Eine Methode zur Quantifizierung energetischer Beiträge zur chemischen Bindung in periodischen Systemen basierend auf Dichtefunktionaltheorie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das geförderte Projekt “Eine Methode zur Quantifizierung energetischer Beiträge zur chemischen Bindung in periodischen Systemen basierend auf Dichtefunktionaltheorie“ hatte zum Ziel eine Methode zur Analyse der Bindungsenergie in Oberflächen-Adsorbat und Festkörper-Systemen zu entwickeln und auf interessante Modellsysteme anzuwenden. Dabei war der Startpunkt, die in der Molekülchemie etablierte Energiedekompositions-Analyse (EDA), die physikalisch fundierte Energiebeiträge liefert, welche mit chemischen Konzepten wie ionischer und kovalenter Bindung korreliert werden können. Das Projekt hat diese Methode nun auf periodische Randbedingungen erweitert, was die Gelegenheit bietet, sie auf Fragen der Oberflächen- und Materialwissenschaften anzuwenden. Durch die erfolgreiche Zusammenarbeit mit SCM/Amsterdam kann die Methode unter dem Namen "pEDA" nun im quantenchemischen Programmpaket ADF-BAND genutzt werden. In ersten Anwendungen der neuen Methode zeigten sich überraschende Erkenntnisse, die sich aus der Übertragung molekülchemischen Wissens auf die Oberflächenchemie ergeben haben. So konnte etwa der Vorläuferkomplex, der bei der Adsorption des prototypischen Adsorbats Ethen auf der Si(001)-Oberfläche durchlaufen wird, in seiner Bindungsqualität quantitativ charakterisiert werden. Der berechnete hohe kovalente Bindungsanteil zeigt dabei die gerichtete Wechselwirkung zwischen Molekül und Oberfläche, die als "Chemisorption" bezeichnet werden kann. Damit bietet die neue Methode eine Möglichkeit, die Begriffe Chemisorption und Physisorption über quantitative Elektronenstrukturanalyse voneinander abzugrenzen und zu bestimmen. Die Methode kann damit auch dazu verwendet werden, um Elementarschritte in der organischen und anorganischen Funktionalisierung von Halbleiter-Oberflächen bis hin zur Grenzflächenbildung zu untersuchen, wie sie für die Entwicklung neuer Bauelemente aber auch für die Grundlagenforschung wichtig sind. Zu letzterem Aspekt bildet die Methode einen wichtigen Baustein für Arbeiten in Verbundprojekten. Die Entwicklung und Anwendung der Methode traf auf breites Interesse im Fachgebiet und bildete die Grundlage für die Verleihung des Hans G.A. Hellmann-Preises der Arbeitsgemeinschaft Theoretische Chemie im Jahr 2016 (http://www.theochem.de/agtc.hellmann.html).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Quantitative Investigation of Bonding Characteristics in Ternary Zintl Anions: Charge and Energy Analysis [Sn2E152(ZnPh)]-(E15 = Sb, Bi) and [Sn2Sb5(ZnPh)2]3-“ J. Comput. Chem. 2014, 35, 1045
Marc Raupach, Stefanie Dehnen, Ralf Tonner
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“A periodic Energy Decomposition Analysis (pEDA) method for the investigation of chemical bonding in extended systems” J. Chem. Phys. 2015, 122, 044707
Marc Raupach, Ralf Tonner
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“Quantenchemische Untersuchungen zur chemischen Bindung an Oberflächen - Entwicklung und Anwendung einer Energie-Dekompositions Methode” Dissertation, Philipps-Universität Marburg, 2015
Marc Raupach
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"Electronic Structure, Bonding and Reactivity in Functional Materials from a Quantum Chemical Perspective" Habilitation thesis, Philipps-Universität Marburg, 2016
Ralf Tonner
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“Precursor states of organic adsorbates on semiconductor surfaces are chemisorbed and immobile” ChemPhysChem 2016
Josua Pecher, Ralf Tonner
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“Site-specific reactivity of ethylene at distorted dangling bond configurations on Si(001)” ChemPhysChem 2016
Josua Pecher, Gerson Mette, Michael Dürr, Ralf Tonner
