Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der TEM-Untersuchungen der Realstruktur der intermetallischen Seltenerd-Borokarbid Supraleiter. Ziel war es, die Korrelation zwischen der Realstruktur und der supraleitenden Sprungtemperatur Tc zu untersuchen. Um die Realstruktur zu beeinflussen, wurden drei Probentypen mit unterschiedlicher thermischer Vorgeschichte ausgewählt. Das Seltenerd-Ion wurde entweder komplett in SENi2B2C (SE = Y, Er, Ho, Ce und Tb) oder teilweise in SE1xSE21-xNi2B2C (SE1 = Tb; SE2=Y und Er) ausgetauscht. Schließlich erfolgte ein gekoppelter Austausch von Ni und Bor im gleichen Verhältnis in YNi2-xB2-xC. Es wurde ein Einfluß der Glühbehandlung auf die Realstruktur unabhängig von der Zusammensetzung festgestellt. Das Auftreten von dicht liegenden Stapelfehlern und der Bevorzugung der <110]-Versetzungen wurden in "inhomogenen" Proben (bei 1100°C geglühten Polykristalle bzw. rasch abgeschreckter Einkristall) beobachtet. Hingegen heilen die Stapelfehler und Versetzungen durch eine Glühung bis 1450°C bzw. durch langsames Abkühlen aus. Die Versetzungsdichte ist dabei um zwei Größenordnungen niedriger. Hier kommen überwiegend die <100]-Versetzungen vor. Die Bestimmung der Gleitsysteme liefert Aussagen über die Bindungsfestigkeit in der SENi2B2C-Struktur. Die {011)-Gleitebene ist durch ihre geringste Flächendichte aufzubrechender Ni-B-Bindung (1.27/a2) ausgezeichnet. Bei Gleitung auf (001) ist das Aufbrechen einer B=C-Bindung wahrscheinlicher als das Aufbrechen von vier Ni-B-Bindungen. Eine Reihe der [010]-Helixversetzungen deutet auf einen Klettervorgang hin. In der Probenserie YNi2-xB2-xC mit x = 0.2, 0.35 und 0.5 konnten hohe Stapelfehlerdichten und auch neue Phasen der homologen Reihe (YC)n(NiB)m erzeugt werden. Die Existenz der YNiBC-, Y3Ni4B4C3-, und YNi2B2C-Phasen wurden eindeutig durch röntgendiffraktometrische, WDX-, EDX- und TEM-Untersuchungsmethoden nachgewiesen. Die Y5Ni8B8C5- und Y5Ni6B6C5-Strukturen wurden erstmalig durch TEM-Untersuchungen gefunden und bezüglich ihrer Zusammensetzung durch EDX-Analyse bestätigt. Eine hohe chemische Stapelfehlerdichte tritt in YNiBC, YNi2B2C, Y3Ni4B4C3 und Y5Ni8B8C5 auf. Die durch die Kontrastanalyse ermittelten Fehlervektoren 1/3c1111, 1/4 c1221, 1/10c3443 und 1/18c5885 entsprechen nur einer Schichtänderung in der jeweiligen Phase. Für alle Phasen wird das Einfügen zusätzlicher YC-Schichten und Ni2B-Schichten betrachtet. Bei den Phasen mit zwei aufeinander folgenden YC-Schichten ist das Entfernen einer YC-Schicht möglich. Es wurde festgestellt, daß für alle untersuchten Systeme die Supraleitung nicht von der Stapelfehlerdichte abhängt, sondern hauptsächlich durch Punktdefekte bestimmt ist. Die Unterschiede in Tc und DeltaTc der YNi2-xB2-xC-Probenserie sind besonders bei den ungeglühten Proben bemerkbar, die auf die unterschiedliche Stöchiometrie der YNi2B2C-Phase zurückzuführen ist. Die Tatsache einer vergleichbaren Erhöhung von Tc bei der 1100°C- bzw. 1450°C-Glühung spricht für die Ausheilung der Punktdefekten, die bereits bei 1100°C erfolgt, da erst die 1450°C-Glühung zur Ausheilung von Versetzungen und Stapelfehlern führt. Dieser Befund läßt sich auch bei den Proben mit und ohne Stapelfehler in YNi2B2C und Tb0.4Y0.6Ni2B2C bestätigen.

The principal aim of this thesis is to characterise quantitatively the influence of high temperature creep upon the structure of ß-NiAl and ß-NiAl(Fe) single crystals. A non-destructive procedure is established following the classic line of X-ray structure analysis, namely controlling the chemical composition with the electron probe microanalysis, determining the unit cell contents from the combined lattice parameter and mass density measurements, and refining the structure parameters according to the X-ray reflection intensity. Specifically, two special single crystal X-ray diffraction methods, namely the back reflection Kossel technique and the back reflection Laue method, are applied for the determination of lattice parameter and for the collection of intensity data. All experimental measurements can be performed in non-destructive manner, which allows a direct comparison to be made between the crystal structure determined prior to and after a creep test.

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Hafnium oxide is widely used for resistive switching devices, and recently it has been discovered that ferroelectricity can be established in (un-)doped hafnium oxide as well. Previous studies showed that both switching mechanisms are influenced by oxygen vacancies. For resistive switching, typically amorphous oxide layers with an asymmetric electrode configuration are used to create a gradient of oxygen vacancies. On the other hand, ferroelectric switching is performed by having symmetric electrodes and requires crystalline structures. The coexistence of both effects has recently been demonstrated. In this work, a detailed analysis of the reversible interplay of both switching mechanisms within a single capacitor cell is investigated. First, ferroelectric switching cycles were applied in order to drive the sample into the fatigued stage characterized by increased concentration of oxygen vacancies in the oxide layer. Afterwards, a forming step that is typical for the resistive switching devices was utilized to achieve a soft breakdown. In the next step, twofold alternation between the high and low resistance state is applied to demonstrate the resistive switching behavior of the device. Having the sample in the high resistance state with a ruptured filament, ferroelectric switching behavior is again shown within the same stack. Interestingly, the same endurance as before was observed without a hard breakdown of the device. Therefore, an effective sequence of ferroelectric—resistive—ferroelectric switching is realized. Additionally, the dependence of the forming, set, and reset voltage on the ferroelectric cycling stage (pristine, woken-up and fatigued) is analyzed giving insight into the physical device operation.

Die Entdeckung von neuen Materialien mit speziellen funktionalen Eigenschaften ist eins der wichtigsten Ziele in den Materialwissenschaften. Das Screening des strukturellen und chemischen Phasenraums nach potentiellen neuen Materialkandidaten wird häufig durch den Einsatz von Hochdurchsatzmethoden erleichtert. Schnelle und genaue Berechnungen sind eins der Hauptwerkzeuge solcher Screenings, deren erster Schritt oft Geometrierelaxationen sind. In Teil I dieser Arbeit wird eine neue Methode der eingeschränkten Geometrierelaxation vorgestellt, welche die perfekte Symmetrie des Kristalls erhält, Resourcen spart sowie Relaxationen von metastabilen Phasen und Systemen mit lokalen Symmetrien und Verzerrungen erlaubt. Neben der Verbesserung solcher Berechnungen um den Materialraum schneller zu durchleuchten ist auch eine bessere Nutzung vorhandener Daten ein wichtiger Pfeiler zur Beschleunigung der Entdeckung neuer Materialien. Obwohl schon viele verschiedene Datenbanken für computerbasierte Materialdaten existieren ist die Nutzbarkeit abhängig von der Darstellung dieser Daten. Hier untersuchen wir inwiefern semantische Technologien und Graphdarstellungen die Annotation von Daten verbessern können. Verschiedene Ontologien und Wissensgraphen werden entwickelt anhand derer die semantische Darstellung von Kristallstrukturen, Materialeigenschaften sowie experimentellen Ergebenissen im Gebiet der heterogenen Katalyse ermöglicht werden. Wir diskutieren, wie der Ansatz Ontologien und Wissensgraphen zu separieren, zusammenbricht wenn neues Wissen mit künstlicher Intelligenz involviert ist. Eine Zwischenebene wird als Lösung vorgeschlagen. Die Ontologien bilden das Hintergrundwissen, welches als Grundlage von zukünftigen autonomen Agenten verwendet werden kann. Zusammenfassend ist es noch ein langer Weg bis Materialdaten für Maschinen verständlich gemacht werden können, so das der direkte Nutzen semantischer Technologien nach aktuellem Stand in den Materialwissenschaften sehr limitiert ist. / The discovery of novel materials with specific functional properties is one of the highest goals in materials science. Screening the structural and chemical space for potential new material candidates is often facilitated by high-throughput methods. Fast and still precise computations are a main tool for such screenings and often start with a geometry relaxation to find the nearest low-energy configuration relative to the input structure. In part I of this work, a new constrained geometry relaxation is presented which maintains the perfect symmetry of a crystal, saves time and resources as well as enables relaxations of meta-stable phases and systems with local symmetries or distortions. Apart from improving such computations for a quicker screening of the materials space, better usage of existing data is another pillar that can accelerate novel materials discovery. While many different databases exists that make computational results accessible, their usability depends largely on how the data is presented. We here investigate how semantic technologies and graph representations can improve data annotation. A number of different ontologies and knowledge graphs are developed enabling the semantic representation of crystal structures, materials properties as well experimental results in the field of heterogeneous catalysis. We discuss the breakdown of the knowledge-graph approach when knowledge is created using artificial intelligence and propose an intermediate information layer. The underlying ontologies can provide background knowledge for possible autonomous intelligent agents in the future. We conclude that making materials science data understandable to machines is still a long way to go and the usefulness of semantic technologies in the domain of materials science is at the moment very limited.

Colorless crystals of the new hydroxometalates Ba[RE(OH)5] with the rare-earth elements RE=Tb, Dy, Ho were synthesized under ultra-alkaline conditions in a KOH hydroflux at 200 °C. Single-crystal X-ray diffraction revealed that the three compounds crystallize isostructural in the monoclinic space group P21/n (no. 14). In the crystal structure, the rare-earth cations are coordinated by the oxygen atoms of seven hydroxide anions, which define a distorted pentagonal bipyramid. These polyhedra share edges of their basal ring forming infinite chains that run parallel to the [010] direction. Hydrogen bonds connect the chains into layers parallel to the (101) plane. The Ba2+ cations are located between these layers and surrounded by nine oxygen atoms. Ba[Dy(OH)5] is paramagnetic and shows no luminescence under UV light. When heated in synthetic air or argon, water is released in well-defined steps. Ba[Dy(OH)5] decomposes via DyOOH to Dy2O3, which then reacts with the remaining Ba(OH)2 to form BaDy2O4. Thus, the hydroxometalates can be used as carbon-free precursors for oxides.

Hf₁₋ₓZrₓO₂ (x ∼ 0.5–0.7) has been the leading candidate of ferroelectric materials with a fluorite crystal structure showing highly promising compatibility with complementary metal oxide semiconductor devices. Despite the notable improvement in device performance and processing techniques, the origin of its ferroelectric crystalline phase (space group: Pca2₁) formation has not been clearly elucidated. Several recent experimental and theoretical studies evidently showed that the interface and grain boundary energies of the higher symmetry phases (orthorhombic and tetragonal) contribute to the stabilization of the metastable non-centrosymmetric orthorhombic phase or tetragonal phase. However, there was a clear quantitative discrepancy between the theoretical expectation and experiment results, suggesting that the thermodynamic model may not provide the full explanation. This work, therefore, focuses on the phase transition kinetics during the cooling step after the crystallization annealing. It was found that the large activation barrier for the transition from the tetragonal/orthorhombic to the monoclinic phase, which is the stable phase at room temperature, suppresses the phase transition, and thus, plays a critical role in the emergence of ferroelectricity.

The rare mineral cyanochroite, K2Cu(SO4)2·6H2O, features isolated Cu2+ ions in distorted octahedral coordination, linked via a hydrogen-bond network. We have grown single crystals of cyanochroite as large as ∼0.5 cm3 and investigated structural and magnetic aspects of this material. The positions of hydrogen atoms deviate significantly from those reported previously based on X-ray diffraction data, whereas the magnetic response is fully consistent with free Cu2+ spins. The structure is not changed by deuteration. Density functional theory calculations support our refined hydrogen positions.

In the title monohydrate compound, 1a, and the methanol solvate compound, 1b, the tri­ethyl­benzene derivative, C35H51N5O, has three functionalized side arms and three ethyl groups, the former being located on one side of the central benzene ring, while the latter are directed to the opposite side. Both the crystals are constructed of structurally similar dimers of 1:1 host–guest complexes held together by N—H...O and O—H...N hydrogen bonds, and in 1a additionally by O—H...O hydrogen bonds. The structure of 1b contains additional highly disordered solvent mol­ecules. Thus, the SQUEEZE routine [Spek (2015). Acta Cryst. C71, 9–18] in PLATON was used to generate a modified data set, in which the contribution of the disordered mol­ecules to the structure amplitudes is eliminated. These solvent mol­ecules are not considered in the reported chemical formula.

Di-tert-butyl N,N′-{[13,15,28,30,31,33-hexa­ethyl-3,10,18,25,32,34-hexa­aza­penta­cyclo­[25.3.1.15,8.112,16.120,23]tetra­triaconta-1(31),3,5,7,9,12(33),13,15,18,20,22,24,27,29-tetra­deca­ene-14,29-di­yl]bis­(methyl­ene)}dicarbamate methanol disolvate, C52H72N8O4·2CH3OH, was found to crystallize in the space group P21/c with one half of the macrocycle (host) and one mol­ecule of solvent (guest) in the asymmetric unit of the cell, i.e. the host mol­ecule is located on a crystallographic symmetry center. Within the 1:2 host–guest complex, the solvent mol­ecules are accommodated in the host cavity and held in their positions by O—H⋯N and N—H⋯O bonds, thus forming ring synthons of graph set R22(7). The connection of the 1:2 host-guest complexes is accomplished by C—H⋯O, C—H⋯N and C—H⋯π inter­actions, which create a three-dimensional supra­molecular network.