New computational approaches for inelastic x-ray scattering

Inelastic x-ray scattering spectroscopy is a versatile experimental technique for probing the electronic structure of materials. It provides a wealth of information on the sample's atomic-scale structure, but extracting this information from the experimental data can be challenging because there is no direct relation between the structure and the measured spectrum. Theoretical calculations can bridge this gap by explaining the structural origins of the spectral features. Reliable methods for modeling inelastic x-ray scattering require accurate electronic structure calculations. This work presents the development and implementation of new schemes for modeling the inelastic scattering of x-rays from non-periodic systems. The methods are based on density functional theory and are applicable for a wide variety of molecular materials. Applications are presented in this work for amorphous silicon monoxide and several gas phase systems. Valuable new information on their structure and properties could be extracted with the combination of experimental and computational methods.

Materiaalien atomitason järjestäytymistä ja elektronirakennetta tutkitaan nykyään tiiviisti erilaisia kokeellisia sekä teoreettisia menetelmiä hyödyntäen. Nämä mikroskooppiset ominaisuudet määrittävät lopulta myös aineiden näkyvät ja toiminnalliset ominaisuudet, ja niiden tarkka ymmärtäminen voi mahdollistaa uusien ja halutulla tavalla käyttäytyvien materiaalien kehittämisen. Epäelastinen röntgensirontaspektroskopia on kokeellinen menetelmä aineen atomimittakaavan ominaisuuksien tutkimiseksi. Menetelmällä saadaan yksityiskohtaista tietoa aineen rakenteesta kun kokeellinen mittaustulos yhdistetään aineen atomitason ominaisuuksiin. Valitettavasti näiden välillä ei ole suoraa kytkentää. Tarkkojen laskennallisten menetelmien avulla yhdistäminen kuitenkin onnistuu kun mittaustulosta simuloidaan rakennemallista lähtien. Tähän tarkoitukseen soveltuvat menetelmät vaativat raskasta laskentaa ja aineen elektronien vuorovaikutuksen sekä elektronirakenteen viritystiloihin liittyvien kvanttimekaanisten ilmiöiden mallintamista. Tässä työssä kehitettiin uusia laskennallisia menetelmiä epäelastisen röntgensironnan mallintamiseen molekyylimateriaaleista. Menetelmät perustuvat elektronirakenteen ja elektroniviritysten mallintamiseen tiheysfunktionaaliteoriaa käyttäen. Vertaamalla mallinnettua ja kokeellisesti havaittua epäelastista sirontaspektriä voidaan tehdä johtopäätöksiä tutkittujen materiaalien ominaisuuksista. Kehitettyjä menetelmiä sovellettiin mm. optoelektroniikassa hyödynnettävien piioksidimateriaalien rakenteen selvittämiseen sekä eräiden kaasujen ominaisuuksien tutkimiseen. Jatkossa niitä voidaan käyttää myös nesteiden sekä erilaisten bio- ja nanoteknologisten materiaalien tutkimuksessa.