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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-65865
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/6586/


Schroeder, Melanie

Eigenschaften von borreichen Boriden und Scandium-Aluminium-Oxid-Carbiden

Properties of boron rich borides and Scandium-Aluminium-Oxid-Carbides

Dokument1.pdf (15.219 KB) (md5sum: b7fece5b757ee514270319fa9deaebc8)

Kurzfassung in Deutsch

Abstract

Wichtig für das Verständnis von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in borreichen Boriden ist die Anwendung theoretischer und spektroskopischer Methoden, sowie Messungen der Mikrohärte auf bereits bekannte und strukturell gesicherte Verbindungen. Eine Relation zwischen Eigenschaften und Struktur ergibt sich aus der Betrachtung der Elektronen im Festkörper. Speziell die Bindungssituation im kovalenten Netzwerk von alpha-rhomboedrischem Bor und davon abgeleiteter Boride ist nicht immer mit einfachen ionischen Formulierungen erklärbar.
Um die Bindungssituation in borreichen Boriden zu verstehen, wurden ausgehend von den Elementstrukturen Modellverbindungen untersucht, die elektronenpräzise und somit geeignet sind, um mit quantenchemischen Methoden behandelt zu werden. Dabei wurde die Anwendbarkeit der FP-LAPW-Methode (Full Potential-Linear Augmented Plane Wave) auf alpha-rhomboedrisches Bor (B12) und B6P, MgB12Si2 und Li2B12Si2 (beta-SiB3), MgB7 und o-MgB12C2 (Li2B12C2) getestet. Die elektronische Struktur und Eigenschaften dieser Verbindungen konnten in Zusammenhang gebracht werden. Optische Eigenschaften wie die Farbigkeit und somit optische Bandlücke der Verbindungen konnten mit der LAPW-Methode berechnet werden. Die UV/VIS-Spektroskopie erwies sich als geeignete Messmethode um die Energie des optischen Übergangs experimentell zu bestimmen.
Bindungsspezifische Details im Bornetzwerk ließen sich mit Hilfe theoretisch errechneter Valenzelektronendichten veranschaulichen. Ein experimenteller Abgleich dieser Abstands-Elektronendichte-Korrelation wurde mittels Schwingungsspektroskopie vorgenommen.

Im Rahmen der präparativen Arbeiten konnten die Verbindungen ScAlOC, Sc2Al4O3C3 und Sc3Al3O5C2, YAlB4 und Y6Ta4Al43 synthetisiert und charakterisiert werden.
Die Verbindungen ScAlOC, Sc2Al4O3C3 und Sc3Al3O5C2 können zu einer neuen Substanzklasse zusammengefasst werden, wobei die Einordnung von ScAlOC als neuer Strukturtyp vorgenommen werden konnte. Die Verbindungen Sc2Al4O3C3 und Sc3Al3O5C2 können als Schicht-bzw. Verknüpfungsvarianten des ScAlOC verstanden werden.
Die Berechnung der elektronischen Struktur von ScAlOC, Sc3Al3O5C2 und verwandten Verbindungen ergab, dass es sich bei allen Verbindungen um ionische Verbindungen mit signifikantem kovalenten Bindungsanteil handelt. Der elektronische Einfluss der Scandiumatome äußert sich stets in der Ausbildung einer kleinen Bandlücke, die Verbindungen absorbieren im NIR. Die Analyse und Interpretation der Topologie der Valenzelektronendichte liefert eine sinnvolle Näherung zur Ermittlung der Ionenradien der Anionen unter Berücksichtigung kovalenter Bindungsanteile.


Kurzfassung in Englisch

TAbstract

Theoretical and spectroscopic investigations are important to understand relations between structure and properties as well as measurements of micro hardness of determined boron rich boride structures. A relation between the structure and physical properties arises from investigations of electronic structures in these solid materials. To describe the bonding in covalent frameworks of alpha-rhombohedral boron and related borides with simple ionic formulas was not satisfactory.
To understand the bonding in boron rich borides, electron precise compounds were studied with theoretical methods. alpha-rhombohedral Boron (B12) and structural closely related compounds like B6P, MgB12Si2 and Li2B12Si2 (beta-SiB3), MgB7 and o-MgB12C2 (LiB12PC, Li2B12C2) were treated as model systems to execute the FP-LAPW-method (Full Potential Linear Augmented Plane Wave). Electronic structure, density of states in particular, and optical properties, mainly the colour of the bulk material, correspond to each other: Band gaps were determined with the FP-LAPW-method and could be correlated to UV/VIS experiments which provide an effective way to measure the energy of electronic transitions and determine the optical band gaps experimentally.
Details of bonding in the 3-dimensional boron frameworks could be visualized and interpreted with theoretical charge density calculations. Correlations between bond distances and the amount of charge density in bonding regions were determined experimentally with vibrational spectroscopy.

The new compounds ScAlOC, Sc2Al4O3C3 and Sc3Al3O5C2, YAlB4 and Y6Ta4Al43 could be synthesised and structurally determined by x-ray investigations.
ScAlOC, Sc2Al4O3C3 and Sc3Al3O5C2 are representatives of a new class of compounds whereas ScAlOC and Sc3Al3O5C2 form novel structure types. The structure of Sc2Al4O3C3 could be described as a variant of ScAlOC.
Theoretical investigations of ScAlOC, Sc3Al3O5C2 and closely related compounds show that there should be significant covalent bonding in these in principal ionic crystals. The electronic influence of Scandium atoms causes the formation of narrow band gaps which leads to an absorption in the near infrared. Topological analysis and interpretation of theoretical charge density give reasonable values for ionic radii of the anions in ScAlOC considering covalent bonding.


SWD-Schlagwörter: Festkörperspektroskopie , Boride
Freie Schlagwörter (deutsch): Festkörper-DFT
Freie Schlagwörter (englisch): solid state spectroscopy , borides
Institut: Institut für Anorganische und Analytische Chemie
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Hillebrecht, Harald (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 05.05.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 29.06.2009
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