Department of Physics

Permanent URI for this collection

Browse

Recent Submissions

Now showing 1 - 5 of 35
  • Item
    Atomistic and DFT Calculations of the Defect Structure, Electronic and Magnetic Properties of Pure and Ti4+/Cr3+ Doped -α and γ-LiFeO2
    (University of Khartoum, 2021-06) Arwa Gadal Falih Mohamed
    Abstract Atomistic and density functional theory (DFT) studies have been carried out to examine the effect of cation dopants on two polymorphs of lithium mono-ferrite α-LiFeO2 and γ-LiFeO2 on their structure physical properties. The atomistic calculations favored a defect model for Ti4+-doped α-LiFeO2 and γ-LiFeO2 in which Ti4+ substitutes for Fe3+, and half Li+ substitutes for Fe3+, these defects occupied the same sites of the substituted Fe3+ and clustered in the same unit cell slightly increasing lattice parameters with small structure distortion in γ-LiFeO2 only. The minimum defect energy for the Cr3+-doped α-LiFeO2 and γ-LiFeO2 was found to be when Cr3+ substitutes Fe3+, Fe3+ substitutes for Li+ and Li+ substitutes for Fe3+. The most stable cationic arrangements were found to be Fe3+-Cr3+-Fe3+-Cr3+ in α-LiFeO2 and Cr3+-Fe3+-Fe3+-Cr3+- in γ-LiFeO2. This is associated with a slight increase in lattice parameters and a structural distortion, especially for γ-LiFeO2. Surface calculations the most stable plane to be the [111] in both polymorphs. The dopant cations likely are found in the bulk as opposed to the surfaces. DFT calculations show Ti4+-doped α-LiFeO2 to undergo a semiconductor-to-half-metallic transitional with a very small band gap for electron states of one spin and no gap for the other spin. Ti4+-doped γ-LiFeO2 was found to be metallic. Ti4+-doped LiFeO2 for both polymorphs exhibits a FM ordering rather than an AFM one. The dominant contribution to the total DOS at the valence band comes from 3d-Fe3+, 3d-Ti4+ and 2p-O2- ions with a very little contribution from 2s-Li+ in bulk Ti4+-doped α-LiFeO2 and from 3d-Fe3+, 2s-Li+ and 2p-O2- ions with a very little contribution from 3d-Ti4+ in Ti4+-doped γ-LiFeO2. Cr3+-doping of both polymorphs results in a semiconductor-to- metallic transition. It also results in a FM ordering rather than an AFM one. A σ-type super-exchange is found due to Fe3+-Cr3+ spin-spin coupling. Two pathways for diffusion of the Li+ ions through the solids were identified. The tetrahedral bottleneck state (T-type) is found to be energetically more favourable than the linear bottleneck state (L-type). The activation energy was high and consequently the ionic conductivity was low of for α-LiFeO2. Cr3+-doping, Ti4+-doping and Li vacancy increased the conductivity but the value was still low. The activation energy was lower for γ-LiFeO2 and Cr3+-doping in particular reduced this. This suggests that Cr3+-doping will increase the ionic conductivity. This material is also an electrical conductor. Materials that are both ionic and electronic conductors have potential use as electrodes in Li-ion batteries and fuel cells. مستخلص الدراسات الذرية (Atomistic) ونظرية الكثافة الوظيفية (DFT) قد نفذت لدراسة تأثير تشويب الأيونات الموجبة على التركيب البلوري والخواص الفيزيائية لنوعين من مركبات الليثيوم أحادي الفيرايت متعدد الاشكال( LiFeO2-α و LiFeO2-γ). الحسابات الذرية فضلت لنموذج تشويب التيتأنيوم رباعي التكافؤ (Ti4+) في نوعي الليثوم أحادي الفيرايت متعدد الاشكال ( LiFeO2-α و LiFeO2-γ) أن يحل التيتأنيوم محل أيون الحديد ثلاثي التكافؤ (Fe3+) مع إحلال نصف أيون الليثيوم أحادي التكافؤ (Li+) محل أيون الحديد ثلاثي التكافؤ، تلك الشوائب قد شغلت نفس مواقع أيونات الحديد التي تم استبدالها وتجمعت في نفس وحدة الخلية مع زيادة طفيفة في معاملات الشبيكة مع تشويه طفيف في التركيب البلوري لنوع LiFeO2-γ فقط. وقد وجد أن الحد الأدنى لطاقة تشويب أيون الكروميوم ثلاثي التكافؤ (Cr3+) لنوعين من مركبات الليثيوم أحادي الفيرايت متعدد الاشكال (LiFeO2-α و LiFeO2-γ) عندما يحل أيون الكروميوم ثلاثي التكافؤ محل أيون الحديد ثلاثي التكافؤ مع إحلال أيون الحديد ثلاثي التكافؤ محل أيون الليثيوم أحادي التكافؤ وإحلال أيون الليثيوم أحادي التكافؤ محل أيون الحديد ثلاثي التكافؤ. قد وجد أن ترتيب الأيونات الموجبة الأكثر استقراراً في نوع α-LiFeO2 هو (Fe3+-Cr3+-Fe3+-Cr3+)، وفي نوع γ-LiFeO2 هو (Fe3+- Fe3+-Cr3+- Cr3+). وقد ارتبط هذا التشويب بزيادة طفيفة في معاملات الشبيكة مع تشويه في التركيب البلوري خاصةً في نوع γ-LiFeO2. أما في حسابات السطح فقد وجد أن المستوي الأكثر استقراراً هو [111] في النوعين من المركبات. ومن المرجح أن توجد الشوائب الموجبة في الكتلة وليست في الأسطح. وقد أوضحت حسابات نظرية الكثافة الوظيفية أن تشويب α-LiFeO2 بالتيتانيوم رباعي التكافؤ يخضع شبه الموصل للإنتقال لموصل مع وجود فجوة طاقة صغيرة جداً لمستويات طاقة في غزل الكتروني واحد وعدم وجودها في الأخر. وقد وجد أن تشويب γ-LiFeO2 بالتيتانيوم رباعي التكافؤ يحولها إلى موصل. تشويب النوعين من المركبات بالتيتانيوم رباعي التكافؤ يظهر الترتيب الفيرومغناطيسي (FM) بدلاً عن الأنتيفيرومغناطيسي (AFM). وعند تشويب كتلة α-LiFeO2 بالتيتانيوم رباعي التكافؤ فإن الإسهام المهيمن على إجمإلى كثافة الشحنات في حزمة الكترونات التكافؤ يأتي من المدار الفرعي3d في أيونات الحديد والتيتانيوم والمدار الفرعي 2p في أيون الاكسجين (3d-Fe3+,3d-Ti4+,2p-O2 ) مع اسهام قليل جداً للمدار الفرعي 2s لأيون الليثيوم ( 2s-Li+)، كما ياتي من المدار الفرعي3d في أيونات الحديد، المدار الفرعي 2s لأيون الليثيوم والمدار الفرعي 2p في أيون الاكسجين (3d-Fe3+, 2s-Li+, 2p-O2-) مع اسهام قليل جداً للمدار الفرعي3d في أيونات التيتانيوم (3d-Ti4+) عند تشويب γ-LiFeO2 بالتيتانيوم. أما عند تشويب النوعين بالكروميوم ثلاثي التكافؤ ينتج تحولهما من شبه موصل إلى معدن. وأيضا هذه النتائج تظهر الترتيب الفيرومغناطيسي بدلاً عن الأنتيفيرومغناطيسي. وقد وجد أيضا أن التبادل الفائق من نوع (σ) نتيجة لاقتران مغزلية الالكترونات بين أيونات الحديد والكروميوم ثلاثية التكافؤ. وتم تحديد مسارين لإنتشار أيونات الليثيوم عبر الجسم الصلب. وقد وجد أن حالة المسار الضيق رباعي الاسطح (T-type) هو المسار المفضل بشدة عن حالة المسار الخطي (L-type). وأصبح تنشيط الطاقة كبير في المركب نوع α-LiFeO2 ونتيجة لذلك قلت موصليته الأيونية. وأن التشويب بأيونات الكروميوم ثلاثي التكافؤ، التيتانيوم رباعي التكافؤ وفجوة الليثيوم جميعها تزيد من الموصلية ولكن تظل قيمتها صغيرة. أما في حالة مركب γ-LiFeO2 فإن تنشيط الطاقة يقل وتشويبه بأيون الكروميوم على وجه الخصوص يعمل على تقليلها. وذلك يوحي بأن التشويب بأيونات الكروميوم يزيد من الموصلية الأيونية. وهذه المادة ايضاً هي موصل كهربي. والمواد التي لها خواص الموصلية الأيونية والكهربية معاً لها إمكانية الاستخدام كأقطاب في بطاريات أيونات الليثيوم وخلايا الوقود.
  • Item
    Density Functional Theory investigation of H2 Ti3 O7 and Na2 Ti3 O7 for Energy Applications
    (University of Khartoum, 2020) Sara Abdelazeem Hassan Abass
    Abstract Hydrogen and sodium titanates have attracted interest as possible photocatalysts for energy conversion, storage and environmental remediation. Here, first-principles calcula tions based on density functional theory have been carried out to study their crystal and electronic structures, their exfoliation behaviour and defect formation. In the hydrogen titanate, half of the hydrogen forms water in the stoichiometric compound, and the crystal cell has a lower symmetry with respect to its sodium counterpart. H2Ti3O7 and Na2Ti3O7 have electronic gaps of 2.96 eV and 3.13 eV, respectively. Hydrogen and sodium vacancies are the defects with the lowest formation energies, making these compounds p-type semi conductors. Oxygen vacancy formation is suppressed with respect to titanium dioxide. Finally, the two compounds have a low surface energy, promoting exfoliation of the bulk and the formation of 2D materials and nanotubes.
  • Item
    Analytical and Computational Study of Strong Field Gravity
    (University of Khartoum, ) Leila Omer Ali Mohamed ; Ali El-Tahir Sharaf El-Din ; Department of Physics
    Parallel to the great revolution in science witnessed in the first decades of the 20th century in view of the discovery of quantum mechanics, Einstein’s theory of General Relativity emerges as a big breakthrough in the history of physics. This theory made a remarkable change in the basic physical concepts with respect to space, time and matter. It attributed a geometrical meaning to the gravitational phenomena, or in other words gave space-time geometry a physical signification by identifying the gravitational field with the space curvature described in terms of Riemannian geometry and presented in tensorial form. This situation with Einstein’s theory makes it isolated from the mainstream of physical laws by being not amenable to unification with other field theories or sharing common grounds with the well-established quantum theory. The predictions of general relativity were tested to be successful when applied to weak-field gravity, viz, of the solar system whereas its predictions with the large scales of the Universe where gravity is strong leads to a bizarre description. This description is realized in the reckoned gravitational collapse of massive stars due to which black hole exotics thought to be created, that still need to be verified, in addition to certain cosmological problems that need to be solved. On the other hand beside these setbacks of this theory in the macroscopic scales it suffers from defectiveness in the microscopic domains of atomic and sub-atomic dimensions where again gravity is assumed to be strong and hence quantum effects are believed to be dominant. In view of these difficulties mostly all efforts towards rectifying this theory run to acute mathematical complications and eventually led to no significant success. In this thesis we contribute to these efforts with the aim of achieving improved results through the replacement of Einstein’s equations of the 2nd differential order by generalized Lagrangian-based 4th order differential equations of gravitation. These generalized equations have been thoroughly investigated and studied both analytically and computationally. Treating these equations by utilizing a Lagrangian density quadratic in the scalar curvature R as well as employing a complex space-time metric yields a well-behaved nonsingular solution that may elucidate the enigmatic irregular behavior within the subtle features of strong gravity which is inexplicable in the framework of Einstein’s model. Thus, besides preventing the occurrence of singular behavior inherent in General Relativity the obtained solutions hopefully reveal ideas paving the route to a classically comprehensive theory of gravitation and indicating towards its long sought quantized formulation at strong field gravity.
  • Item
    Electron SPIN Resonance Study
    (University of Khartoum, ) Barri, Abdalrahman Mustafa Gamel ; - ; Physics
  • Item
    photoelectrical and optical properties
    (University of Khartoum, ) salih, Ali Shamsaldin Mohamed ; .