The work presented in this thesis was motivated by the large amount of experimental investigations of the phonons in quasicrystals. The generalized vibrational density of states (GVDOS) was measured for many quasicrystalline phases and in some cases at different temperatures [suck et al (1997), Dugain et al (1997)]. The progress achieved in the structure determination of approximants to some quasicrystals was a legitimate motivation for numerical investigations of lattice dynamics in these structures. Two different types of interatomic interactions were used: the spring model and the ab-initio pair potentials. The investigations explained the shape of some experimentally measured GVDOS (d-AlNiCo, o-Al13Co4 and i-ZnMgY) via the calculation of the partial vibrational densities of states. Both calculated and measured GVDOS of the d-AlNiCo phase showed an intensity excess at low energies relatively to the ideal Debye behaviour. This excess was found to be a consequence of the existence of special modes at theses energies which are called ``quasi-localized modes''. These modes seem to be characteristic of the lattice dynamics in the complex Al-TM structures. To calculate the frequency shift due to the shift of the GVDOS through low energies observed experimentally at high temperatures, a new method based on a Monte-Carlo simulation was developed. It was shown that the quasi-localized modes introduce large frequency shifts at low energies. Finally, the vibrational entropy was also investigated, and it was found that it contributes to the stabilization of the complex structures over the relatively simple structures at high temperatures. / Die Arbeit, die in dieser Dissertation präsentiert wird, wurde durch eine Vielzahl von experimentellen Beobachtungen von Phononen in Quasikristallen motiviert. Die verallgemeinerte vibrationelle Zustandsdichte (GVDOS, generalized vibrational density of states) wurde für viele quasikristalline Phasen gemessen und für einige auch bei verschiedener Temperatur [Suck et al. (1997), Dugain et al. (1997)]. Der Fortschritt, der in der Bestimmung von Näherungen für einige Quasikristalle erreicht wurde war eine legitime Motivation für numerische Untersuchungen der Gitterdynamik auf diesen Strukturen. Es wurden zwei unterschiedliche interatomare Wechselwirkungen verwendet: Das Federmodell und die ab-initio Paar Potentiale. Die Untersuchungen erklärten die Form einiger experimenteller GVDOS-Messungen (d-AlNiCo, o-Al13Co4 und i-ZnMgY) mittels der Berechnung der partiellen vibrationellen Zustandsdichte. Beide, berechnete und gemessene, GVDOS der d-AlNiCo Phase zeigten einen Intensitätsanstieg bei kleinen Energien relativ zum idealen Debye Verhalten. Dieser Anstieg stellte sich als Konsequenz der Existenz von besonderen Moden bei diesen Energien heraus, die quasi-lokalisierte Moden genannt werden. Diese Moden scheinen charakteristisch für die Gitterdynamik in den komplexen Al-TM Strukturen zu sein. Um die experimentell beobachtete Frequenzverschiebung aufgrund der Verschiebung der GVDOS durch niedrige Energien zu berechnen, wurde eine neue, auf Monte-Carlo Simulation beruhende, Methode entwickelt. Es wurde gezeigt, daß die quasi-lokalisierten Moden große Frequenzverschiebungen bei kleinen Energien hervorrufen. Letzt-lich wurde auch die vibrationelle Entropie untersucht und es stellte sich heraus, daß sie bei hohen Temperaturen dazu beiträgt die komplexen Strukturen gegenüber den relativ einfachen zu stabilisieren.

In dieser Arbeit wird vor allem der Einflu¨s eines quasiperiodischen Gitters und dessen Topologie auf die Lokalisierungseigenschaften der Eigenzust¨ande und die elektronische Zustandsdichte untersucht. Ausgehend vom Penrosegitter und dessen dreidimensionalen Analogons werden auch die quasiperiodischen Gitter aus anderen lokal isomorphen Klassen untersucht. Durch den Einbau von Phasonendefekten werden weiterhin Random-Tiling-Gitter konstruiert. Ferner wird untersucht, inwieweit ein quasiperiodisches Gitter den Metall-Isolator-¨Ubergang beeinflu¨st. Zwei- und dreidimensionale Quasigitter werden mit der Gridmethode nach de Bruijn konstruiert und ¨Random Tiling¨-Gitter durch den Einbau von Phasonendefekten erzeugt. Im Vertexmodell wird jeder Ecke eines Rhombus ein s-Atomorbital zugewiesen mit ausschlie¨slich N¨achster-Nachbar-Wechselwirkung entlang der Kanten. Aus den berechneten Eigenzust¨anden werden Zustandsdichten berechnet und deren Partizipationzahlen und R¨uckkehrwahrscheinlichkeiten bestimmt, um das Lokalisierungsverhalten zu untersuchen. Im Penrosegitter zeigen die Zustandsdichten eine hohe Entartung in der Bandmitte. Die entsprechenden Zust¨ande sind stark lokalisiert (¨confined states¨) und durch eine Energiel¨ucke von den anderen Energieniveaus getrennt. Die Zust¨ande an der Bandkante sind dagegen ausgedehnt. Durch die Phasonen werden die Zustandsdichte und das Lokalisierungsverhalten ver¨andert. Im Falle dreidimensionaler Quasigitter ist die Energiel¨ucke verschwunden, und man findet eine wesentlich kleinere Anzahl entarteter Zust¨ande in der Bandmitte. Die anderen Zust¨ande in der Bandmitte sind nicht lokalisiert.

Das Thema dieser Arbeit ist die spektraltheoretische Untersuchung von zufälligen Operatoren, die zu einem minimal ergodischen bzw. strikt ergodischen Delone dynamischen System assoziiert sind. Es werden kontinuierliche sowie diskrete Modelle untersucht. Diese Modelle sind mathematische Modelle zur Beschreibung von Festkörpern, bei denen die Punkte der einzelnen, in einem Delone dynamischen System enthaltenen, Delone-Mengen die Atompositionen eines Festkörpers beschreiben. Delone-Mengen, die in einem minimal ergodischen Delone dynamischen System enthalten sind weisen eine sehr hohe Ordnungsstruktur auf, sind aber nicht notwendigerweise periodisch. Sie können daher zur Modellierung von Quasikristallen verwendet werden. In dieser Arbeit wird das Spektrum der assoziierten Operatoren im kontinuierlichen sowie im diskreten Fall untersucht.

Quasikristallines Al-Cu-Fe (i-Phase) wurde ueber den Weg der amorphen (a-) Phase in Form duenner Schichten hergestellt und ein Vergleich elektronischer Transporteigenschaften der isotropen a-Phase in verschiedenen Anlassstufen mit der schliesslich entstehenden fast isotropen i-Phase durchgefuehrt (Leitfaehigkeit, Magnetoleitfaehigkeit, Hall-Effekt und Thermokraft). Die Auswirkungen einer Hume-Rothery-Stabilisierung auf den elektronischen Transport standen dabei im Vordergrund. Es wurden in der i-Phase auch die Auswirkungen einer systematischen Aenderung des Fe-Gehalts untersucht. Die a-Phase und die i-Phase sind in vielen wichtigen Trends miteinander verwandt, z.B. ist die inverse Matthiesen-Regel sowohl in der a- als auch in der i-Phase gueltig. Thermokraft und Hall-Effekt, die sehr empfindlich auf Aenderungen der Bandstruktur sind, zeigen drastischere Aenderungen beim Uebergang amorph-quasikristallin. Die Aenderungen der Eigenschaften in der i-Phase als Funktion der Temperatur und des Fe-Gehalts koennen in einem Zweibandmodell quantitativ erfasst werden. Mit dem Konzept der Spektralleitfaehigkeit, in das im Prinzip das Zweibandmodell uebergeht, koennen die Eigenschaften sowohl der i-Phase als auch der a-Phase quantitativ beschrieben werden. In der a-Phase fuehrt dieses Konzept auf eine sich von der frisch praeparierten a-Phase durch Tempern bis hin zur i-Phase kontinuierlich aendernde Spektralleitfaehigkeit, die schon unmittelbar nach dem Aufdampfen durch ein breites und ein, diesem ueberlagertes, schmales Minimum beschrieben werden kann. Beim Tempern wird das schmale Minimum immer tiefer. Im Ortsraum wird insgesamt ein Szenario vorgeschlagen, das von sphaerischer Ordnung ausgeht, zu der schon in der frisch praeparierten a-Phase eine Winkel- und Abstandsordnung hinzukommt. Diese verstaerkt sich beim Tempern bis hin zur perfekt geordneten Struktur in der i-Phase. Das Verschwinden magnetischer Effekte und die damit verbundenen Aenderungen der Tieftemperatur-Leitfaehigkeit beim Tempern deuten ebenfalls auf eine sich bereits in der a-Phase vollziehende kontinuierliche Aenderung der lokalen Umgebung der Fe-Atome, deren Anordnung hauptsaechlich die elektronischen Transporteigenschaften bestimmt.

Es werden physikallische Eigenschaften von Quasikristallen anhand von quasiperiodischen Ising- und Tight-Binding-Modellen auf dem fuenfzaehligen Penrose- und achtzaehligen Amman-Beenker-Muster untersucht. Bei den Ising-Modellen wird eine graphische Hochtemperaturentwicklung der freien Energie ausgerechnet und die kritischen Parameter des ferromagnetischen Phasenueberganges abgeschaetzt. Weiterhin wird mittels eines analytischen Resultates die freie Energie auf den periodischen Approximanten quasiperiodischer Muster exakt ausgerechnet und zur Bestimmung der Verteilung komplexer (Fisher-)Nullstellen herangezogen. Letztendlich wird noch ein Ising-Modell mit einem verschiedenen, nicht-Onsager kritischen Verhalten konstruiert und untersucht. Im zweiten Kapitel werden kritische, nichtnormierbare Eigenzustaende eines quasiperiodischen Tight-Binding-Modells exakt berechnet. Es stellt sich heraus, dass die Eigenzustaende eine selbstaehnliche, fraktale Struktur aufweisen die in Details untersucht wird.

Die Spektrale Leitfaehigkeit ikosaedrischer Approximanten zeigt Feinstrukturen (100 meV) die das besondere elektronische Transportverhalten der Quasikristalle und Approximanten erklaeren koennen. Der Ursprung diese spektralen Feinstrukturen liegt im Zusammenwirken der typischen mehrkomponentigen Atomcluster des Systems. Das Konzept stellt Struktur und chemische Dekoration auf der Laengenskala der Cluster ueber ausgedehnte Quasiperiodizitaet. Ab-initio Methode mit und ohne periodische Randbedingungen werden hier angewendet, um das Zusammenwirken der Cluster fuer niedere Approximanten ikosaedrischer Quasikristalle zu untersuchen. Deshalb werden die Linearen Muffin-Tin Orbitale in einem Superzellenkonzept, die Tight-Binding Linearen Muffin-Tin Orbitale in einem Cluster-Rekursionsverfahren und die Landauer/Buettiker-Methode in dieser Arbeit eingesetzt. Auf der Grundlage der ab-initio Ergebnisse werden spektrale Modelle (Lorentz-Funktionen) fuer den spektralen spezifischen Widerstand gebildet. Der Uebergang zum Quasikristall erfolgt durch Skalierung der Modellparameter auf der Grundlage der gemessenen Thermokraft. Die optische Leitfaehigkeit und die Temperaturverlaeufe des Widerstandes, der Thermokraft, des Hall-Koeffizienten und der elektronischen Waermeleitfaehigkeit einiger ikosaedrischer Systeme werden so durch je zwei Lorentz-Funktionen beschrieben. Wir zeigen, dass die Transportanomalien zusammen mit den spektralen Feinstrukturen empfindlich vom Subsystems des jeweils aktiven Uebergangsmetallsabhaengen (Orientierung und Dekoration der ikosaedrischen Cluster).

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Strukturbildung in amorphen Al-ÜM-Legierungen, Quasikristallen und amorphen Halbleitern, sowie die Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit der elektrischen Transportgrößen Widerstand und Thermokraft untersucht. Die Legierungen wurden in Form dünner Schichten durch abschreckende Kondensation aus der Dampfphase hergestellt. Die atomare Struktur wurde durch Elektronenbeugung analysiert. Für die Beschreibung der atomaren Struktur werden der Durchmesser der Fermikugel (im k-Raum) und die Friedel-Wellenlänge (im r-Raum) als interne Skalen benutzt. Nach der Skalierung der atomaren Struktur mit diesen Größen zeigen sich große Ähnlichkeiten zwischen ganz verschiedenen Systemen. Durch Kombination der Strukturdaten mit elektronischen Transportgrößen ist es möglich, ein bereits bekanntes Szenarium der Strukturbildung, das auf Resonanzen zwischen dem Elektronensystem als Ganzem und der sich bildenten statischen Struktur der Ionen aufgebaut ist, zu erweitern. Bei der Strukturbildung und ihrem Einfluß auf die elektronischen Transporteigenschaften und die Stabilität der amorphen Phase wird bei den Al-ÜM-Legierungen der Einfluss eines Hybridisierungsmechanismus zwischen den Alp- und den TMd-Elektronen diskutiert. Für die Beschreibung der atomaren Struktur der Al-ÜM-Legierungen wird außer der schon bekannten sphärisch-periodischen Ordnung ein neuer Typ von Ordnung beobachtet, welcher eine lokale Winkelordnung verursacht. Die sphärisch-periodische und die Winkelordnung lassen sich bei der Untersuchung mit verschiedenen Anlasstemperaturen, insbesondere bei den Proben, die einen kontinuierlichen Übergang von amorpher zu quasikristalliner Phase ausführen, beobachten. Die sphärisch-periodische Ordnung führt zu einem breiten Pseudogap in der elektronischen Zustandsdichte bei EF , die Winkelkorrelation bei Quasikristallen, durch die relativ weit reichende Ordnung, zu einem scharfen Pseudogap. Die Änderung der elektronischen Eigenschaften in der amorphen und quasikristallinen Phase als Funktion der Übergangsmetalle aber auch als Funktion der Temperatur kann quantitativ mit dem Konzept der Spektralleitfähigkeit beschrieben werden, das auf zwei Pseudo-Energerielücken an der Fermikante beruht. Die Resonanz, die zu Winkelkorrelationen führt, wird bei amorphen Halbleitern weiter getestet. Es werden dazu sowohl reine Elemente als auch binäre Legierungen untersucht.

Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2003.

Quasikristallines Al-Cu-Fe (i-Phase) wurde ueber den Weg der amorphen (a-) Phase in Form duenner Schichten hergestellt und ein Vergleich elektronischer Transporteigenschaften der isotropen a-Phase in verschiedenen Anlassstufen mit der schliesslich entstehenden fast isotropen i-Phase durchgefuehrt (Leitfaehigkeit, Magnetoleitfaehigkeit, Hall-Effekt und Thermokraft). Die Auswirkungen einer Hume-Rothery-Stabilisierung auf den elektronischen Transport standen dabei im Vordergrund. Es wurden in der i-Phase auch die Auswirkungen einer systematischen Aenderung des Fe-Gehalts untersucht. Die a-Phase und die i-Phase sind in vielen wichtigen Trends miteinander verwandt, z.B. ist die inverse Matthiesen-Regel sowohl in der a- als auch in der i-Phase gueltig. Thermokraft und Hall-Effekt, die sehr empfindlich auf Aenderungen der Bandstruktur sind, zeigen drastischere Aenderungen beim Uebergang amorph-quasikristallin. Die Aenderungen der Eigenschaften in der i-Phase als Funktion der Temperatur und des Fe-Gehalts koennen in einem Zweibandmodell quantitativ erfasst werden. Mit dem Konzept der Spektralleitfaehigkeit, in das im Prinzip das Zweibandmodell uebergeht, koennen die Eigenschaften sowohl der i-Phase als auch der a-Phase quantitativ beschrieben werden. In der a-Phase fuehrt dieses Konzept auf eine sich von der frisch praeparierten a-Phase durch Tempern bis hin zur i-Phase kontinuierlich aendernde Spektralleitfaehigkeit, die schon unmittelbar nach dem Aufdampfen durch ein breites und ein, diesem ueberlagertes, schmales Minimum beschrieben werden kann. Beim Tempern wird das schmale Minimum immer tiefer. Im Ortsraum wird insgesamt ein Szenario vorgeschlagen, das von sphaerischer Ordnung ausgeht, zu der schon in der frisch praeparierten a-Phase eine Winkel- und Abstandsordnung hinzukommt. Diese verstaerkt sich beim Tempern bis hin zur perfekt geordneten Struktur in der i-Phase. Das Verschwinden magnetischer Effekte und die damit verbundenen Aenderungen der Tieftemperatur-Leitfaehigkeit beim Tempern deuten ebenfalls auf eine sich bereits in der a-Phase vollziehende kontinuierliche Aenderung der lokalen Umgebung der Fe-Atome, deren Anordnung hauptsaechlich die elektronischen Transporteigenschaften bestimmt.

Die Spektrale Leitfaehigkeit ikosaedrischer Approximanten zeigt Feinstrukturen (100 meV) die das besondere elektronische Transportverhalten der Quasikristalle und Approximanten erklaeren koennen. Der Ursprung diese spektralen Feinstrukturen liegt im Zusammenwirken der typischen mehrkomponentigen Atomcluster des Systems. Das Konzept stellt Struktur und chemische Dekoration auf der Laengenskala der Cluster ueber ausgedehnte Quasiperiodizitaet. Ab-initio Methode mit und ohne periodische Randbedingungen werden hier angewendet, um das Zusammenwirken der Cluster fuer niedere Approximanten ikosaedrischer Quasikristalle zu untersuchen. Deshalb werden die Linearen Muffin-Tin Orbitale in einem Superzellenkonzept, die Tight-Binding Linearen Muffin-Tin Orbitale in einem Cluster-Rekursionsverfahren und die Landauer/Buettiker-Methode in dieser Arbeit eingesetzt. Auf der Grundlage der ab-initio Ergebnisse werden spektrale Modelle (Lorentz-Funktionen) fuer den spektralen spezifischen Widerstand gebildet. Der Uebergang zum Quasikristall erfolgt durch Skalierung der Modellparameter auf der Grundlage der gemessenen Thermokraft. Die optische Leitfaehigkeit und die Temperaturverlaeufe des Widerstandes, der Thermokraft, des Hall-Koeffizienten und der elektronischen Waermeleitfaehigkeit einiger ikosaedrischer Systeme werden so durch je zwei Lorentz-Funktionen beschrieben. Wir zeigen, dass die Transportanomalien zusammen mit den spektralen Feinstrukturen empfindlich vom Subsystems des jeweils aktiven Uebergangsmetallsabhaengen (Orientierung und Dekoration der ikosaedrischen Cluster).