The Lorentz oscillator model on dielectric function analysis for NiO and LiNiO2 materials

Abstract

Exploring novel battery materials holds a significant interest in energy storage technologies. In this thesis, the optical properties of the NiO and LiNiO2 are studied employing the Lorentz model and Kramers-Kronig analysis. Using the Lorentz oscillator model, the dielectric functions of these materials are fitted, while the Kramers-Kronig relations are employed to analyze the optical spectrum. This study mainly focuses on finding the minimal number of Lorentz oscillators for the imaginary part of the dielectric function, thus confirming an accurate fit for NiO and LiNiO2. The calculations are divided into two parts: NiO and LiNiO2. Data for both materials are obtained from the First principle (DFT) calculations, using the Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) and the Projector-Augmented-Wave (PAW) method. In the case of NiO, the Tauc-Lorentz approach is used for the imaginary part’s fitting, and the real part fit is calculated with the Kramers-Kroning relations. Similarly, the imaginary part of the LiNiO2’s dielectric function is fitted with the Lorentz model, while the number of different Lorentzian oscillators is evaluated. The real part fit of the LiNiO2’s dielectric function is estimated with three comparable methods.

Uusien akkumateriaaliratkaisujen löytäminen on tärkeä sekä ajankohtainen aihe tämän päivän digitalisoituvassa yhteiskunnassa, missä ympäritöystävällisyys ja energiatehokkuus ovat tärkeässä roolissa uusien teknologiainnovaatioiden kehityksessä. Tässä diplomityössä NiO:n sekä lupaavan akkumateriaalin LiNiO2:n optisia ominaisuuksia analysoidaan Lorentz-mallinnuksen sekä Kramers-Kronig relaatioiden avulla. Työn tarkoituksena on löytää sovitus suhteellisen permittiivisyyden funktiolle käyttäen pienintä mahdollisinta määrää sovitettavia Lorentz oskillaattoreita. Funktioiden reaaliosien sovittamiseksi on käytetty numeerista sekä analyyttistä menetelmää. Työssä tehdyt laskennat on jaettu omiin osioihin materiaali kohtaisesti: NiO ja LiNiO2. NiO:n suhteellisen permittiivisyysfunktion imaginääriosan laskemisessa on käytetty hyväksi Tauc-Lorentz mallinnusta ja funktion reaaliosa on laskettu Kramers-Kronig relaatioilla. LiNiO2:n funktion imaginääriosa on laskettu Lorentz-mallinnuksella ja siinä käytettyjen oskillaattoreiden määrää on arvioitu. LiNiO2:n funktion reaaliosa on laskettu kolmella eri vertailukelpoisella menetelmällä ja niiden toimivuutta on vertailtu parhaimman sovituksen löytämiseksi.