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Anwendung quantenmechanischer ab initio Rechnungen zum Studium ausgewählter Kristallstrukturprobleme

Stephan, Michael :
Anwendung quantenmechanischer ab initio Rechnungen zum Studium ausgewählter Kristallstrukturprobleme.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2001)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Anwendung quantenmechanischer ab initio Rechnungen zum Studium ausgewählter Kristallstrukturprobleme
Language: German
Abstract:

Die Arbeit beschäftigt sich mit drei unterschiedlichen strukturellen Fragestellungen: 1. Kernquadrupolwechselwirkungen aus Kernquadrupolresonanz-Messungen (NQR), Kernmagnetresonanz (NMR) Untersuchungen und Mößbauer-Spektroskopie haben sich zu einer wichtigen Sonde für die elektronische Struktur von Ionenkristallen und Halbleitern entwickelt. Der Tensor des elektrischen Feldgradienten am Ort eines Atomkerns kann mit ab initio Methoden sehr gut berechnet werden. Wir haben die Berechnung des elektrischen Feldgradienten (EFG) in ein neu entwickeltes ab initio Bandstrukturrechenprogramm, das eine Variante der Full-Potential-LMTO-Methode darstellt, implementiert. Die Zuverlässigkeit der Methode im Bezug auf die Berechnung des elektrischen Feldgradienten wurde an Aluminiumoxid (Korund) und unterschiedlichen Metallen, Halbleitern und anderen Oxiden getestet. Die berechneten EFG's, sowohl der Anionen als auch der Kationen, stimmen gut mit den Werten aus anderen theoretischen Rechnungen und experimentellen Bestimmungen überein. Die lokale Umgebung von zweiwertigem Europium in β-Barium-Magnesium-Aluminat BaMgAl10O17 (BAM) wurde untersucht. Ein Vergleich der Kernquadrupolkopplungskonstanten von Eu2+, die mit der neuen Methode an unterschiedlichen Positionen in BAM berechnet wurden, mit Werten die aus 151Eu Mößbauer-Spektroskopischen Messungen erhalten wurden, legen den Schluss nahe, dass Eu2+ auf drei unterschiedlichen Positionen in das Gitter eingebaut wird: die Beevers-Ross Position, die mid-oxygen Position und die anti-Beevers-Ross Position. Thermodynamisch ist die anti-Beevers-Ross Position stabiler als die beiden anderen Positionen. 2. Die vier isotypen Nitride (Ca7N4)Mx (M = Ga, In, Tl, Ag) kristallisieren mit einer Kanalstruktur vom Hollandit-Typ, wobei das Erdmetall bzw. Silber in den Kanälen lokalisiert ist. Da mit Hilfe von Einkristall-Röntgenstrukturuntersuchungen die exakten Positionen der Atome in den Kanälen nicht bestimmt werden konnten, wurden mit ab initio Bandstrukturrechnugen weitere Informationen gesammelt und ein detailiertes Fehlordnungsmodell erarbeitet. 3. Mit Hilfe von partiellen Zustandsdichten und partiellen Elektronendichten wurde die Natur der chemischen Bindung in den drei metallreichen Nitriden (Ca7N2)[Tl]2Tl, (Ca4N)[In]2 and (Ca2N)Au untersucht, deren Hauptstrukturelement M-M-ZickZack-Ketten (M = Tl, In, Au) sind. Die Auswertung der berechneten Zustandsdichten und Elektronenverteilungen ermöglichen ein Verständnis der komplexen Bindungsverhältnisse in den drei Verbindungen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This work concerns with three different structural problems: 1. Nuclear quadrupole interactions from nuclear quadrupole resonance (NQR) spectroscopy, nuclear magnetic resonance (NMR) and Mößbauer spectroscopy have served as an important probe of the electronic structure of ionic crystals and semiconductors. Using first-principles methods, one can calculate the field gradient tensor at nuclear sites. We implemented the calculation of the electric field gradient tensor (EFG) in a recently developed ab initio band structure method (NFP). This method is a variant of the full potential LMTO method. The reliability of this method for calculating electric field gradient (EFG) was tested in the case of aluminum oxide in corundum structure and several other metal, semiconductors and other oxides. The calculated EFGs at both cation and anion sites compare satisfactorily with those from other ab initio methods and from recent measurements. Local environments of divalent europium ions in β-lattice of barium magnesium aluminate, BaMgAl10O17 (BAM) have been investigated. The nuclear quadrupole coupling constants for Eu2+ calculated by this method at various possible sites in BAM, when compared to recently measured 151Eu Mößbauer spectroscopy results, suggest three locations for Eu2+: a Beevers-Ross site, a mid-oxygen site and an anti-Beevers-Ross site. Energetically, the anti-Beevers-Ross site appears to be more stable than the other two sites. 2. In the system of the four isotype nitrides (Ca7N4)Mx (M = Ga, In, Tl, Ag) we found hollandite-like structures with the E13 or silver located in the channels. Single crystal X-ray investigations could not determine the exact positions of the atoms inside the channels, so we used band structure methods to achieve more information and work out a detailed defect model. 3. The nature of the chemical bonding in the three metal rich nitrides (Ca7N2)[Tl]2Tl, (Ca4N)[In]2 and (Ca2N)Au was investigated. The mayor structural element in the crystal structure of these compounds are infinite M-M-zigzag chains (M = Tl, In, Au). The analysis of partial densities of states and partial electron densities give a deeper understanding of the complex bonding situation.English
Uncontrolled Keywords: Korund, Barium-Magnesium-Aluminat, Europiumdotierung, Elektrischer Feldgradient, Lumineszenz
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Korund, Barium-Magnesium-Aluminat, Europiumdotierung, Elektrischer Feldgradient, LumineszenzGerman
electric field gradient, band structure calculation, nitrides, solid state chemistry, corundum, crystal structure , chemical bonding, luminescenceEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: Fachbereich Chemie
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:47
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000160
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-1608
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Schmidt, Prof. Dr. Peter C. and Kniep, Prof. Dr. Rüdiger
Advisors: Schmidt, Prof. Dr. Peter C. and Kniep, Prof. Dr. Rüdiger
Refereed: 22 January 2001
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/160
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