Kern der vorliegenden Arbeit ist die Anwendung quantenchemischer Methoden auf Probleme der elektrochemischen Katalyse vor dem Hintergrund der Sauerstoffreduktion, wie sie an kohlenstoffgeträgerten Platinkatalysatoren abläuft. In diesem Zusammenhang werden die Stabilität des Katalysatorsystems und der Mechanismus der Sauerstoffreduktion untersucht, sowie ein Algorithmus zur Berechnung von Molekülen unter einem gegebenen Potential vorgestellt. Zuerst werden die Wechselwirkungen von Platinnanopartikeln mit polyzyklischen Aromaten als Modellverbindungen des Katalysatormaterials untersucht. Weiterhin wird untersucht, wie Modifikationen des Kohlenstoffträgers und variierende Größe des Platinsystems diese Wechselwirkungen beeinflussen. Weiterhin beschäftigt sich diese Arbeit mit dem Reaktionsmechanismus der Sauerstoffreduktion. Zu diesem Zweck wird das Zersetzungsverhalten von H2O2 als mögliches Intermediat der Sauerstoffreduktion an Platinoberflächen untersucht. Weiterhin wird geprüft, inwieweit dem Elektrolyten hinzugefügte Ionen die Zersetzungsreaktionen beeinflussen. Abschließend werden Rückschlüsse auf den Reaktionspfad der Sauerstoffreduktion gezogen. Zuletzt wird ein theoretischer Ansatz zur Berechnung von Systemen im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie vorgestellt, bei dem nicht die Anzahl der Elektronen, sondern das elektrochemische Potential vorgegeben ist und die Elektronenzahl potentialabhängig modifiziert wird. Ebenso wird die Relevanz von Rechnungen mit konstantem Potential demonstriert.

Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung und Validierung eines reaktiven Kraftfelds (ReaxFF) für die Strukturbildungsprozesse der Zwillingspolymerisation (ZP). Die ZP ist eine neue Synthesemethode zur Herstellung nanostrukturierter Hybridmaterialien, wie beispielsweise nanostrukturierter Kohlenstoffe als Gasspeichermedium. Die ZP beruht dabei auf der Verwendung geeigneter Zwillingsmonomere, die kovalent gebundene organische und anorganische Strukturkomponenten aufweisen. Innerhalb der Polymerisation werden die Komponenten neu verknüpft, sodass mehrere ineinander verwobene Teilpolymere - zum Beispiel Phenolharz und Siliziumdioxid - als organisch-anorganische Mischung entstehen. Die Nanostrukturierung innerhalb des Prozesses liegt dabei an dem gekoppelten Wachstum durch die anfängliche kovalente Bindung im Zwillingsmonomer. Ein Überblick über die chemischen Details wird im zweiten Kapitel gegeben. Weiterhin werden für die Modellbildung genutzte reduzierte Testsysteme vorgestellt. Basierend auf dieser komplexen Strukturbildung wird im dritten Kapitel die gewählte Modellierungsmethode der reaktiven Molekulardynamik mit dem Kraftfeld ReaxFF vorgestellt. Für die Modellierung mit ReaxFF werden Referenzdaten benötigt um einen Parametersatz für das Kraftfeld zu entwickeln, welcher das chemische Modell darstellen kann. Dazu wird im vierten Kapitel eine Übersicht über die benutzten Methoden zur Referenzdatenerzeugung gegeben. Im fünften Kapitel fokussiert sich die Arbeit auf die anfänglich als Referenz zur Verfügung gestellte Theorie und ihre Erweiterung zur Unterstützung der Kraftfeldmodellierung. Ausgehend von den erhaltenen Referenzdaten werden die Kraftfeldresultate für die erste Parametrisierung (TP-a) vorgestellt. Diese zeigte eine ungünstige Mittelung aus aromatischen Ringeigenschaften und nichtaromatischen Brückeneigenschaften, welche dann mit einer erweiterte Kraftfelddefinition (TP-b) aufgehoben werden konnte. In den Simulationen konnten damit alle definierte Schritte der ZP nachgewiesen werden, allerdings mit verbleibenden Problemen aufgrund der Charakteristik des geladenen Gesamtsystems. Für das sechste Kapitel wird daher die Implementierung eines Kraftfeldes für die vollständige Darstellung einer Säure durchgeführt. Ein weiterer wichtiger Aspekt für diese Erweiterung ist die damit verbundene Aufklärung der Rolle des Anions in der Strukturbildung. Das siebte Kapitel fasst die Arbeit zusammen und erlaubt den Ausblick auf zukünftige Verbesserung der Modellierung. Weiterhin werden Aussagen zur Transferierbarkeit der Ergebnisse innerhalb der Zwillingspolymerisierung getroffen.

The development of materials with tailored functionalities and with continuously shrinking linear dimensions towards (and below) the nanoscale is not only going to revolutionize state of the art fabrication technologies, but also the computational methodologies used to model the materials properties. Specifically, atomistic methodologies are becoming increasingly relevant in the field of materials science as a fundamental tool in gaining understanding on as well as for pre-designing (in silico material design) the behavior of nanoscale materials in response to external stimuli. The major long-term goal of atomistic modelling is to obtain structure-function relationships at the nanoscale, i.e. to correlate a definite response of a given physical system with its specific atomic conformation and ultimately, with its chemical composition and electronic structure. This has clearly its pendant in the development of bottom-up fabrication technologies, which also require a detailed control and fine tuning of physical and chemical properties at sub-nanometer and nanometer length scales. The current work provides an overview of different applications of atomistic approaches to the study of nanoscale materials. We illustrate how the use of first-principle based electronic structure methodologies, quantum mechanical based molecular dynamics, and appropriate methods to model the electrical and thermal response of nanoscale materials, provides a solid starting point to shed light on the way such systems can be manipulated to control their electrical, mechanical, or thermal behavior. Thus, some typical topics addressed here include the interplay between mechanical and electronic degrees of freedom in carbon based nanoscale materials with potential relevance for designing nanoscale switches, thermoelectric properties at the single-molecule level and their control via specific chemical functionalization, and electrical and spin-dependent properties in biomaterials. We will further show how phenomenological models can be efficiently applied to get a first insight in the behavior of complex nanoscale systems, for which first principle electronic structure calculations become computationally expensive. This will become especially clear in the case of biomolecular systems and organic semiconductors.

Im Rahmen dieser Arbeit werden ein- und mehrkernige Cu(II)- und Ni(II)-bis(oxamato)-Komplexe im Hinblick auf ihre magneto-optischen Eigenschaften gezielt hergestellt und strukturell charakterisiert. Über ladungs- und übergangsmetallinduzierte Abweichungen vom allgemeinen in der Literatur beschriebenen Reaktionsverhalten wird berichtet. Aus Elektronenspinresonanz-Untersuchungen wird die Spindichteverteilung in den einkernigen Cu(II)-Komplexen abgeleitet. Die Beeinflussung dieser durch die Koordinationsgeometrie sowie die Auswirkungen auf die Superaustausch-Wechselwirkung werden diskutiert und mit Ergebnissen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) verglichen. Dreikernige bis(oxamato)-Komplexe werden erstmals durch Spin-Coating auf Si(111)-Substraten aufgebracht und mit Hilfe der spektroskopischen Ellipsometrie sowie der Ramanspektroskopie untersucht und mittels DFT-Berechnungen ausgewertet. Magneto-optische Kerr-Effekt-Untersuchungen werden an dünnen Schichten dieser Komplexe sowie Phthalocyaninen durchgeführt. Zum Vergleich werden die magnetischen und magneto-optischen Eigenschaften von Ni-Nanopartikeln in verschiedenen organischen Matrizen untersucht. Mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie wird das Oxidationsverhalten dieser studiert und es werden Rückschlüsse auf Ladungstransferprozesse zwischen den Matrizen und den Nanopartikeln gezogen.

The development of materials with tailored functionalities and with continuously shrinking linear dimensions towards (and below) the nanoscale is not only going to revolutionize state of the art fabrication technologies, but also the computational methodologies used to model the materials properties. Specifically, atomistic methodologies are becoming increasingly relevant in the field of materials science as a fundamental tool in gaining understanding on as well as for pre-designing (in silico material design) the behavior of nanoscale materials in response to external stimuli. The major long-term goal of atomistic modelling is to obtain structure-function relationships at the nanoscale, i.e. to correlate a definite response of a given physical system with its specific atomic conformation and ultimately, with its chemical composition and electronic structure. This has clearly its pendant in the development of bottom-up fabrication technologies, which also require a detailed control and fine tuning of physical and chemical properties at sub-nanometer and nanometer length scales. The current work provides an overview of different applications of atomistic approaches to the study of nanoscale materials. We illustrate how the use of first-principle based electronic structure methodologies, quantum mechanical based molecular dynamics, and appropriate methods to model the electrical and thermal response of nanoscale materials, provides a solid starting point to shed light on the way such systems can be manipulated to control their electrical, mechanical, or thermal behavior. Thus, some typical topics addressed here include the interplay between mechanical and electronic degrees of freedom in carbon based nanoscale materials with potential relevance for designing nanoscale switches, thermoelectric properties at the single-molecule level and their control via specific chemical functionalization, and electrical and spin-dependent properties in biomaterials. We will further show how phenomenological models can be efficiently applied to get a first insight in the behavior of complex nanoscale systems, for which first principle electronic structure calculations become computationally expensive. This will become especially clear in the case of biomolecular systems and organic semiconductors.

Es werden die Verbindungen YMn2O5 und YFeMnO5 diskutiert. Die erstere zeigt unterhalb von TN = 45 K Ferromagnetismus und in der magnetischen Phase schwache Ferroelektrizität. Die elektrische Polarisation wird mit Symmetriebrechung durch die Spinstruktur erklärt, die zur Aufhebung der Inversionssymmetrie führt (sog. unechtes Ferroelektrikum). Isostrukturelle Ersetzung von Mn durch Fe führt zu YFeMnO5, einer Verbindung, die bei T<165 K ferrimagnetisch, jedoch nicht ferroelektrisch ist. Die Spin-Strukturen beider Verbindungen sind bereits eingehend untersucht und zeigen charakteristische Unterschiede. Für Verbindungen der Zusammensetzung YFe(x)Mn(2-x)O5 wurden Röntgenbeugungs-und Absorptionsfeinstruktur-Experimente zur Bestimmung der Kristallstrukur in Abhängigkeit vom Fe-Anteil x durchgeführt und ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, daß die Strukturparameter einen nahezu linearen Verlauf zwischen den aus der Literatur bekannten Grenzfällen YFeMnO5 und YMn2O5 nehmen. Fe ersetzt dabei das Mn auf der fünffach koordinierten Lage innerhalb einer Sauerstoff-Pyramide. Besonders markant ist die unterschiedliche Position von Mn bzw. Fe in dieser Umgebung. Mit Hilfe der Strukturdaten wurden kollineare DFT-Rechnungen im LSDA+U-Formalismus in skalar-relativistischer Näherung durchgeführt. Für YFeMnO5 konnte der experimentell bekannte Grundzustand im Rahmen der Näherung reproduziert werden, obgleich eine Bandlücke nur in Abhängigkeit von der U-Korrektur auftritt. Der berechnete Grundzustand von YMn2O5 gibt die komplizierte magnetische Struktur dieser Verbindung nicht wieder, weil die gewählte Elementarzelle des Gitters dafür zu klein ist. Statt dessen ist der berechnete Grundzustand hier sehr ähnlich zu dem von YFeMnO5. Eine ausführliche Untersuchung der projizierten Zustandsdichten der Metallatome ermöglicht die Diskussion der Kristallfeldaufspaltung im Zusammenhang mit deren Position innerhalb der Sauerstoffpolyeder. Durch Berechnung mehrerer Spinstrukturen in einer kristallographischen Elementarzelle mit erniedrigter Symmetrie konnten die Austauschparameter eines Heisenberg-Modells zwischen den lokalisierten Spins der Metallatome berechnet werden. Die Größenverhältisse dieser Parameter können mit den aus der Literatur bekannten Spinstrukturen in Einklang gebracht werden. Die Wechselwirkungen sind überwiegend antiferromagnetisch, in Übereinstimmung mit den GKA-Regeln für den Superaustausch. Bei YMn2O5 wird insbesondere eine der schwächeren Kopplungen in der magnetischen Struktur periodisch frustriert. Man geht davon aus, daß dies eine mögliche Ursache für das Auftreten von Ferroelektrizität in der magnetischen Phase ist. Bei YFeMnO5 ist der berechnete Wert dieser Kopplung wesentlich größer und die magnetische Struktur beinhaltet keine Frustration. Dies ist eine mögliche Erklärung für die Abwesenheit der magnetisch induzierten Ferroelektrizität in YFeMnO5. Im zweiten Teil stehen das in Perowskitstruktur kristallisierende SrTiO3 und die durch Hinzufügen von SrO daraus hervorgehenden Kristallstrukturen der sog. Ruddlesden-Popper-Phasen (RP) im Mittelpunkt. Die Daten von Nahkanten-Elektronenenergieverlustspektren (ELNES) an der Sauerstoff K-Kante in SrTiO3, SrO und einer RP-Phase wurden ausgewertet und mit DFT-berechneten projizierten Zustandsdichten (PDOS) der 2p-Orbitale der O-Atome in diesen Verbindungen verglichen. Bei ELNES-Nahkantenspektren ist ein solcher Vergleich mit Experimenten im Bereich hoher Elektronenenergien möglich, weil die Auswahlregel auch für die inelastischen Elektronenstöße zutrifft. Die Spektren zeigen für jede Verbindung charakteristische Maxima, deren Ursache die unterschiedliche nähere Umgebung der Sauerstoffatome ist. Weiterhin wurden Experimente an SrTiO3-Einkristallen unter Einfluß elektrischer Gleichströme und -felder durchgeführt. Bei Experimenten an Einkristall-Wafern waren Hinweise auf lokale Veränderungen der Kristallstruktur unter diesen Bedingungen gefunden worden. Ergänzend dazu wurden mikroskopische einkristalline Proben untersucht. Bei geringen Stromstärken zeigte sich dabei das bereits bekannte Degradationsverhalten des elektrischen Widerstands. Bei hohen Stromstärken kommt es zum elektrischen Durchbruch und dauerhafter Erniedrigung des Widerstands. Röntgenbeugungsmessungen ergaben keine Hinweise auf Veränderungen an der Kristallstruktur oder in Form von Zwillings-oder Bruchstückbildung. Im dritten Teil werden Röntgenbeugungsmessungen an CeCu2Si2-Einkristallen diskutiert. Bei der Auswertung älterer Messungen fielen nach der Strukturbestimmung charakteristische Maxima der Restelektronendichte auf, deren Ursprung nicht erklärt werden konnte und die bei mehreren Kristallen beobachtet wurden. Mit erneuten Messungen und Simulationen konnte nun gezeigt werden, daß diese Maxima von einer fehlerhaften Auswertungsmethode verursacht wurden.

Diese Arbeit verfolgte das Ziel einer Vertiefung des Grundverständnisses der Chemie vierwertiger Actinide und deren Wechselwirkung mit biologischen Modellsystemen. Dies erfolgte mit Hilfe von modernen quantenchemischen Rechenmethoden anhand der Komplexserien [MCl((S)-PEBA)₃] und [MN₃((S)-PEBA)₃] sowie [M(Salen)₂] (M = Ce, Th, Pa, U, Np, Pu) mit den Komplexbildnern (S,S)-N,N’-Bis(1-phenylethyl)-benzamidinat, kurz (S)-PEBA, und der Schiffschen Base (N,N’)-Bis(salicyliden)-ethylendiamin, kurz Salen. Die Arbeit umfasst im Einzelnen die Analyse der chemischen Bindung zwischen Metall und Ligandatomen basierend auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) sowie die Berechnung angeregter Zustände zur Simulation von elektronischen Absorptionsspektren und der Vergleich mit vorhandenen experimentellen Daten. Actinide können durch Havarien in Kernkraftwerken oder in einem Unfallszenario in einem tiefengeologischen Endlager in die Umwelt gelangen und stellen durch ihre Chemo- und Radiotoxizität eine Gefahr für Mensch und Umwelt dar. Um die Einflüsse der Actiniden auf die Biosphäre einschätzen zu können, ist es daher wichtig die Wechselwirkung zwischen Actiniden und biologischen Systemen zu verstehen. Für einen systematischen Vergleich der Actiniden bzgl. ihrer Wechselwirkung mit Biomolekülen bietet sich eine möglichst lange Serie isostruktureller Verbindungen mit biorelevanten Modellsystemen an. Dies konnte für die Actiniden Th, Pa, U, Np und Pu jeweils im vierwertigen Oxidationszustand in Kombination mit den Liganden (S)-PEBA sowie Salen erreicht werden. Weiterhin wurde auch das Lanthanid Ce untersucht, um nicht nur die Elektronenstruktur entlang der Actinid-Serie zu untersuchen sondern auch 4f- mit 5f-Elementen vergleichen zu können. Für die Untersuchung der Metall-Ligand-Wechselwirkung kam eine große Auswahl moderner Methoden zum Einsatz, welche verschiedene Aspekte der chemischen Bindung beleuchten. Dies umfasste qualitative Methoden, wie die Visualisierung von Elektronendichtedifferenzen und nicht-kovalenten Wechselwirkungen, sowie quantitative Methoden, wie die Quantentheorie der Atome in Molekülen (QTAIM), die Interacting Quantum Atoms (IQA) und die natürliche Populationsanalyse (NPA). Im Falle der PEBA-Serien wurde eine hauptsächlich ionische M−N-Bindung zwischen Metall und Ligand beobachtet, da sowohl experimentell als auch quantenchemisch bestimmte Bindungslängen im Wesentlichen den ionischen Radien der beteiligten Elemente folgten. Dennoch konnte ein kovalenter Anteil gezeigt werden, welcher durch die sterischen Wechselwirkungen zwischen den PEBA-Liganden überdeckt wird und damit experimentell nicht beobachtet wurde. Entlang der Serie zeigte Th die am stärksten ionische Bindung. Selbst der jeweilige Ce-Komplex wies eine kovalentere Bindung zu den Liganden auf. U, Np und Pu bildeten Bindungen mit dem höchsten kovalenten Anteil aus, welcher sich jedoch in der Beteiligung der d- und f-Orbitale unterschied. Die Besetzung der 6d-Orbitale war für U am höchsten, wohingegen der f-Überschuss (5f + 6f) von U zu Pu konstant blieb. Die Bindungen ausgehend von Pu besitzen also stärkeren „f-Charakter“. In der Serie der [M(Salen)₂]-Komplexe konnte neben den Vergleichen der Metalle auch der Vergleich zwischen M−N- und M−O-Bindungen durchgeführt werden. Sämtliche eingesetzte Analyse-Methoden zeigten hierbei eine weitaus kovalentere Bindung der Metalle zu O als zu N. Dies zeigte sich anhand kürzerer M−O-Bindungen sowie einer starken Polarisierung des freien Elektronenpaars am O, was für die kovalente Bindung genutzt wird. Alle Bindungen in dieser Serie zeigten allerdings auch hier grundsätzlich einen überwiegend ionischen Bindungscharakter. Entlang der Serie konnte abermals Th als das Metall mit der ionischsten Bindung identifiziert werden. Darauf folgen Ce und Pu, welche durch ihre geringe Größe eine stark elektronenziehende Wirkung auf die Elektronendichte der Liganden besitzen, welche lokalisiert und damit für die chemische Bindung nicht mehr verfügbar sind. Pa, U und Np zeigten einen vergleichbar hohen kovalenten Charakter, wobei die jeweilige Lage des Maximums von der angelegten Methode abhängt. Die Energien der angeregten Zustände von Pa⁴⁺ , U⁴⁺ und ihren jeweiligen oktaedrischen Cl- und F-Komplexen konnten mit Hilfe einer Methodenkombination basierend auf der Complete Active Space Self Consistent Field Methode (CASSCF) mit hoher Genauigkeit berechnet und gruppentheoretisch analysiert werden. Es zeigte sich ein starker Einfluss der chemischen Umgebung auf die Energien der angeregten Zustände. Ebenso sorgte die Spin-Bahn-Kopplung für eine sehr starke Mischung angeregter Terme (teilweise über 50 %). Diese Erkenntnisse wurden genutzt, um die elektronischen Absorptionsspektren von [An(Salen)₂] (An = Pa, U, Np, Pu) zu berechnen und eine Bandenzuordnung vorzunehmen. Hierbei wurde eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentellen Spektren bereits für kleine Basissätze und aktive Räume beobachtet. DMRG-Berechnungen konnten dabei helfen, die statische Korrelation in den Komplexen offenzulegen und erweiterte aktive Räume zu definieren, die neben den f-Orbitalen auch σ- und π-Orbitale der Stickstoffe beinhalten und ein hohes Potenzial zur Verbesserung der Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment besitzen. Diese Art der Analyse der Wellenfunktion erwies sich als wertvolles Werkzeug für hochgenaue Berechnungen elektronischer Parameter. Die Ergebnisse der in dieser Arbeit durchgeführten chemischen Bindungsanalyse sowie die Berechnungen spektraler Parameter in Kombination mit experimentellen Befunden leisten einen großen Beitrag für das grundlegende Verständnis der elektronischen Struktur der Actinide. Mit diesen Daten können potenzielle Einflüsse der Actiniden auf die Biosphäre besser verstanden und vorhergesagt werden. Auf der anderen Seite wird auch aufgezeigt, dass die Actinidenchemie noch am Anfang einer äußerst interessanten Forschung steht. Laborexperimente können nur unter besonderen Sicherheitsvorkehrungen und damit nicht in jedem Labor durchgeführt werden. Gleichzeitig sind hochgenaue quantenchemische Berechnungen an Actiniden noch nicht routinemäßig möglich, erfahren aber stetig neue Entwicklungen. Durch den Vergleich der Berechnungen mit den Laborergebnissen konnte gezeigt werden, dass die verwendeten Methodenkombinationen, insbesondere die der Multireferenzberechnungen, hohes Potenzial für quantitative Berechnungen elektronischer, elektrischer und magnetischer Eigenschaften besitzen.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der schwingungsspektroskopischen Charakterisierung der molekularen Erkennung von Tetrapeptiden durch künstliche Rezeptoren. Die Peptidrezeptoren zeichnen sich durch hohe Bindungskonstanten in Wasser und ausgeprägte Selektivitäten gegenüber bestimmten Tetrapeptiden aus. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie über schwingungsspektroskopische Techniken in Kombination mit multivariaten und computerchemischen Methoden sowohl Bindungskonstanten als auch strukturelle Informationen über den Peptid-Rezeptor-Komplex gewonnen werden können. Dabei wurden die Infrarot-Spektroskopie zur globalen Abfrage des Gesamtkomplexes und die UV-Resonanz-Raman-Spektroskopie zur selektiven Abfrage der Bindungstasche des Rezeptors eingesetzt. Zur Auswertung der schwingungsspektroskopischen Bindungsstudien wurde eine Matrixfaktorisierung eingesetzt, die es erlaubt, das Reinspektrum des Komplexes (Infrarot-Spektroskopie) bzw. der komplexierten Bindungstasche (Resonanz-Raman-Spektroskopie) zu bestimmen. Darüber hinaus können über die Matrixfaktorisierung Komplexkonzentrationen ermittelt werden, die wiederum die Bestimmung von Bindungskonstanten erlauben. Im zweiten Teil der Arbeit wurden computerchemische Methoden verwendet, um die im ersten Teil der Arbeit beobachteten spektralen Änderungen unter Komplexierung erklären zu können. Zunächst wurden über Kraftfeld-Konformationssuchen energiearme Komplexstrukturen ermittelt, um danach mit Dichtefunktionaltheorie Schwingungsspektren zu berechnen. Zusätzliche Kraftfeld- und Dichtefunktionalrechnungen wurden durchgeführt, um den Einfluss von expliziten Wassermolekülen auf die berechneten Schwingungsspektren zu untersuchen. Im Zuge dieser Arbeit konnte gezeigt werden, wie über schwingungsspektroskopische Bindungsstudien die molekulare Erkennung von Peptiden durch künstliche Rezeptoren markierungsfrei untersucht werden kann. Die in dieser Arbeit vorgestellte Kombination von schwingungsspektroskopischen Methoden mit computerchemischen Rechnungen erlaubt die Übertragung dieses Vorgehens auf andere Systeme, wie z.B. biologische Rezeptoren.

Doped IrTe2 is considered a platform for topological superconductivity and therefore receives currently a lot of interest. In addition, the superconductivity in these materials exists in close vicinity to electronic order and the formation of molecular orbital crystals, which we explore here by means of high-pressure single crystal x-ray diffraction in combination with density functional theory. Our crystallographic refinements provide detailed information about the structural evolution as a function of applied pressure up to 42 GPa. Using this structural information for density functional theory calculations, we show that the local multicenter bonding in IrTe2 is driven by changes in the Ir-Te-Ir bond angle. When the electronic order sets in, this bond angle decreases drastically, leading to a stabilization of a multicenter molecular orbital bond. This unusual local mechanism of bond formation in an itinerant material provides a natural explanation for the different electronic orders in IrTe2. It further illustrates the strong coupling of the electrons with the lattice and is most likely relevant for the superconductivity in this material.

Die Dichtefunktionaltheorie (DFT) einschließlich Dispersionkorrekturen (+D) wird mit der Random-Phase-Approximation (RPA) für die Adsorption von Alkanen auf der Pt(111)-Oberfläche verglichen. RPA wird zuerst im Hinblick auf relevante technische Parameter evaluiert und für die Methanadsorption an der Pt(111)-Oberfläche getestet. Im Vergleich zum Perdew-Burke-Ernzerhof-Funktional (PBE) mit Tkatchenkos Many-Body-Dispersionskorrektur (PBE+MBD) liefert RPA gute Ergebnisse. Auch reproduziert RPA experimentelle Adsorptionsenergien bei verschiedenen, physikalisch sinnvollen Beladungsstufen der Pt(111) Oberfläche mit Alkanmolekülen. Für Platin in der hexagonal dichtesten Kugelpackung sagt RPA richtigerweise die Methanadsorption an der hollow-tripod-Stelle voraus, während mit PBE+MBD die Adsorption an einer anderen Stelle bevorzugt wäre. Dies geht aus Schwingungsspektren hervor. Da periodisches RPA sehr rechenaufwändig ist, wird ein QM:QM Hybridansatz (QM=Quantenmechanik) angewendet, wobei periodisches PBE(+D) mithilfe von RPA Rechnungen an Clustern korrigiert wird (RPA:PBE(+D)). In einem Test verschiedener Dispersionskorrekturen schneiden RPA:PBE und RPA:PBE+MBD am besten ab. Diese Arbeit ist wegbereitend für die Anwendung des QM:QM Hybridansatzes zur Beschreibung der Adsorptionsprozesse an Metalloberflächen ‒ bei hoher Genauigkeit und deutlich verringertem Rechenaufwand. Auch Kresses low-scaling RPA Algorithmus wird getestet. Dieser Algorithmus ermöglicht, große Systeme, wie z.B. die Methan-, Ethan-, Propan- und n-Butanadsorption an Pt(111), zu untersuchen. Der Vergleich mit experimentellen Daten zeigt, dass mit RPA stets die beste Übereinstimmung erreicht wird. Dabei wird eine deutliche Verbesserung gegenüber allen untersuchten Dichte-Funktionalen erzielt. Obwohl Bindungen mit RPA etwas zu schwach vorhergesagt werden, ist es die derzeit beste Methode zur Untersuchung der Adsorption an Metalloberflächen und damit der Benchmark für diese Systeme. / Density Functional Theory (DFT) including dispersion (+D) is compared against the Random Phase Approximation (RPA) for the adsorption of alkanes on the Pt(111) surface. RPA is first benchmarked with respect to technical parameters and tested for methane adsorption on Pt(111). It is found to perform well relative to the Perdew–Burke–Ernzerhof (PBE) functional augmented with the many-body dispersion scheme of Tkatchenko (PBE+MBD). It also compares well relative to experimentally derived adsorption energies at physically relevant coverages. RPA correctly assigns the adsorption of methane to the hcp (hexagonal close packed) hollow tripod site, matching vibrational spectra, whereas PBE+MBD found another site. Given the high cost of periodic RPA, a high-level: low-level QM:QM (QM = quantum mechanics) hybrid approach is applied using RPA (RPA:PBE(+D)), which has also been tested with several dispersion corrections, with RPA:PBE and RPA:PBE+MBD performing best. This extends the QM:QM hybrid approach to the study of adsorption on metal surfaces, resulting in high accuracy at significantly reduced cost. Finally we test the performance of the low-scaling RPA algorithm of Kresse and co-workers. This algorithm enables the study of larger systems and is applied to the first four n-alkanes (C1-C4) on the Pt(111) surface. Comparison against experiment indicates that RPA offers the best agreement, consistently better than any studied density functional. RPA underbinds slightly but is still found to be the best method for studying adsorption on metal surfaces and is the current benchmark for such systems.