Die Realstruktur des perowskitischen Modellsystems SrTiO3, welches in der Raumgruppe Pm-3m kristallisiert, wird durch die Sauerstoffvakanz als wichtigstem Defekt dominiert. Durch Temperaturbehandlung unter reduzierenden Bedingungen können Sauerstoffvakanzen in die Kristallstruktur eingebracht werden. Aufgrund ihrer positiven Ladung relativ zum Kristallgitter bewegen sie sich im elektrischen Feld entlang des TiO6-Oktaedernetzwerkes. Die Elektroformierung folgt dabei einem Arrheniuszusammenhang, wobei sowohl die Aktivierungsenergie als auch die Mobilität eine deutliche Abhängigkeit von der Kristallorientierung zeigen. Die Umverteilung der Sauerstoffvakanzen führt zu lokalen reversiblen Strukturänderungen, welche die Ausbildung einer neuen migrationsinduzierten feldstabilisierten polaren (MFP) Phase verursachen. In Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke zeichnet sie sich strukturell durch eine tetragonale Verzerrung der ursprünglich kubischen Elementarzelle aus und geht mit dem Verlust der Inversionssymmetrie einher. Die Polarisation in der Struktur wird durch die erwiesene Pyroelektrizität bestätigt und gilt als Grundlage, um anhand eines kristallographischen Symmetrieabstieges die Herleitung der Raumgruppe P4mm zu ermöglichen. Der durch die Migration hervorgerufene intrinsische Defektkonzentrationsgradient ruft eine elektromotorische Kraft hervor, deren Verwendung in einem elektrochemischen Energiespeicher experimentell nachgewiesen wurde. Diese neuen Funktionalitäten sind durch die Anwendung defektchemischer und kristallphysikalischer Konzepte infolge gezielter Materialmodifizierung unter Einfluss von Temperatur und elektrischem Feld zu verstehen. / The real structure of the perovskite-type model system SrTiO3, crystallizing in space group Pm-3m, is dominated by oxygen vacancies as most important defects. They are introduced in the crystal structure through heat-treatment under reducing conditions. Because of their positive charge relative to the crystal lattice, oxygen vacancies move in an electric field along the TiO6 octahedron network. This electroformation process follows an Arrhenius behavior. Both the activation energy and the mobility show an obvious dependence on the crystal orientation. Redistribution of oxygen defects causes local reversible structural changes, which involve the formation of a migration-induced field-stabilized polar (MFP) phase. In dependence on the electric field strength, this is structurally marked by a tetragonal distortion of the original cubic unit cell and accompanied by a loss of inversion symmetry. The polarisation in the crystal structure is confirmed by the proven pyroelectricity and serves for the argumentation to derive the space group P4mm by means of a crystallographic symmetry descent. The migration-induced intrinsic concentration gradient of oxygen vacancies leads to an electromotive force, whose application as electrochemical energy storage was proven experimentally. These new functionalities are explainable using defect chemistry and crystal physics in consequence of specific material modifications under the influence of temperature and external electric fields.

Diese Dissertation befasst sich mit den Plasmaeigenschaften und dem Schichtbildungsprozess bei der Titanoxidbeschichtung mit dem reaktiven Puls-Magnetron-Sputterverfahren. Insbesondere werden die Vorgänge, die zu einer vermehrt oder vermindert starken Kristallinität und photokatalytischen Aktivität der Schichten führen, untersucht und die Verflechtungen mit den Beschichtungsbedingungen analysiert. Es werden Untersuchungen zur Messung der sich während der Beschichtung einstellenden Substrattemperatur, zur Messung des auf das Substrat einfallenden integralen Ionenstroms sowie zur Energieverteilung positiver und negativer Ionen vorgestellt. Zu den wichtigsten Erkenntnissen dieser Untersuchungen zählt, dass bei Nutzung des Pulspaket- bzw. des Bipolar-Pulsmodus bei Rechteck-Magnetrons eine um etwa Faktor zwei stärkere Substraterwärmung auftritt als bei Nutzung des Unipolar-Pulsmodus. Das ist auf einen höheren Ionenstrom auf das Substrat bei gleichzeitig höherer Selbstbiasspannung zurückzuführen, was insgesamt zu einem deutlich intensiveren Bombardement des Substrats mit Ionen führt. Durch Vergleich mit den Eigenschaften von DC-Plasmen konnte gezeigt werden, dass die unterschiedliche Lage der Anode relativ zum Magnetron-Magnetfeld die primäre Ursache für die gefundenen Unterschiede ist. Der Titanoxid-Beschichtungsprozess wurde umfassend untersucht und dabei die Abhängigkeiten der Kristallinität und der Schichteigenschaften von Substrattemperatur, Beschichtungsrate und von dem während der Beschichtung auftretenden Ionenbombardement aufgezeigt. Eine wichtiges Resultat ist, dass durch Anwendung eines intensiven Ionenbombardements des Beschichtungsplasmas die für kristallines Schichtwachstum erforderliche Substrattemperatur sinkt. Das wird durch Nutzung des Pulspaket- bzw. des Bipolar-Pulsmodus anstatt des Unipolar-Pulsmodus sowie durch Wahl eines reaktiveren Arbeitspunkts erreicht. Insgesamt konnte anhand der Untersuchungen der Parameterbereich, in dem die Abscheidung polykristalliner Titanoxidschichten möglich ist, in Richtung niedriger Substrattemperaturen und dünner Schichten ermittelt werden. / In this dissertation, the plasma characteristics and the layer forming process during the titanium oxide deposition with the reactive pulse magnetron sputtering method are investigated. In particular, the procedures which lead to a higher or lower crystallinity and photocatalytic activity are examined and the connections with the coating conditions are analyzed. Investigations are presented concerning the maximum substrate temperature during deposition, the integral ion current onto the substrate as well as the ion energy distribution function of positive and negative ions. One of the most important findings is that when using rectangular magnetrons in the pulse packet mode or in the bipolar pulse about to factor two stronger substrate heating arises in comparison to the unipolar pulse mode. That is due to a higher ion current onto the substrate and a higher self bias potential which leads altogether to a significantly higher ion bombardment of the substrate. It could be shown by comparison with the characteristics of DC plasmas that the different configuration of the anode relative to the magnetic field of the magnetrons is the primary cause for the differences. The titanium oxide coating process was comprehensively examined. Layer crystallinity and layer properties could be related to substrate temperature, deposition rate and ion bombardment during deposition. An important result is that by application of an intensive ion bombardment the substrate temperature necessary for crystalline layer growth decreases. This can be achieved by using the pulse packet or the bipolar pulse mode instead of the unipolar pulse mode as well as by choice of a more reactive working point. All in all, the parameter range in which is it possible to deposit polycrystalline titanium oxide layers could be determined toward low substrate temperatures and small layer thickness.

The new phases Ca3Pt4+xGe13−y (x = 0.1; y = 0.4; space group I213; a = 18.0578(1) Å; RI = 0.063; RP = 0.083) and Yb3Pt4Ge13 (space group P42cm; a = 12.7479(1) Å; c = 9.0009(1) Å; RI = 0.061, RP = 0.117) are obtained by high-pressure, high-temperature synthesis and crystallize in new distortion variants of the Pr3Rh4Sn13 type. Yb3Pt4Ge13 features Yb in a temperature-independent non-magnetic 4f14 (Yb2+) configuration validated by X-ray absorption spectra and resonant inelastic X-ray scattering data. Ca3Pt4+xGe13−y is diamagnetic (χ0 = −5.05 × 10−6 emu mol−1). The Sommerfeld coefficient γ = 4.4 mJ mol−1 K−2 for Ca3Pt4+xGe13−y, indicates metallic properties with a low density of states at the Fermi level in good agreement with electronic structure calculation (N(EF) = 3.3 eV−1/f.u.)); the Debye temperature (θD) is 398 K. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige, gemischte Tetrahydridoborate (Borhydride), die für die Wasserstoffspeicherung im Festkörper für die mobile Anwendung geeignet sein könnten, synthetisiert und vollständig charakterisiert. Entscheidende Materialanforderungen für die Kombination mit einer Tieftemperaturbrennstoffzelle sind die hohe Wasserstoffspeicherkapazität von min. 6 m% bei einer Wasserstoffdesorption unterhalb von 100°C. Um beide dieser Hauptkriterien zu erfüllen, wurden Li-Al- und Na-Al-Borhydrid entsprechend dem Konzept von Nakamori u.a. ausgewählt. Beide Borhydride desorbieren unterhalb von 100°C, wobei das synthetisierte Li-Al-Borhydrid aufgrund des hohen Wasserstoffgehalts (17,2 m% H2) die vielversprechendsten Eigenschaften zeigte. Beide Systeme wurden mittels Pulverdiffraktometrie am Synchrotron hinsichtlich Ihrer Struktur aufgeklärt, wobei die Struktur der einzelnen komplexen Ionen anhand von Schwingungsspektroskopie (Infrarot-, Ramanspektroskopie) ebenfalls bestätigt werden konnte. Mit Hilfe verschiedener kombinierter Desorptionsanalysen war es möglich den Zersetzungspfad, insbesondere die Bildung instabiler Desorptionsprodukte, aufzuklären. So erfolgt die Zersetzung des Li-Al-Borhydrids über die Bildung von Lithiumborhydrid in der Festphase, das mittels in-situ Ramanspektroskopie in einer speziellen Ramanzelle beobachtet werden konnte. Die Infrarotspektroskopie des Desorptionsgases zeigte zunächst die Freisetzung von Aluminiumborhydrid, dass wiederrum Diboran und Wasserstoff desorbiert. Weiterhin wurden verschiedene Möglichkeiten verfolgt, wie der Zusatz von Kohlenstoff oder das Nanoconfinement von Lithiumalanat, um den Zersetzungsweg hinsichtlich ausschließlicher Wasserstofffreisetzung zu modifizieren und somit Reversibilität zu ermöglichen. Es konnte jedoch kein reversibles System mit hoher gravimetrischer Wasserstoffspeicherdichte und Desorption unterhalb von 100°C erzeugt werden. / Aim of the work was the synthesis and characterisation of novel mixed tetrahydroborates (borohydrides) for solid state hydrogen storage suitable for mobile applications. The combination with a PEM fuel cell requires a material with at least 6 wt% hydrogen combined with hydrogen desorption below 100°C. To fulfill both criteria, Li-Al- und Na-Al-borohydride were selected according to Nakamori’s concept. Both mixed borohydrides desorb well below 100°C whereas the mixed Li-Al-borohydride showed the most promising properties due to its high gravimetric hydrogen content (17.2 wt% H2). The crystal structures were examined by powder diffraction with a synchrotron source. The symmetry of the containing complex cations and anions was confirmed with vibrational spectroscopy (infrared, raman spectroscopy). The desorption pathway was clarified using a variety of combined thermal analysis techniques. Especially the desorption of unstable products of the most promising Li-Al-borohydride was possible via spectroscopy. Hence the desorption of Li-Al-borohydride leads to the formation of lithium borohydride in the solid state which was monitored via in-situ raman spectroscopy in a special raman cell. Infrared spectroscopy of the desorbed gas showed the initial desorption of aluminium borohydride which desorbs diborane and hydrogen in the following. Different options were examined in order to modify this desorption pathway by carbon addition or nanoconfinement of lithium alanate. However, none of the materials showed high hydrogen content combined with exclusive hydrogen desorption below 100°C and reversibility.

Ti-Nb alloys are characterized by a diverse metallurgy which allows obtaining a wide palette of microstructural configurations and physical properties via careful selection of chemical composition, heat treatment and mechanical processing routes. The present work aims to expand the current state of knowledge about martensite forming Ti-Nb alloys by studying 15 binary Ti-c_{Nb}Nb (9wt.% ≤ c_{Nb} ≤ 44.5wt.%) alloy formulations in terms of their structural and mechanical properties, as well as their thermal stability. The crystal structures of the martensitic phases, α´ and α´´, and the influence of the Nb content on the lattice (Bain) strain and on the volume change related to the β → α´/α´´ martensitic transformations are analyzed on the basis of Rietveld-refinements. The magnitude of the shuffle component of the β → α´/α´´ martensitic transformations is quantified in relation to the chemical composition. The largest transformation lattice strains are operative in Nb-lean alloys. Depending on the composition, both a volume dilatation and contraction are encountered and the volume change may influence whether hexagonal martensite α´ or orthorhombic martensite α´´ forms from β upon quenching. The mechanical properties and the deformation behavior of martensitic Ti-Nb alloys are studied by complementary methods including monotonic and cyclic uniaxial compression, nanoindentation, microhardness and impulse excitation technique. The results show that the Nb content strongly influences the mechanical properties of martensitic Ti-Nb alloys. The elastic moduli, hardness and strength are minimal in the vicinity of the limiting compositions bounding the interval in which orthorhombic martensite α´´ forms by quenching. Uniaxial cyclic compressive testing demonstrates that the elastic properties of strained samples are different than those of unstrained ones. Also, experimental evidence indicates a deformation-induced martensite to austenite (α´´ → β) conversion. The influence of Nb content on the thermal stability and on the occurrence of decomposition reactions in martensitic Ti-Nb alloys is examined by isochronal differential scanning calorimetry, dilatometry and in-situ synchrotron X-ray diffraction complemented by transmission electron microscopy. The thermal decomposition and transformation behavior exhibits various phase transformation sequences during heating into the β-phase field in dependence of composition. Eventually, the transformation temperatures, interval, hysteresis and heat of the β ↔ α´´ martensitic transformation are investigated in relation to the Nb content. The results obtained in this study are useful for the development and optimization of β-stabilized Ti-based alloys for structural, Ni-free shape memory and/or superelastic, as well as for biomedical applications. / Ti-Nb Legierungen zeichnen sich durch eine vielfältige Metallurgie aus, die es nach sorgfältiger Auswahl der chemischen Zusammensetzung sowie der thermischen und mechanischen Prozessierungsroute ermöglicht eine große Bandbreite mikrostruktureller Konfigurationen und physikalischer Eigenschaften zu erhalten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es den gegenwärtigen Wissensstand über martensitbildende Ti-Nb Legierungen zu erweitern. Zu diesem Zweck werden 15 binäre Ti-c_{Nb} Nb (9 Gew.% ≤ c_{Nb} ≤ 44.5 Gew.%) Legierungen hinsichtlich ihrer strukturellen und mechanischen Eigenschaften sowie ihrer thermischen Stabilität untersucht. Die Kristallstrukturen der martensitischen Phasen, α´ und α´´, sowie der Einfluss des Nb-Gehalts auf die Gitterverzerrung (Bain-Verzerrung), auf die Verschiebungswellenkomponente (Shuffle-Komponente) und auf die Volumenänderung der martensitischen β → α´/α´´ Transformationen werden anhand von Rietveld-Verfeinerungen analysiert. In Abhängigkeit des Nb-Gehalts tritt entweder eine Volumendilatation oder -kontraktion auf, die bestimmen könnte ob hexagonaler Martensit α´ oder orthorhombischer Martensit α´´ aus β bei Abkühlung gebildet wird. Die mechanischen Eigenschaften und das Verformungsverhalten martensitischer Ti-Nb Legierungen werden mit einer Reihe komplementärer Methoden (monotone und zyklische einachsige Druckversuche, Nanoindentation, Mikrohärte, Impulserregungstechnik) untersucht. Die Ergebnisse zeigen durchgehend, dass die mechanischen Eigenschaften martensitischer Ti-Nb Legierungen stark vom Nb-Gehalt beeinflusst werden. Die mechanischen Kennwerte sind minimal in der Nähe der Zusammensetzungen, innerhalb derer β → α´´ bei Abkühlung auftritt. Aus Druckversuchen geht hervor, dass die elastischen Eigenschaften verformter Proben verschieden zu denen unverformter sind. Die experimentellen Ergebnisse weisen außerdem auf eine verformungsinduzierte Umwandlung von Martensit in Austenit (α´´ → β) hin. Der Einfluss des Nb-Gehalts auf die thermische Stabilität und das Auftreten von Zerfallsreaktionen in martensitischen Ti-Nb Legierungen wird anhand von dynamischer Differenzkalorimetrie, Dilatometrie, und in-situ Synchrotronröntgenbeugung in Kombination mit Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Das thermische Zerfalls- und Umwandlungsverhalten ist durch das Auftreten einer Vielzahl von in Abhängigkeit des Nb-Gehalts unterschiedlichen Phasentransformationssequenzen gekennzeichnet. Abschließend werden die Transformationstemperaturen und -wärmen, das Transformationsinterval und die thermische Hysterese der martensitischen β ↔ α´´ Umwandlung untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind für die Entwicklung und Optimierung β-stabilisierter Ti-Legierungen für strukturelle und biomedizinische Anwendungen sowie Ni-freier Komponenten, die Formgedächtniseffekt und/oder Superelastizität aufweisen, von Nutzen.

Bereits kurz nach Ende des zweiten Weltkriegs, als vergleichsweise große Mengen hochreiner Seltener Erden (SE) für die Wissenschaft bereit standen, wurde erkannt, dass die SE und deren Verbindungen eine Vielzahl bis dahin nicht untersuchter bzw. gänzlich unbekannter physikalischer Phänomene bergen. Zu diesen zählen insbesondere die magnetischen Ordnungen, der KONDO-Effekt, quantenkritische Punkte, das Schwere-Fermionen Verhalten und die Supraleitung. Es konnte teilweise ein drastischer Einfluss leichter Änderungen der chemischen Zusammensetzung auf die physikalischen Eigenschaften dieser Stoffe beobachtet werden. Den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bilden die detaillierte röntgenographische Aufklärung der Kristallstruktur sowie die Untersuchung des Einflusses dedizierter Variationen der chemischen Zusammensetzung auf Struktur und Eigenschaften wichtiger Vertreter dieser Substanzklasse. Ein besonderer Akzent liegt hierbei auf der Charakterisierung von modulierten Kristallen. Für die Aufklärung der Struktur wird ein breites Spektrum physikalischer Messmethoden, insbesondere die Röntgendiffraktometrie, eingesetzt. Vorgestellt werden orientierte Fremdphaseneinschlüsse im System Y-Ni-B-C, die Ausbildung inkommensurabel geordneter Vakanzen im System Ce-Si, der Einbau von Stapelfehlern sowie eine kommensurable Ordnung von Übergangsmetall-Atomen (ÜM) im System SE-ÜM-Si und eine lagenspezifische Besetzung im System Y-Mn-Fe-O, deren Aufklärung erstmals berichtet wird. Es wird gezeigt, welche Konsequenzen die strukturellen Besonderheiten für ausgewählte physikalische Eigenschaften zur Folge haben. Diese Arbeit hat das Ziel, einen Überblick über die möglichen „Antworten“ der Kristallstruktur der Seltenerd-Übergangsmetall-Verbindungen auf Variationen der chemischen Zusammensetzung zu geben. / Even shortly after World War II, as large amounts of ultrapure rare earths (RE) became available for scientific research, a large reservoir of peculiar phenomena was uncovered. These had not been investigated before or were completely unknown. Examples of these phenomena are, magnetic ordering, the KONDO effect, quantum critical points, heavy fermion behaviour, as well as superconductivity. A strong influence of small variations of the chemical composition on the physical properties had been observed. The main focus of the present thesis is the detailed elucidation of the crystal structure of fundamental representatives of this class of substances, as well as the influence of dedicated variations of the chemical composition on their structure and properties. In particular, the characterisation of modulated crystals is an important facet. A large spectrum of physical methods, especially X-ray diffraction, is employed in the investigations. Results on oriented intergrowth in the Y-Ni-B-C system, incommensurately ordered vacancies in the Ce-Si system, incorporation of stacking faults as well as commensurately ordered transition metal atoms (TM) in the RE-TM-Si system and site specific occupancy in the Y-Mn-Fe-O system are presented. Their elucidation is reported for the first time. It will be shown which consequences the structural peculiarities will have on the physical properties. An objective of this thesis is to give an overview of the possible “answers“ that can be obtained with regard to the influence of the crystal structure of rare earth transition metal compounds on deviations of the chemical composition.

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.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der theoretischen Vorhersage neuer Materialien. Ein evolutionärer Algorithmus, der zur Lösung dieses globalen Optimierungsproblems Konzepte der natürlichen Evolution imitiert, wurde entwickelt und ist als Programmpaket EVO frei verfügbar. EVO findet zuverlässig sowohl bekannte als auch neuartige Kristallstrukturen. Beispielsweise wurden die Strukturen von Germaniumnitrofluorid, einer neue Borschicht und mit dem gekreuzten Graphen einer bisher unbekannte Kohlenstoffstruktur gefunden. Ferner wurde in der Arbeit gezeigt, dass das reine Auffinden solcher Strukturen der erste Teil einer erfolgreichen Vorhersage ist. Weitere aufwendige Berechnungen sind nötig, die Aufschluss über die Stabilität der hypothetischen Struktur geben und Aussagen über zu erwartende Materialeigenschaften liefern.

Die Realstruktur des perowskitischen Modellsystems SrTiO3, welches in der Raumgruppe Pm-3m kristallisiert, wird durch die Sauerstoffvakanz als wichtigstem Defekt dominiert. Durch Temperaturbehandlung unter reduzierenden Bedingungen können Sauerstoffvakanzen in die Kristallstruktur eingebracht werden. Aufgrund ihrer positiven Ladung relativ zum Kristallgitter bewegen sie sich im elektrischen Feld entlang des TiO6-Oktaedernetzwerkes. Die Elektroformierung folgt dabei einem Arrheniuszusammenhang, wobei sowohl die Aktivierungsenergie als auch die Mobilität eine deutliche Abhängigkeit von der Kristallorientierung zeigen. Die Umverteilung der Sauerstoffvakanzen führt zu lokalen reversiblen Strukturänderungen, welche die Ausbildung einer neuen migrationsinduzierten feldstabilisierten polaren (MFP) Phase verursachen. In Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke zeichnet sie sich strukturell durch eine tetragonale Verzerrung der ursprünglich kubischen Elementarzelle aus und geht mit dem Verlust der Inversionssymmetrie einher. Die Polarisation in der Struktur wird durch die erwiesene Pyroelektrizität bestätigt und gilt als Grundlage, um anhand eines kristallographischen Symmetrieabstieges die Herleitung der Raumgruppe P4mm zu ermöglichen. Der durch die Migration hervorgerufene intrinsische Defektkonzentrationsgradient ruft eine elektromotorische Kraft hervor, deren Verwendung in einem elektrochemischen Energiespeicher experimentell nachgewiesen wurde. Diese neuen Funktionalitäten sind durch die Anwendung defektchemischer und kristallphysikalischer Konzepte infolge gezielter Materialmodifizierung unter Einfluss von Temperatur und elektrischem Feld zu verstehen. / The real structure of the perovskite-type model system SrTiO3, crystallizing in space group Pm-3m, is dominated by oxygen vacancies as most important defects. They are introduced in the crystal structure through heat-treatment under reducing conditions. Because of their positive charge relative to the crystal lattice, oxygen vacancies move in an electric field along the TiO6 octahedron network. This electroformation process follows an Arrhenius behavior. Both the activation energy and the mobility show an obvious dependence on the crystal orientation. Redistribution of oxygen defects causes local reversible structural changes, which involve the formation of a migration-induced field-stabilized polar (MFP) phase. In dependence on the electric field strength, this is structurally marked by a tetragonal distortion of the original cubic unit cell and accompanied by a loss of inversion symmetry. The polarisation in the crystal structure is confirmed by the proven pyroelectricity and serves for the argumentation to derive the space group P4mm by means of a crystallographic symmetry descent. The migration-induced intrinsic concentration gradient of oxygen vacancies leads to an electromotive force, whose application as electrochemical energy storage was proven experimentally. These new functionalities are explainable using defect chemistry and crystal physics in consequence of specific material modifications under the influence of temperature and external electric fields.

The hydroflux method is a promising new synthesis approach for explorative crystal growth. Various new compounds were synthesized during the preparation of this PhD thesis, doubling the number of substances discovered to date via the hydroflux approach. The product range consists primarily of oxides, hydroxides or a mixture of both, with oxygen-free compounds being obtained for the first time in form of various chalcogenides. The so far barely explored redox chemistry of the hydroflux was elucidated in more detail and novel preparation procedures were developed to intentionally introduce reductive and oxidative conditions. Thus, chalcogenides and highly oxidized cations were obtained. In addition, important reaction parameters of the hydroflux method were derived based on the developed syntheses procedures and properties of the various new compounds. The two largest compound classes within the product range are the hydrogarnets and the oxo(hydroxo)ferrates. Among the various interesting properties of the latter compounds, the potassium ion conductivity stands out, which is closely related to their structure and chemical stability. The structure of the oxohydroxoferrates K2–x(Fe,M)4O7–y(OH)y (M = Fe, Si, Ge, Ti, Mn, Ir) can be described as a parking garage. Honeycomb layers consisting of edge-sharing [FeO6] octahedra form the floors, which are connected by pairs of vertices-sharing [FeO4] tetrahedra representing the pillars. In the pictorial representation of this two-dimensional ion conductor, the potassium ions represent the cars that are mobile within one floor because not all parking lots are occupied, i.e., the structure has a potassium deficit. The substituted elements M influence the potassium content and thus the ion conductivity, which tends to increase with higher potassium deficits. The oxohydroxoferrates hydrolyze slowly in moist air under segregation of potassium hydroxide, which significantly increases the mobility of the potassium ions due to the hygroscopic nature and thus the ion conductivity. The three-dimensional ion conductor K12+6xFe6Te4–xO27 consists of a cubic labyrinth of potassium channels, which are surrounded by an open framework of [FeO5] pyramids and [TeO6] octahedra. Every potassium position is connected with eight large cavities acting as nodes for the potassium channels. However, the potassium positions within the channels are fully occupied, which hinders mobility within the labyrinth to the disadvantage of the ion conductivity. Similar to K2–x(Fe,M)4O7–y(OH)y, K12+6xFe6Te4–xO27 hydrolyzes under ambient conditions decreasing the potassium content within the structure. However, only a slight amount of potassium can be removed before the open framework collapses. Hydrogarnets crystallize in the flexible garnet structure-type and adapt the general formula AE3[M(OH)6]2. The crystal structure consists of a complex three-dimensional framework, in which [MO6] octahedra and empty (O4H4)4– tetrahedra are connected via their vertices and the larger alkaline earth metal cations AE filling the remaining voids. In contrast to garnets (nesosilicates), the hydrogarnets have a lower thermal stability and hardness. For many applications, this instability might be a drawback, but at the same time, it qualifies them for a low temperature and resource efficient application as carbon-free single-source precursors. In case of the rare earth hydrogarnets (AE = Sr, Ba; M = Sc, Y, Ho–Lu), the dehydration at about 550 °C leads to the formation of AEM2O4, which were previously obtainable only at reaction temperatures above 1300 °C.[86–89] Redox chemistry in hydroflux systems had been barely investigated so far, with neither equations nor possible mechanisms discussed to explain redox phenomena. In more than half of the published articles of this thesis, redox reactions were observed, often involving molecular oxygen or nitrate as oxidant. Similar to alkali metal hydroxide melts, molecular oxygen is expected to react with hydroxide ions to form peroxides or even superoxides, while nitrates might be reduced to nitrites. Moreover, higher oxidations states seem to be preferred in the hydroflux medium, as, for example, tellurium(IV), chromium(III) and arsenic(III) were readily oxidized to their maximum oxidation states. Additionally, the partial replacement of KOH by KO2 in the hydroflux medium introduced a high oxygen partial pressure, resulting in the oxidation of iodide(–I) ions to orthoperiodate(VII) ions. This preparation procedure has a great potential to yield compounds with elements in unusual high oxidation states, especially transition metals. The tendency of some elements to prefer higher oxidation states than usual was utilized to intentionally introduce reductive conditions. With this approach, reduction of selenium(IV) and tellurium(IV) oxides to their chalcogenides was achieved by using arsenic(III) oxide as reducing agent. In solution, monochalcogenide and dichalcogenide anions as well as the new (SeTe)2– anions were obtained. In addition, millimeter-sized crystals of the chalcogenides K2Se3 and K2Te3 and the previously unknown K2Se2Te were crystallized. This unexpected redox chemistry is far from what the standard potentials would suggest. The activity of water is considerably reduced by the ultra-alkaline conditions, which does not only decrease its vapor pressure and drives the reaction but obviously prevents the hydrolysis of the water sensitive chalcogenides. Overall, a preparatively simple, time-saving and secure approach compared to traditional methods like the synthesis in liquid ammonia was developed. Moreover, this method allows known and new potassium trichalcogenides to be obtained in larger amounts and in form of millimeter-sized single-crystals. A transfer of the approach to other systems should be promising. Reaction parameters described in literature were mostly confirmed and some details were added. For example, the selection of mineralizers was extended, reaction times and temperatures were specified, and a method for purifying the reaction products was added. With the exception of base concentration and concentration-dependent product formation, both of which have barely been studied so far. An example is the iron(III)-KOH hydroflux system, where four different products are accessible with increasing base-concentrations: α-Fe2O3, K2–xFe4O7–x(OH)x, K2Fe2O3(OH)2 and KFeO2. Overall, two trends are evident with increasing base concentration. First, the alkali metal content within the product rises or the alkali metal is incorporated in the structure in the first place. Second, the hydrogen content of the products constantly decreases. The latter is attributed to the increasing hygroscopicity of the reaction medium at higher hydroxide concentrations, which also reduces the activity of water in the hydroflux medium, so that water-sensitive compounds are stabilized.