Твердотельные материалы широко используются в полупроводниках, люминофорах и батареях и стали неотъемлемой частью современной жизни. Замена элементов в этих сложных композитных материалах является популярным методом для достижения желаемых свойств материала. В частности, различные свойства могут быть достигнуты путем частичной замены кислорода в твердом оксиде другим элементом, таким как фтор (технология композитных анионов). Однако, чтобы настроить свойства материала путем замены, важно знать участки в материале, где заменяется элемент. Если место замещения находится рядом с высокореактивным участком в твердом веществе, это благоприятствует реакции, которая развивает определенные свойства материала.

С этой целью группа исследователей во главе с профессором Ре Маэзоно из Японского передового института науки и технологий разработала аналитический инструмент для исследования упорядочения фтора в оксифториде титана свинца, сложном композитном материале. В недавнем исследовании, опубликованном в Сделки Далтона 23 сентября 2022 года исследователи сообщают о разработке междисциплинарного метода для уточнения положений атомов замещения в сложных композитных материалах. Чтобы преодолеть ограничение определения мест замещения только экспериментальными методами, команда использовала усовершенствованное компьютерное моделирование. Как объясняет профессор Маэзоно, "Мы разработали метод уточнения положений атомов замещения в твердых материалах, которые не могут быть выяснены только экспериментами, компьютерным моделированием".

Исследователи использовали моделирование, называемое вычислением первых принципов (теория функционала плотности), для анализа экспериментальных результатов и определения положений замещения элементов в композитном анионном материале. Команде удалось определить положения замещения элементов для композитных анионных материалов, в которых некоторые атомы кислорода заменены фтором. Моделирование было выполнено с использованием расчетов первых принципов для модели кристаллической структуры с различными позициями замещения элементов, и каждое значение энергии сравнивалось. Результаты показывают, что позиция замещения, которая дает наименьшую энергетическую ценность, является наиболее вероятной позицией для замещения. Дальнейшее моделирование было выполнено с использованием модели кристаллической структуры с определенными таким образом положениями замещения, и были получены результаты, согласующиеся с данными, наблюдаемыми в различных экспериментах. Этот анализ показывает, что в оксифториде титана свинца атомы фтора преимущественно занимают два из шести доступных неэквивалентных участков в соотношении 73:27. Исследователи объяснили предпочтительность заселения фтором этих участков, используя расчеты, основанные на теории функционала плотности, которые соответствовали экспериментально наблюдаемому коэффициенту заселения. Далее они объясняют, что валентные электроны атома свинца потенциально могут определять места заселения большинства и меньшинства фтора.

Используя суперкомпьютерные средства, теперь возможно более быстрое моделирование, чтобы определить, какая позиция замены имеет наименьшее расхождение с экспериментом. Этот подход дополняет экспериментальные наблюдения, чтобы полностью понять механизм упорядочения анионов в сложных материалах. Этот результат позволяет создать мощный аналитический инструмент в области разработки материалов, в котором на твердых материалах выполняется замещение на атомном уровне и настраиваются их свойства. Профессор Маэзоно заключает: "Методология, разработанная в этой работе, может ускорить разработку материалов со смешанными анионами. Технология смешанных анионов может обеспечить получение более качественных материалов, чем обычные моноанионные материалы в полупроводниковой промышленности спинтроники".