Struktur und Eigenschaften von Boriden mit 2D bzw. 3D Netzwerk

Elementares Bor existiert in mehreren allotropen Modifikationen, die hohe Komplexität in ihren Kristallstrukturen, ungewöhnliche Bindung sowie eine hohe Variation davon abgeleiteter Strukturen aufweisen. Die Eigenschaften der Boridverbindungen sind recht unterschiedlich: Borrreiche Boride umfassen refraktäre, korrosionsbeständige und superharte Materialien. Sie besitzen ein stabile kovalent gebundene Netzwerke aus Bor-atomen die für die attraktiven mechanischen und chemischen Eigenschaften mitverantwortlich sind. Neue Anwendungsgebiete für Boride sind zum Beispiel die thermoelektrische Erzeugung elektrischer Energie aus Abwärme. Die ikosaedrischen Borgerüst Strukturen bilden vornehmlich p-Typ Halbleiter. Der Einbau von Metallatomen in die Bor- Netzwerkstrukturen kann zu neuer Fuktionalität führen zB n-Typ Halbleiter, Metallisierung, und Ausbildung von Supraleitern. Daher ergibt sich hohes wissenschaftliches und praktisches Interesse neue Borid-Verbindungen mit 3D ikosaedrischen Baublöcken zu untersuchen beziehungsweise Strukturfamilien mit covalenten Bor-Clustern, die ein höheres Metall/Bor Verhältnis besitzen. In diesem Zusammenhang erscheint es nützlich Netzstrukturen in Schicht-Boriden zu betrachten, die ein 2D Bornetz besitzen mit interkalierten Metallatomen. In den letzteren mit MgB2 verwandten Strukturen können die Eigenschaften in Abhängigkeit von der Natur der zwischen den Bornetzen interkalierten Metallatome vom Halbleiter zum Supraleiter variert werden. Das vorliegende Projekt stellt sich als Aufgabe die Untersuchung von neuen komplexen Strukturen mit 2D und 3D vernetzten kovalenten Bor- Gerüsten, die in den Kombinationen von Selten Erd- und Platin-Metallen gebildet werden. Die Untersuchung wird sich weiters auf neue Feststoffe mit icosaedrischen und planaren Bor Verbunden konzentrieren, um ein tieferes Verständnis der Beziehung Struktur-Eigenschaften zu erzielen durch Einbeziehung von Strukturchemie, Physik und theoretischen Berechnungen zu Bindung und elektronischer Struktur.

Bor und Boride sind faszinierende Materialien mit verschiedenen ungewöhnlichen Strukturen und attraktiven funktionellen Eigenschaften. Die starken kovalenten Bindungen zwischen Bor-Bor und Bor-Metall bedingen die hohen Schmelzpunkte der Boride, ihre ausgezeichnete Korosions- und Abrieb-Beständigkeit, die chemische Stabilität, etc. In den letzten Jahren sind neue Bereiche für die Anwendung von Boriden erschlossen worden, die drei- dimensionale atomare B-Netzwerke aufweisen, zB. als Thermoelektrika bei hohen Temperaturen bzw zur Energiekonversion. Im vorliegenden Projekt haben wir uns insbesondere auf die Auffindung neuer Boride konzentriert, auf die Erforschung ihrer atomaren Netzwerkstrukturen, der Kristallsymmetrie, sowie auf die Untersuchung ihrer physikalischen Eigenschaften.Ein im Rahmen des Projektes intensiv studiertes Anliegen war die Entdeckung eines anormalen Dopingeffekts von Zirconium in betaBor; es konnte klar gezeigt werden, daß Zirconium die Kristallstruktur des betaBor modifiziert, wodurch ein drastischer Wechsel im Vorzeichen des Seebeck-Koeffizienten erfolgt. Die Fähigkeit des Bors starke chemische Bindungen mit sich und metallischen Elementen einzugehen (zB. Y, Seltene Erdmetalle (RE) und Übergangsmetalle), hat uns zur Synthese und Identifizierung neuer Vertreter von Käfig- artigen Strukturen geführt, in denen das strukturelle Arrangement eine große Rolle für die physikalischen Eigenschaften spielt. Eine neuerliche Untersuchung der REB66 Phasen ("Phononen Glas und Elektron-Kristall" Verbindungen) lieferte erstmalig Details in der strukturellen Anordnung von B-reichen binären Ytterbium Boriden mit Strukturtypen: YB66 und YB50. Weiters haben wir entdeckt, daß kleine Mengen von Übergangsmetall Brückenplätze einbringen können sowie zur Bildung neuer Bor-Kluster Strukturen (zB. Pt-Doping in der Phase mit YB50-Typ). Diese Illustration der Fähigkeit, die Eigenschaften zu kontrollieren, kann den Ausblick der Boride als Anwendungsmaterialien erweitern.Die Phasen mit moderatem Bor-Gehalt werden durch zwei-dimensionale Borgitter charakterisiert. In unserer Arbeit wurde die Familie der 2D atomaren Netze durch neue Vertreter erweitert; dazu dienten sowohl experimentelle als auch theoretische Ansätze (zB. ScRu2B3 weist eine neuartige Anordnung von gewellten unendlichen Honigwaben-Netzen auf, die mit Metall- reichen Blöcken, die dem CeCo3B2-Typ verwandt sind, abwechseln; (Sc,Y)2RuB6; etc.). Binäre Platinboride neigen dazu, defekte Boraggregate auszubilden, dh. defekte zickzack Ketten mit geordneter Bor/Fehlstellen Anordnung in der (eigenen) Struktur des Pt2B. Auch der Einsatz von Metallen (Cu, Al) als Flußmittel zur Synthese von Pt(Pd)-Boriden wurde untersucht und lieferte eine Reihe neuer ternärer komplexer Strukturen mit Supraleitung bei tiefen Temperaturen.Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Synergie experimenteller (Festkörperchemie, Festkörperphysik, Strukturchemie) und theoretischer Methoden (DFT Rechnungen) nicht nur neue Materialien hervorgebracht hat, die verschiedene Vernetzungen der Boratome aufweisen, sondern auch die Stärke modifizierter Methoden demonstrieren konnte.