Mixed-anion compounds – a novel material design concept

Hvert krystallinske materiale som finnes på jorden er ofte sammensatt av flere forskjellige positivt ladede ioner (kationer), men bare en negativ ladet iontype (anion). Sistnevnte utgjør vanligvis basen for navnene deres: oksygen for oksider, svovel for sulfider og klor for klorider. Årsaken til at man bare finner en aniontype i hvert materiale er forårsaket av de forskjellige tettheter av sammensatte grupper, f.eks. sulfider er tettere enn oksider og finnes dypere i jordskorpen. Derfor kan naturen ikke lett lage kjemien basert på to forskjellige anioner, fordi de sjelden møtes på jorden. I laboratoriet er det imidlertid mulig å gjøre denne bi-anionkjemien, som sådan er fokuset for dette prosjektet: Å utforske den uorganiske kjemi av oksoklorider, oksofluorider, oksosulfider, som lignende. Den kjemiske syntesen for å lage bi-anionforbindelser er derfor ofte en utfordring, og rekkefølgen på anioner kan gi krystallene dimensjonalitet. Videre kan den direkte omgivelsen av kationer være helt nye og uutforskede. Dette prosjektet leter etter ny forbindelse som inneholder to anioner for å forstå de eksotiske egenskapene som er forårsaket av den spesifikke blandingen av anioner.

-

This project has two main goals; first, to develop a synthetic platform for a new class of multi-anion compounds with design of local structure as well as dimensionality of the backbone of the crystal structure; and second: to utilize neutrons (in combination with X-rays and electrons) to describe the crystal structure of the new compounds, at the local and average level, including temperature induced (disorder) transitions. In this way new science is combined with capacity building on neutron based methods, thereby strengthening the competence as well as activity level at UiO with respect to future use of ESS in Lund, 2024 onwards. This project will use large scale neutron facilities, at ISIS, SINQ, J-park and SNS/ORNL. Bi-anionic compounds are surprisingly rare, however, this could partly be due to the major differences in anion properties calling for specific synthesis approaches. We will use computational modeling (DFT simulations) to screen possible compounds, with basis in structure analogy to (single anion) compounds reported in data bases, and predict stability and atomic arrangement. On this basis, new compounds will be synthesized, by various approaches; soft chemical, ceramic routes, chemical transport reactions, reactive ball milling, high- pressure approaches and more. Their physical properties will then be studied. The combination of elements in the target compounds will be selected as to possibly provide basis for new ferroelectric, cooperative magnetic and multiferroic materials. Neutron scattering will provide good anion contrast (in most cases; partly in combination with synchrotron X-rays, electron PEDT, or MAS-NMR), excellent 3d-element contrast, and excellent basis for studies of disorder and dynamics by means of QENS and INS, supplement by optical and nuclear spectroscopy, whereas local order/disorder will be described on basis of neutron/X-ray PDF. One PhD and one researcher will obtain state of the art training in several neutron methods.