Optical and Electrochemical Properties of KTP-Type Crystals
Creators: name: Bocchini, Adriana
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2023

description: Kaliumtitanylphosphat (KTP) und verwandte Kristalle sind in der (nichtlinearen) Optik weit verbreitet und scheinen auch in der Elektrochemie, z.B. in Alkali-Ionen-Batterien, vielversprechend zu sein. Der Einsatz von KTP in optischen Anwendungen ist jedoch durch die Ausbildung sog. Gray Tracks eingeschränkt, die zudem auch die elektrochemische Performance beeinträchtigen könnten. Es ist bisher unklar, welche genauen mikroskopischen Mechanismen zur Ausbildung von Gray Tracks führen und warum die gesamte KTP-Familie nicht im gleichen Maße betroffen ist. In dieser Arbeit untersuchen wir mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) (i) die Eignung von Kaliumtitanylarsenat (KTA) für Kalium-Ionen-Batterien, (ii) die Absorptionsspektren von Sauerstoffvakanzen, welche jene Ti3+-Zentren induzieren, die im Verdacht stehen, die Bildung der Gray Tracks zu begünstigen, und (iii) den Einfluss verschiedener chemischer Umgebungen auf die Eigenschaften dieser Ti3+-Zentren. Es zeigt sich, dass KTA-Elektroden potenziell hohe mittlere Arbeitsspannungen, geringe Volumenänderungen und niedrige Aktivierungsenergien aufweisen und als Kathode sowie als Anode geeignet sein könnten. Mittels modifizierter Hybridfunktionale berechnete Absorptionsspektren zeigen, dass die Absorption von Sauerstoffvakanzen jener der Gray Tracks ähnelt und zudem von der Lichtpolarisation und deren Ladungszustand abhängig ist. Es ergibt sich zudem, dass das aktuelle Gray-Track-Modell zu revidieren ist, besonders was die Position der Ti3+-Zentren relativ zur Vakanz angeht. Zudem könnten Gray Tracks das Ergebnis eines zweistufigen Prozesses sein, der sowohl die Bildung einer Sauerstoffvakanz als auch die Verschiebung von Kaliumionen umfasst.
description: Potassium titanyl phosphate (KTP) and related materials are largely applied in (nonlinear) optics and could also advance in electrochemical applications, e.g., as electrodes for alkali-ion batteries. Unfortunately, its characteristic photochromic damage, so-called gray tracks, strongly limits the application of KTP in optical devices, but may also affect its electrochemical performance. However, it is still unclear, which microscopic mechanisms really cause gray tracks to form, and why they do not affect the whole KTP-type family to the same extent. In this thesis, we will use density functional theory (DFT) to investigate (i) the suitability of potassium titanyl arsenate (KTA) for potassium-ion batteries, (ii) the absorption signatures of oxygen vacancies, causing those Ti3+ centers to form, which are commonly discussed to facilitate gray track formation, and (iii) the influence of different chemical environments on the properties of these Ti3+ centers. KTA electrodes are expected to give rise to high average working voltages and to be characterized by modest volume deformations as well as low activation energies, being thus a promising cathode and anode material. Modified hybrid functionals are used for the computation of optical absorption spectra. We find the vacancies' absorption to be similar to the one of gray tracks and strongly dependent on the light polarization as well as their charge state. Finally, our data suggest that the current gray-tracking model, especially regarding the position of the Ti3+ center relative to the oxygen vacancy, must be revised. Moreover, gray tracks could be the result of a two-step process involving both the formation of an oxygen vacancy and a displacement of potassium ions in the cell.