First-principles-Berechnung elektrischer Feldgradienten

Kürzlich konnte für YD3, eine Verbindung die wegen eines Metall-Halbleiterüberganges bei gemäßigten Bedingungen großes Interesse auf sich gelenkt hat, gezeigt werden (Zogal et al., Phys. Rev. B 64, 214110 (2001)), daß der Vergleich von genauen, nach der Dichtefunktionaltheorie berechneten Werten für die elektrischen Feldgradienten (EFGs) mit experimentellen Werten die Unterscheidung verschiedener Strukturmodelle ermöglicht, die denselben Neutronen-Beugungsbildern entsprechen. Im hier vorgeschlagenen Projekt sollen weitere Hydride bzw. Deuteride und einige intermetallische Verbindungen in einer Weise untersucht werden, die sich für YD3 als erfolgreich erwiesen hat. Darüber hinaus sollen Spin-Gitter-Relaxationszeiten und Knight-Shifts berechnet und mit Ergebnissen von NMR-Messungen verglichen werden. Während sich EFGs direkt von der Elektronendichte ableiten, hängen Spin-Gitter-Relaxationszeiten und Knight-Shifts hauptsächlich von der partiellen Zustandsdichten an der Fermienergie ab und sind daher ebenfalls sehr empfindlich auf die lokale Umgebung der jeweiligen Atome. Eine Analyse der theoretischen Ergebnisse führt zu wertvollen Informationen, die aus NMR-Experimenten alleine nicht erhalten werden können, nämlich über den Zusammenhang zwischen den Komponenten des EFG-Tensors und den chemischen Bindungseigenschaften sowie über den exakten mikroskopischen Mechanismus für den Spin- Gitter-Relaxationsprozeß. Die erforderlichen experimentellen Daten sind in einigen Fällen bereits verfügbar oder werden von Prof. Olgierd Zogal und Dr. Bogdan Nowak (Akademie der Wissenschaften in Wroclaw, Polen) zur Verfügung gestellt. Darüber hinausgehende Kooperationen soll es mit Dr. Walter Wolf (Materials Design, Le Mans, Frankreich) und Dr. Peter Vajda (École polytechnique, Palaiseau, Frankreich) geben. Eine fruchtbare Zusammenarbeit mit den genannten Personen gibt es seit einigen Jahren. Diese soll während der Laufzeit dieses Projektes fortgeführt und intensiviert werden.

Durch die Untersuchung von Festkörpern mittels kernmagnetischer Resonanz erhält man Daten (Spin-Gitter- Relaxationszeiten, elektrische Feldgradienten), die beim Vergleich mit Ergebnissen von ab-initio-Berechnungen wertvolle Aufschlüsse geben über Details der elektronischen Struktur sowie der Kristallstruktur, die mit anderen Methoden nur schwer oder überhaupt nicht ermittelt werden können. Auf diese Weise kann z. B. auch dann die Gültigkeit von Strukturmodellen überprüft werden, wenn aus Röntgen- oder Neutronen-beugungsaufnahmen keine eindeutige Strukturbestimmung möglich ist. Weiters erleichtert das Vorliegen von Ergebnissen theoretischer Berechnungen in vielen Fällen die Auswer-tung von Kernresonanzspektren und liefert Informationen die experimentell nur für Ein-kristalle erhalten werden können, nicht aber, wenn die Substanz nur in Pulverform vorliegt. In diesem Projekt wurde eine ganze Reihe von Verbindungen (Yttrium- und Lanthanhydride, Lithiumnickelnitride, Boride verschiedener Stöchiometrie von Scandium, Yttrium, Zirkonium und Lutetium sowie Yttrium-Aluminium- Borat) unter Verwendung von ab-initio-Rechen-methoden untersucht. Parallel dazu wurden von verschiedenen Kooperationspartnern die entsprechenden Experimente durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen können wie folgt zusammengefasst werden. Die kovalenten Bindungen in den Boriden sind durch die starken B-B-Wechselwirkungen im 2- bzw. 3-dimensionalen B-Gerüst bestimmt. Für die meisten der untersuchten Boride ergaben sich hervorrragende Übereinstimmungen zwischen ab-initio- Berechnungen und Experiment. Für Scadium-Dodekaborid wurden hingegen Differenzen gefunden, die entweder von strukturellen Verzerrungen herrühren oder durch die Anwesenheit von Eisen in der Probe bedingt sind. Deshalb sind weitere rechnerische und experimentelle Arbeiten für diese Verbindung notwendig, die gegenwärtig im Gange sind. Für LiNiN, das als "eindimensio-nales Metall" außergewöhnliche Eigenschaften in Bezug auf Ionen- und Elektronenleitfähig-keit besitzt, ergab die Kombination von experimentellen und theoretischen Methode Auf- schlüsse sowohl bezüglich der Bindungseigenschaften als auch hinsichtlich der für praktische Anwendungen wichtigen Li-Ionen-Diffusion. Was YAl3 (BO3 ) 4 betrifft, das ein Kandidat für Laser ist, haben die theoretischen Berechnungen und die experimentellen Arbeiten zu konsistenten Ergebnissen geführt, nachdem Schwierigkeiten bei der Einkristallherstellung überwunden werden konnten. Bei den Hydriden konnte für YH2 gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment festgestellt werden, während für Lanthantrihydrid Strukturoptimierungen durchgeführt wurden als Vorstufe zur erfolgreichen Interpretation der NMR-Spektren.