Zur chemischen Bindung in schichtartigen Chalkogeniden

Konze, Philipp Maximilian; Dronskowski, Richard; Wuttig, Matthias

doi:HT020244052

Zur chemischen Bindung in schichtartigen Chalkogeniden = On chemical bonding in layered chalcogenides

Konze, Philipp Maximilian^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Philipp Maximilian Konze, M.Sc.

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (xviii, 137 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Dronskowski, Richard (Thesis advisor)^RWTH* ; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-10-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-09472
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/768622/files/768622.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Chalkogenide (frei) ; Dichtefunktionaltheorie (frei) ; Festkörperchemie (frei) ; Phasenwechselmaterialien (frei) ; chalcogenides (frei) ; density functional theory (frei) ; phase-change materials (frei) ; solid state chemistry (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Chalkogenide mit Schichtstrukturen betrachtet und hinsichtlich ihrer elektronischen Struktur, Stabilität und Bindungseigenschaften untersucht. Weiterhin wurde die Art und Stärke der Wechselwirkung zwischen den Schichten in solchen Verbindungen näher charakterisiert, um die Beziehung zwischen Strukturen und Eigenschaften besser zu verstehen. Dazu wurde zunächst ein ausführlicher Einstieg in die orbitalbasierte Bindungsanalyse von Festkörpern geliefert. Darauf aufbauend wurden bisherige Ergebnisse der Bindungsanalyse von Phasenwechselmaterialien zusammengefasst, und ein antibindender Bereich unterhalb des Fermi-Niveaus wurde als möglicher Fingerabdruck solcher Materialien identifiziert. Weiterhin wurde gezeigt, wie die Stärke mannigfaltiger Bindungen in komplexen Festkörperstrukturen mittels voraussetzungsfreier Methoden bewertet werden kann und wie die Bindungsanalyse die ungewöhnlichen Strukturen mancher Hauptgruppenmetallchalkogenide zu verstehen hilft. Im Ergebnisteil der Arbeit wurde zunächst die schichtartige Struktur des Ge₄Se₃Te vorgestellt. Mit Hilfe verschiedener Gedankenexperimente wurde die Stärke der Ch-Ch-Kontakte zwischen den Schichten und der Ge-Ge-Kontakte innerhalb der Schichten untersucht. Anschließend wurde der Übergang von der Struktur des α-GeTe zur Struktur des Ge₄Se₃Te mittels Analyse der chemischen Bindung im Rahmen der Kristallorbital-Hamiltonpopulationsanalyse untersucht. Weiterhin wurde die strukturelle Vielfalt des In₂Se₃ analysiert. Von den insgesamt sechs bei Normaldruck stabilen Phasen existieren jeweils drei bei Raumtemperatur und drei bei erhöhter Temperatur. Die experimentellen Befunde zur dynamischen Stabilität des In₂Se₃ konnten durch die Berechnung der Phononendispersion bestätigt werden. Die verschiedenen Koordinationspolyeder der Strukturen wurden anschließend im Rahmen der Bindungsanalyse näher untersucht und über die Berechnung von Mulliken-Ladungen weitergehend verstanden. Im letzten Kapitel dieser Arbeit wurden die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen verschiedener Chalkogenide mit Schichtstrukturen untersucht. Die Stärke der Inter-Schicht-Wechselwirkungen wurde dabei in Beziehung zu den Eigenschaften von hypothetischen Strukturen mit zweidimensionalen Defekten gesetzt. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit die Strukturen vielfältiger schichtartiger Chalkogenide erforscht. Viele funktionale Chalkogenide, die für Anwendungen als Datenspeichermaterialien, Thermoelektrika, Solarzellen und vieles mehr untersucht werden, enthalten ungewöhnliche strukturelle Elemente, die mittels orbitalbasierter Bindungsanalyse untersucht wurden.

Within the scope of this thesis, different chalcogenides with layered structures were considered and investigated for their electronic structure, stability and chemical bonding. Furthermore, the nature and strength of the interactions between the layers in such compounds has been characterized to better understand the relationship between structures and properties. First, a detailed introduction to the orbital-based bonding analysis of solids has been provided and, based on this, previous results of the bonding analysis of phase change materials are summarized and an antibonding region below the Fermi level was identified as a possible fingerprint of such materials. Furthermore, it was shown how the strength of various bonds in complex solid-state structures can be evaluated by means of ab initio methods and how the bonding analysis helps to understand the unusual structures of certain chalcogenides. In the results section, the layered structure of Ge₄Se₃Te was introduced. The strength of the Ch-Ch contacts between the layers and Ge-Ge contacts within the layers was investigated by means of various thought experiments. Subsequently, the transition from the α-GeTe structure to the structure of Ge₄Se₃Te was investigated by chemical bonding analysis in the context of the crystal orbital Hamiltonian population analysis. Furthermore, the structural diversity of In₂Se₃ was examined. Of the six stable phases at ambient pressure, there are three stable at room temperature and three at elevated temperatures. The experimental findings on the dynamic stability of In₂Se₃ could be confirmed by the calculation of the phonon dispersion and the different coordination polyhedra of the structures were then investigated in the context of chemical bonding and Mulliken charge analysis. In the last chapter of this work, the structure-property relationships of different chalcogenides with layered structures were investigated, and the strength of inter-layer interactions was related to the properties of hypothetical structures with two-dimensional defects. In summary, the structures of diverse layered chalcogenides were investigated in this work. Many functional chalcogenides, which are being investigated for applications as data storage materials, thermoelectrics, solar cells, and more, contain unusual structural elements that have been investigated by orbital-based bonding analysis.

OpenAccess:
PDF
(additional files)