Universität Stuttgart
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Item Open Access Extension of a VCI program for the calculation of rovibrational intensities(2023) Tschöpe, Martin; Rauhut, Guntram (apl. Prof. Dr.)Die Identifizierung von Molekülen im interstellaren Medium, in zirkumstellaren Scheiben und in den Atmosphären kalter Exoplaneten ist eine große Herausforderung in der Astrophysik und basiert hauptsächlich auf hochgenauen Rotations- und Rotationsschwingungs-Referenzspektren. Eine Möglichkeit, diese Referenzspektren zu bestimmen, sind ab initio-Berechnungen, da sie eine effiziente Simulation eines breiten Bereichs von Bedingungen (einschließlich extrem niedriger Drücke und Temperaturen) ermöglichen. In dieser Arbeit wurde eine neue und besonders effiziente Implementierung der Rotationsschwingungskonfigurationswechselwirkungstheorie für die Berechnung von Infrarot-Rotationschwingungsspektren entwickelt, um die Berechnung dieser Referenzspektren zu ermöglichen. Der Ansatz basiert auf Normalkoordinaten und einer Mehrmodenentwicklung der mehrdimensionalen Potential- und Dipolmomentflächen sowie Schwingungs-Selbst-konsistentes-Feld-Verfahren und Schwingungskonfigurationswechselwirkungstheorie. Dabei wird ein direktes Produkt zwischen Schwingungsbasisfunktionen und Rotationsbasisfunktionen verwendet. So kann im Gegensatz zu der zuvor eingeführten Rotationskonfigurationswechselwirkungstheorie die Wechselwirkung zwischen Rotations- und Vibrationsbanden berücksichtigt werden. Dies geschieht mit hoher Genauigkeit, indem die Terme höherer Ordnung des inversen effektiven Trägheitsmomenttensors μ für den Rotationsterm und die Coriolis-Kopplung im Watson Hamiltonian berücksichtigt werden. Darüber hinaus werden eine neue Rotationsbasis namens Molekülspezifische Rotationsbasis (MSRB) und eine neue Art der Zuweisung von Rotationsschwingungsquantenzahlen eingeführt. Das Konvergenzverhalten verschiedener Entwicklungen für die Rotationsschwingungskonfigurationswechselwirkungstheorie (RVCI) zeigte sehr individuelle Effekte für die fünf untersuchten Parameter. Wenn die maximale Gesamtdrehimpulsquantenzahl Jmax oder die Größe der Schwingungsbasis nicht ausreichend konvergiert, treten besonders große Artefakte auf. Es werden effiziente Methoden zur Erkennung und Vermeidung dieser Probleme vorgestellt. Auch die Größe des Schwingungsbasissatzes ist ein entscheidender Parameter für die Konvergenz des Spektrums. Der beste Indikator für die Konvergenz bezüglich dieses Parameters und für die Stärke der Kopplung ist der spektrale Abstand zwischen den Schwingungsbanden. Für die beiden quasi-entarteten Schwingungsmoden von H2 CS ist die Coriolis-Kopplung nullter Ordnung sehr entscheidend, während die Terme erster Ordnung nur geringe Änderungen verursachen. Im Vergleich zu den Coriolis-Kopplungstermen erfordern die Rotationsterme eine um eine Ordnung höhere μ-Tensorentwicklung für die gleiche Genauigkeit. Die erste Ordnung führt für ganze Progressionen zu Energieverschiebungen von höchstens 5 cm-1 . Die durch die Terme der zweiten Ordnung hervorgerufenen Änderungen sind um mehr als eine Größenordnung geringer. Da das Fehlen von Kopplungstermen höherer Ordnung keine Artefakte im Spektrum verursacht, ist eine unzureichende Konvergenz in den resultierenden Spektren sehr schwierig zu erkennen. Die Berechnungen für die erste Veröffentlichung in dieser Dissertation beruhten auf einer Reihe von Näherungen, die im weiteren Verlauf dieser Arbeit entfernt werden konnten. Die meisten dieser Näherungen hatten kaum Auswirkungen auf die Spektren von Ketenimin, da sie bis 2900 cm-1 nur zu geringfügigen Änderungen des Spektrums führten. Oberhalb dieser Grenze zeigen jedoch die ν1 -Bande und die Kopplung zwischen ν8 + ν12 und ν11 , dass sich die Qualität der Quantenzahlzuordnung und die Konsistenz der Intensitäten in den letzten drei Jahren deutlich verbessert haben. Die neuen Berechnungen zeigen auch eine interessante turnaround Progression in diesem Bereich. Die Studie zur Linienverbreiterung unter Verwendung von Propynal als Anwendungsmolekül bestätigte die Annahme, dass für Moleküle mit 6 - 10 Atomen keine Notwendigkeit besteht, beyond Voigt-Profile zu verwenden, wie sie für kleine Moleküle (N2 , H2 O, CH4, NH3 , etc.) benutzt werden. Der Grund dafür ist, dass die höhere Masse und der größere Trägheitstensor zu einer hohen Schwingungszustandsdichte führen, wodurch die genaue Form des Verbreiterungsprofil weniger relevant wird. Am Ende dieser Arbeit werden verschiedene Laufzeitoptimierungen analysiert. Die Parallelisierung zeigt eine nahezu perfekte Skalierung in der Anzahl der CPU-Kerne für die Vorberechnungen der Schwingungsintegrale und für die Intensitätsberechnung. Darüber hinaus sparen die Vorberechnungen der Schwingungsintegrale etwa einen Faktor von 8 an Gesamtrechenzeit ein. Die Kontraktion der MSRB-Koeffizienten mit den RVCI-Koeffizienten führt zu einer Gesamtrechenzeitreduktion von 50% für H2CS und 97% für Ketenimin. Die derzeitige Implementierung der RVCI-Theorie in MOLPRO ist in der Lage, Infrarot- und Raman-Spektren für bis zu 10 Atome, von T = 0 K bis zu Raumtemperatur und über einen weiten Spektralbereich zu berechnen. Die Kombination all dieser Eigenschaften erfordert jedoch große Rechenressourcen. Im Ausblick wird daher eine Liste von Optimierungen zur Steigerung der Recheneffizienz vorgestellt. Darüber hinaus wird eine Reihe von möglichen zusätzlichen Funktionalitäten und Methoden zur Erhöhung der Robustheit des Programms aufgelistet.Item Open Access Atom probe study on CuNi thin films : miscibility gap and grain boundary segregation(2023) Duran, Rüya; Schmitz, Guido (Prof. Dr. Dr. h. c.)In dieser Arbeit wurde die Lage der Mischungslücke, und die Korngrenzsegregation im Legierungssystem, Kupfer-Nickel, per Atomsondentomographie (APT) analysiert. Zur Untersuchung der Mischungslücke eines binären Systems mit langsamer Diffusion wurde ein neues Verfahren verwendet. Multilagen aus Cu- und Ni- Dünnschichten wurden mittels Ionenstrahlbeschichtung (IBS) auf Wolframpfosten beschichtet und durch fokussierte Ionenstrahlung (FIB) geformt. Bei drei unterschiedlichen Temperaturen, zwischen 573 und 673 K, wurden isotherme Auslagerungssequenzen an einem Ultrahochvakuumofen (UHV) durchgeführt und der Mischungsprozess analysiert. Ein Modell des Diffusionsprozesses wurde mittels mathematischer Überlegungen erstellt. Durch das Fitten der experimentellen Kompositionsprofile mittels dieses Modells konnten die Gleichgewichtskonzentrationen der Schichten auch mit relativ kurzen Auslagerungszeiten ermittelt werden. Darüber hinaus konnten aus den diffusionskontrollierten Zeit- und Temperaturdaten physikalische Eigenschaften wie der effektive Diffusionskoeffizient (Gitterdiffusion einschließlich Defektdiffusion) bestimmt werden. Dieser betrug Deff = 1.86 ∙ 10-10 m2/s ∙ exp(-164 kJ mol-1/RT). Während dem Vermischen wurde die Änderung der multilagigen Mikrostruktur bis zur vollständigen Mischung bei 623 und 673 K beobachtet, wobei Korngrenzen als schneller Diffusionsweg eine wichtige Rolle spielen. Bei 573 K wurde Nichtmischbarkeit experimentell deutlich nachgewiesen, wobei die Phasengrenzen bei cNi=26 at.% und cNi=66 at.% liegen. Mit diesen Phasengrenzen wurde die Mischungslücke über eine Redlich-Kister-Parametrisierung der Gibbs‘schen freien Energie über den gesamten Konzentrationsbereich rekonstruiert. Hierin wurde für die kritische Temperatur, TC, 608 K bei einer Konzentration von 45 at% Ni gefunden. Im zweiten Teil wurde die Korngrenzsegregation durch die FIB/tEBSD- (Transmissions-Elektronen-Rückstreubeugung) Technik, in Korrelation zu APT-Messung charakterisiert. Vier Legierungen mit einem Ni-Anteil zwischen 25 und 85 at.% wurden auf Wolframpfosten per IBS beschichtet, und bei 700 K für 24 h wärmebehandelt. Die Segregation von Cu in die Korngrenzen wurde beobachtet. Durch die Verwendung eines theoretischen Models wurde die Exzess-Kurve über den gesamten Konzentrationsbereich, und die Korngrenz-Formationsenergie auf Basis der experimentellen Daten berechnet. Die tEBSD-Analyse während der FIB-Präparation erlaubt die Identifikation der Körner und deren Orientierung. Ein neues Verfahren wurde entwickelt, um mithilfe der Orientierung benachbarter Körner, Berechnungen zur Ermittlung der Korngrenzorientierung durchzuführen und somit die Orientierung natürlicher Korngrenzen zu bestimmen. Mit diesem Verfahren konnte der zeitliche Aufwand dieser anspruchsvollen Auswertung (verglichen zur herkömmlichen Methode mittels TEM-Untersuchung) stark reduziert werden, so dass eine quantitative Analyse vieler Korngrenzen möglich wurde. Aus den einzelnen Korngrenzorientierungen wurde die Korngrenzrotation, und die jeweiligen Anteile an Kippung und Drehung berechnet. Eine Abhängigkeit der Feststoffsegregation vom Kipp- und Drehanteil der Korngrenze wurde beobachtet, die am kleinsten für die reine Kipp- und Drehrotation war. Die ermittelten Segregationsweiten sind signifikant größer als die strukturellen Korngrenzweiten und bewegen sich zwischen 12 und 85 Å. Dieses Verhalten wurde durch eine künstliche Verbreiterung der Korngrenze erklärt, die durch eine Flugbahnabweichung der Korngrenzatome während der Verdampfung verursacht wurde. Eine Korngrenzweite von w0 = (10.1 ± 1.5) Å wurde für eine unverfälschte Korngrenze gefunden.