Solid state physics comprises many interesting physical phenomena driven by the complex interplay of the crystal structure, magnetic and orbital degrees of freedom, quantum fluctuations and correlation. The discovery of materials which exhibit exotic phenomena like low dimensional magnetism, superconductivity, thermoelectricity or multiferroic behavior leads to various applications which even directly influence our daily live. For such technical applications and the purposive modification of materials, the understanding of the underlying mechanisms in solids is a precondition. Nowadays DFT based band structure programs become broadly available with the possibility to calculate systems with several hundreds of atoms in reasonable time scales and high accuracy using standard computers due to the rapid technical and conceptional development in the last decades. These improvements allow to study physical properties of solids from their crystal structure and support the search for underlying mechanisms of different phenomena from microscopic grounds. This thesis focuses on the theoretical description of low dimensional magnets and intermetallic compounds. We combine DFT based electronic structure and model calculations to develop the magnetic properties of the compounds from microscopic grounds. The developed, intuitive pictures were challenged by model simulations with various experiments, probing microscopic and macroscopic properties, such as thermodynamic measurements, high field magnetization, nuclear magnetic resonance or electron spin resonance experiments. This combined approach allows to investigate the close interplay of the crystal structure and the magnetic properties of complex materials in close collaboration with experimentalists. In turn, the systematic variation of intrinsic parameters by substitution or of extrinsic factors, like magnetic field, temperature or pressure is an efficient way to probe the derived models. Especially pressure allows a continuous change of the crystal structure on a rather large energy scale without the chemical complexity of substitution, thus being an ideal tool to consistently alter the electronic structure in a controlled way. Our theoretical results not only provide reliable descriptions of real materials, exhibiting disorder, partial site occupation and/or strong correlations, but also predict fascinating phenomena upon extreme conditions. In parts this theoretical predictions were already confirmed by own experiments on large scale facilities. Whereas in the first part of this work the main purpose was to develop reliable magnetic models of low dimensional magnets, in the second part we unraveled the underlying mechanism for different phase transitions upon pressure. In more detail, the first part of this thesis is focused on the magnetic ground states of spin 1/2 transition metal compounds which show fascinating phase diagrams with many unusual ground states, including various types of magnetic order, like helical states exhibiting different pitch angles, driven by the intimate interplay of structural details and quantum fluctuations. The exact arrangement and the connection of the magnetically active building blocks within these materials determine the hybridization, orbital occupation, and orbital orientation, this way altering the exchange paths and strengths of magnetic interaction within the system and consequently being crucial for the formation of the respective ground states. The spin 1/2 transition metal compounds, which have been investigated in this work, illustrate the great variety of exciting phenomena fueling the huge interest in this class of materials. We focused on cuprates with magnetically active CuO4 plaquettes, mainly arranged into edge sharing geometries. The influence of structural peculiarities, as distortion, folding, changed bonding angles, substitution or exchanged ligands has been studied with respect to their relevance for the magnetic ground state. Besides the detailed description of the magnetic ground states of selected compounds, we attempted to unravel the origin for the formation of a particular magnetic ground state by deriving general trends and relations for this class of compounds. The details of the treatment of the correlation and influence of structural peculiarities like distortion or the bond angles are evaluated carefully. In the second part of this work we presented the results of joint theoretical and experimental studies for intermetallic compounds, all exhibiting an isostructural phase transition upon pressure. Many different driving forces for such phase transitions are known like quantum fluctuations, valence instabilities or magnetic ordering. The combination of extensive computational studies and high pressure XRD, XAS and XMCD experiments using synchrotron radiation reveals completely different underlying mechanism for the onset of the phase transitions in YCo5, SrFe2As2 and EuPd3Bx. This thesis demonstrates on a series of complex compounds that the combination of ab-initio electronic structure calculations with numerical simulations and with various experimental techniques is an extremely powerful tool for a successful description of the intriguing quantum phenomena in solids. This approach is able to reduce the complex behavior of real materials to simple but appropriate models, this way providing a deep understanding for the underlying mechanisms and an intuitive picture for many phenomena. In addition, the close interaction of theory and experiment stimulates the improvement and refinement of the methods in both areas, pioneering the grounds for more and more precise descriptions. Further pushing the limits of these mighty techniques will not only be a precondition for the success of fundamental research at the frontier between physics and chemistry, but also enables an advanced material design on computational grounds.:Contents List of abbreviations 1. Introduction 2. Methods 2.1. Electronic structure and magnetic models for real compounds 2.1.1. Describing a solid 2.1.2. Basic exchange and correlation functionals 2.1.3. Strong correlations 2.1.4. Band structure codes 2.1.5. Disorder and vacancies 2.1.6. Models on top of DFT 2.2. X-ray diffraction and x-ray absorption at extreme conditions 2.2.1. Diamond anvil cells 2.2.2. ID09 - XRD under pressure 2.2.3. ID24 - XAS and XMCD under pressure 3. Low dimensional magnets 3.1. Materials 3.1.1 AgCuVO4 - a model compound between two archetypes of Cu-O chains 3.1.2 Li2ZrCuO4 - in close vicinity to a quantum critical point 3.1.3 PbCuSO4(OH)2 -magnetic exchange ruled by H 3.1.4 CuCl2 and CuBr2 - flipping magnetic orbitals by crystal water 3.1.5 Na3Cu2SbO6 and Na2Cu2TeO6 - alternating chain systems 3.1.6 Cu2(PO3)2CH2 - magnetic vs. structural dimers 3.1.7 Cu2PO4OH - orbital order between dimers and chains 3.1.8 A2CuEO6 - an new family of spin 1/2 square lattice compounds 3.2. General trends and relations 3.2.1. Approximation for the treatment of strong correlation 3.2.2. Structural elements 4. Magnetic intermetallic compounds under extreme conditions 115 4.1. Itinerant magnets 4.1.1. YCo5 - a direct proof for a magneto elastic transition by XMCD 4.1.2. SrFe2As2 - symmetry-preserving lattice collapse 4.2. Localized magnets 4.2.1. EuPd3Bx - valence transition under doping and pressure 5. Summary and outlook A. Technical details B. Crystal Structures C. Supporting Material Bibliography List of Publications Acknowledgments

The continuous migration to smaller feature sizes puts high demands on materials and technologies for future ultra-large-scale integrated circuits. Particularly, the copper-based interconnect system will reach fundamental limits soon. Their outstanding properties make metallic carbon nanotubes (CNTs) an ideal material to partially replace copper in future interconnect architectures. Here, a low contact resistance to existing metal lines is crucial. The present thesis contributes to the theory and numerical description of electronic transport in metallic CNTs with metal contacts. Different theoretical approaches are applied to various contact models and electrode materials (Al, Cu, Pd, Ag, Pt, Au) are compared. Ballistic transport calculations are based on the non-equilibrium Greens function formalism combined with tight-binding (TB), extended Hückel theory (EHT) and density functional theory (DFT). Simplified contact models allow a qualitative investigation of both the influence of geometry and CNT length, and the strength and extent of the contact on the transport properties. In addition, such simple contact models are used to compare the influence of different electronic structure methods on transport. It is found that the semiempirical TB and EHT are inadequate to quantitatively reproduce the DFT-based results. Based on this observation, an improved set of Hückel parameters is developed, which remedies this insufficiency. A systematic investigation of different contact materials is carried out using well defined atomistic metal-CNT-metal structures, optimized in a systematic way. Analytical models for the CNT-metal interaction are proposed. Based on that, electronic transport calculations are carried out, which can be extended to large systems by applying the computationally cheap improved EHT. The metal-CNT-metal systems can then be ranked by average conductance: Ag ≤ Au < Cu < Pt ≤ Pd < Al. This corresponds qualitatively with calculated contact distances, binding energies and work functions of CNTs and metals. To gain a deeper understanding of the transport properties, the electronic structure of the metal-CNT-metal systems and their respective parts is analyzed in detail. Here, the energy resolved local density of states is a valuable tool to investigate the CNT-metal interaction and its influences on the transport. / Die kontinuierliche Verkleinerung der Strukturgrößen stellt hohe Anforderungen an Materialen und Technologien zukünftiger hochintegrierter Schaltkreise. Insbesondere die Leistungsfähigkeit kupferbasierte Leitbahnsystem wird bald an fundamentale Grenzen stoßen. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften könnten metallische Kohlenstoffnanoröhren (engl. Carbon Nanotubes, CNTs) Kupfer in zukünftigen Leitbahnsystemen teilweise ersetzen. Dabei ist ein geringer Kontaktwiderstand mit vorhandenen Leitbahnen von entscheidender Bedeutung. Die vorliegende Arbeit liefert grundlegende Beiträge zur Theorie und zur numerischen Beschreibung elektronischer Transporteigenschaften metallischer CNTs mit Metallkontakten. Dazu werden verschiedene theoretische Ansätze auf diverse Kontaktmodelle angewandt und eine Auswahl von Elektrodenmaterialen (Al, Cu, Pd, Ag, Pt, Au) verglichen. Die Beschreibung ballistischen Elektronentransports erfolgt mittels des Formalismus der Nichtgleichgewichts-Green-Funktionen in Kombination mit Tight-Binding (TB), erweiterter Hückel-Theorie (EHT) und Dichtefunktionaltheorie (DFT). Vereinfachte Kontaktmodelle dienen der qualitativen Untersuchung des Einflusses von Geometrie und Länge der Nanoröhren, sowie von Stärke und Ausdehnung des Kontaktes. Darüber hinaus erlauben solch einfache Modelle mit geringem numerischen Aufwand den Einfluss verschiedener Elektronenstrukturmethoden zu untersuchen. Es zeigt sich, dass die semiempirischen Methoden TB und EHT nicht in der Lage sind die Ergebnisse der DFT quantitativ zu reproduzieren. Ausgehend von diesen Ergebnissen wird ein verbesserter Satz von Hückel-Parametern generiert, der diesen Mangel behebt. Die Untersuchung verschiedener Kontaktmaterialien erfolgt an wohldefinierten atomistischen Metall-CNT-Metall-Strukturen, welche systematisch optimiert werden. Analytische Modelle zur Beschreibung der CNT-Metall-Wechselwirkung werden vorgeschlagen. Darauf aufbauende Berechnungen der elektronischen Transporteigenschaften, können mit Hilfe der verbesserten EHT auf große Systeme ausgedehnt werden. Die Ergebnisse ermöglichen eine Reihung der Metall-CNT-Metall-Systeme hinsichtlich ihrer Leitfähigkeit: Ag ≤ Au < Cu < Pt ≤ Pd < Al. Dies korrespondiert qualitativ mit berechneten Kontaktabständen, Bindungsenergien und Austrittarbeiten der CNTs und Metalle. Zum tieferen Verständnis der Transporteigenschaften erfolgt eine detaillierte Analyse der elektronischen Struktur der Metall-CNT-Metall-Systeme und ihrer Teilsysteme. Dabei erweist sich die energieaufgelöste lokale Zustandsdichte als nützliches Werkzeug zur Visulisierung und zur Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen CNT und Metall sowie deren Einfluss auf den Transport.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Transporteigenschaften defektbehafteter Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs). Als Beispiel werden dabei einfache und doppelte Fehlstellen betrachtet. Der Fokus liegt auf der Berechnung des Transmissionsspektrums und der Leitfähigkeit mit einem schnellen, linear skalierenden rekursiven Greenfunktions-Formalismus, mit dem große Systeme quantenmechanisch behandelt werden können. Als Grundlage wird ein dichtefunktionalbasiertes Tight-Binding-Modell verwendet. Der Einfluss der Defektdichte und des CNT-Durchmessers wird im Rahmen einer statistischen Analyse untersucht. Es wird gezeigt, dass im Grenzfall kleiner Transmission die Leitfähigkeit exponentiell mit der Defektanzahl skaliert. Das System befindet sich im Regime starker Lokalisierung, wobei die Lokalisierungslänge von der Defektdichte und dem CNT-Durchmesser abhängt.:1 Einleitung 2 Physikalische Grundlagen 2.1 Vom Graphen zum Kohlenstoffnanoröhrchen 2.1.1 Geometrische Struktur 2.1.2 Elektronische Eigenschaften 2.2 Schrödingergleichung 2.3 Dichtefunktionaltheorie 2.4 Tight-Binding-Verfahren 2.5 Dichtefunktionalbasiertes Tight-Binding-Verfahren 2.6 Fermienergie, Zustandsdichte und Bandstruktur 2.7 Landauer-Formalismus 2.8 Transportmechanismen und Lokalisierungseffekte 3 Greenfunktions-Formalismus 3.1 Definition der Greenfunktion 3.2 Greenfunktion für die Schrödingergleichung 3.3 Dezimierungstechnik 3.4 Einfacher Algorithmus für periodische Matrizen 3.5 Renormierungs-Dezimierungs-Algorithmus 3.6 Erste Nebendiagonalgreenfunktionsblöcke für periodische Matrizen 3.7 Rekursiver Greenfunktions-Formalismus für endliche Matrizen 4 Elektronische Struktur und quantenmechanischer Transport 4.1 Quantenmechanische Systeme mit Elektrodenkopplung 4.1.1 Reduktion und Lösung der Schrödingergleichung 4.1.2 Elektronische Struktur: Spektralfunktion und Zustandsdichte 4.1.3 Elektronischer Transport: Transmissionsspektrum und Strom 4.2 Quasi-eindimensionale Systeme 4.2.1 Zustandsdichte 4.2.2 Transmissionsspektrum 4.3 Numerischer Aufwand 5 Simulation: Software und Algorithmen 5.1 Atomistix ToolKit 5.2 DFTB-Parametersätze 5.3 LAPACK, BLAS 5.4 Überblick über selbst implementierte Programme 6 Ergebnisse 6.1 Testrechnungen 6.1.1 Genauigkeitstest 6.1.2 Geschwindigkeitstest 6.1.3 Parametersatz 6.1.4 Konsistenztest 6.2 Darstellung der Strukturen 6.3 Transmissionsspektren für einen Defekt 6.4 Transmissionsspektren für zwei Defekte 6.5 Transmissionsspektren für zufällig verteilte Defekte 6.6 Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Defektanzahl 6.7 Abhängigkeit der Leitfähigkeit vom CNT-Durchmesser 6.8 Abschließende Bemerkungen und Vergleich zu anderen Arbeiten 7 Zusammenfassung und Ausblick A Anhänge A.1 Orthogonale Transformation der p-Orbitale A.2 Operatordarstellung der Greenfunktion A.3 Berechnung der Greenfunktionsblöcke A.4 Transmission durch die doppelte Potentialbarriere Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Literaturverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung