolysis under Realistic Conditions
Jin, Mengting ; Grajciar, Lukáš (advisor) ; Chizallet, Céline (referee) ; Piskorz, Witold (referee)
Zeolites are one of the most widely used and one of the most industrially important materials. They are utilized in a variety of commercial applications, particularly in heterogeneous catalysis, adsorption/separations applications and as ion exchangers. Zeolites are stable when exposed to water or water vapor at ambient conditions and exhibit high thermal stability. However, zeolites can be partially or even fully hydrolyzed under certain conditions. This hydrolytic instability of zeolites can be considered both a major problem in some applications and a useful means to tune catalyst properties in the others. However, the thorough studies of the hydrolytic mechanisms under realistic conditions (high water loading, alkaline conditions, high heteroatom concentrations, etc.) and employing realistic models (dynamical simulation of ab initio accuracy) is mostly lacking. This dissertation uses the ab initio calculations to systematically study the hydrolysis mechanism of zeolites under realistic conditions, including: (1) hydrolysis mechanism of germanosilicate zeolite UTL, (2) hydrolysis of siliceous zeolite CHA under alkaline conditions, and (3) identification of the nature of framework-associated Al(Oh) species in aluminosilicate zeolite CHA under wet conditions. The main results obtained are as...
|
|
|
Theoretical insights into encapsulated noble metals
Hou, Dianwei ; Heard, Christopher James (advisor) ; Logsdail, Andrew (referee) ; Rubeš, Miroslav (referee)
Noble metals are widely used in industry due to their excellent catalytic and optical properties. Because of limited reserves and high prices, it is desired to make effective use of every atom. It has been possible in recent years to produce subnanometer clusters or even isolated atoms, despite their low resistance against sintering. Furthermore, it has been recently established that the encapsulation of single atoms and subnanometer noble metal clusters can be achieved via trapping at metal oxides, ranging from two-dimensional layered materials to the void space within the pores of zeolites. However, neither the atomistic mechanisms of atom/cluster trapping, nor the means by which they may be optimized are known. Furthermore, the relationship between the physical and electronic state of trapped atoms/clusters and their reactive properties in catalysis are currently only weakly understood. In this thesis, we used theoretical methods ranging from global structure optimization to kinetic Monte Carlo to identify the roles of cluster size, charge state, and the present and type of common adsorbents on the stability, catalytic and optical properties of subnanometre-sized noble metal clusters trapped at metal oxides. This thesis takes the form of three sections: (1) Structure, stability, and migration...
|
|
| |
guest ::
