Gießelmann, Elias

Strukturelle und spektroskopische Untersuchungen von (oxidierten) intermetallischen Aluminiumverbindungen der frühen Übergangsmetalle

Im Rahmen der Doktorarbeit werden binäre und ternäre intermetallische Aluminium-Verbindungen der frühen Übergangsmetalle dargestellt und untersucht. Neben den klassischen Untersuchungsmethoden (Röntgenbeugung am Pulver und Einkristall) können die synthetisierten Verbindungen aufgrund ihrer dia- / Pauli-paramagnetischen Eigenschaften auch mit Hilfe der ²⁷Al-MAS Festkörperkernresonanzspektroskopie (NMR), sowie der Raman-Spektroskopie und der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht werden. NMR spektroskopischen Untersuchungen erlauben neben der Validierung der Kristallstruktur (Anzahl der kristallographischen Lagen korreliert mit der Anzahl der Signale) auch Aussagen über strukturelle Besonderheiten (lokale Verzerrungen, Bildung von festen Lösungen) zu treffen. Darüber hinaus erlaubt die Interpretation der chemischen Verschiebung eine Aussage über den Elektronentransfer in diesen Materialien. Die Raman-Spektroskopie ermöglicht die Bestimmung von Kraftkonstanten von Gitterschwingungen, welche für quantenchemische Betrachtungen hilfreich sein können. XPS-Messungen schließlich ermöglichen Aussagen über den formalen Oxidationszustand sowie den Ladungsübertrag in diesen Verbindungen. Die Analyse der elektronischen Struktur und der Bindungssituation erfolgt anhand von Bandstrukturrechnungen auf DFT Niveau. Mit Hilfe der computergestützten Theorie können neben den Bandstrukturen und der Interpretation interatomarer Wechselwirkungen bezüglich ihres Bindungscharakters auch Bader Ladungsanalysen durchgeführt werden. Diese ermöglichen ebenfalls eine Abschätzung des Elektronenübertrags in diesen Verbindungen. Mit Hilfe von Realraumanalysen (ELF) kann außerdem die Bindungssituation veranschaulicht werden. Darüber hinaus ermöglicht die DF-Theorie die Berechnung von NMR-Parametern (Quadrupolwechselwirkungen, Asymmetrieparameter), welche die Interpretation der entsprechenden Spektren unterstützen.

Da für die geplanten spektroskopischen und physikalischen Untersuchungen röntgenographisch saubere (phasenreine) Proben benötigt werden, stellt die Synthese dieser Verbindungen einen zentralen Aspekt dar. Aufgrund der hohen Schmelz- und Siedepunkte der beteiligten Elemente können die Verbindungen durch konventionelles Lichtbogenschmelzen synthetisiert werden. Die genaue Synthesestrategie, die passenden Temperaturprofile zur Reaktionsführung sowie die entsprechenden Tempersequenzen müssen jeweils für die betreffenden Systeme optimiert werden, um so schlussendlich röntgenographisch saubere Proben für Eigenschaftsuntersuchungen und Einkristalle für die Strukturanalyse zu erhalten.

Ein weiterer zentraler Aspekt der Forschungsarbeiten ist die gezielte Oxidation der erhaltenen intermetallischen Verbindungen. Hierdurch besteht vielleicht die Möglichkeit, neuartige Oxide zu erhalten, die durch die direkte Reaktion der Oxide nicht zugänglich sind. Die vorher genannten Untersuchungsmethoden können ebenfalls auf diese Verbindungen angewendet werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, das Reaktionsgeschehen in-situ mittels temperatur- und atmosphärenabhängiger Röntgenpulverbeugung zu untersuchen. Somit ergibt sich, auch in Hinblick auf die anderen Charakterisierungsmethoden, nicht nur eine vergleichende Interpretation sondern auch ggf. die Möglichkeit zur direkten Beobachtung der Phasenbildung sowie zur Quantifizierung der erhaltenen Phasenanteile.