Kloos, Cedric

Strukturelle und spektroskopische Untersuchungen von (oxidierten) intermetallischen Verbindungen

Im Rahmen der Doktorarbeit werden binäre und ternäre intermetallische Verbindungen dargestellt und untersucht. Neben klassischen Untersuchungsmethoden (Röntgenbeugung am Pulver und Einkristall) können die synthetisierten Verbindungen aufgrund ihrer dia- / Pauli-paramagnetischen Eigenschaften auch mit Hilfe der Festkörperkernresonanzspektroskopie (NMR) sowie der Raman-Spektroskopie charakterisiert werden. NMR-spektroskopische Untersuchungen, beispielsweise an den Kernen ²⁷Al oder ⁴⁵Sc, 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). Darüber hinaus ermöglicht die Interpretation der chemischen Verschiebung Rückschlüsse auf den Elektronentransfer in diesen Materialien. Die Raman-Spektroskopie erlaubt die Bestimmung von Kraftkonstanten von Gitterschwingungen, welche für quantenchemische Betrachtungen hilfreich sein können.

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 den untersuchten Verbindungen. Darüber hinaus erlaubt die DFT-Theorie die Berechnung von NMR-Parametern (Quadrupolwechselwirkungen, Asymmetrieparameter), welche die Interpretation der entsprechenden Spektren zusätzlich 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 in der Regel durch konventionelles Lichtbogenschmelzen synthetisiert werden.

Ein zusätzlicher Schwerpunkt liegt auf der Anwendung mechanochemischer Methoden. Hierbei wird die Kugelmühle als alternative Syntheseroute und zur Aktivierung der Startmaterialien eingesetzt. Dies ermöglicht die Reaktion der intermetallische Phasen unter milderen Bedingungen . Durch die Kombination von mechanischer Energie und chemischer Reaktivität können neuartige Reaktionswege erschlossen werden, die konventionell schwer zugänglich sind. Neben der gezielten Darstellung intermetallischer Verbindungen eröffnet dieser Ansatz auch die Möglichkeit, Reaktionskinetiken sowie die Bildung metastabiler oder nanostrukturierter Phasen systematisch zu untersuchen.

Ein weiterer zentraler Aspekt der Forschungsarbeiten ist die gezielte Oxidation der erhaltenen intermetallischen Verbindungen. Hierdurch besteht die Möglichkeit, neuartige Oxide zu erhalten, die durch die direkte Reaktion der Oxide nicht zugänglich sind. Die genannten Untersuchungsmethoden können ebenfalls auf diese oxidierten Verbindungen angewendet werden. Zusätzlich eröffnet sich durch in-situ-Experimente mittels temperatur- und atmosphärenabhängiger Röntgenpulverbeugung die Möglichkeit, das Reaktionsgeschehen direkt zu verfolgen. Dies erlaubt nicht nur eine vergleichende Interpretation, sondern gegebenenfalls auch die unmittelbare Beobachtung der Phasenbildung sowie eine Quantifizierung der erhaltenen Phasenanteile.