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.Item Open Access Combining orbital and real space quantum Monte Carlo methods(2024) Hosseini, Seyed Mohammadreza; Alavi, Ali (Prof. Dr.)Quantum Monte Carlo (QMC) methods are wave-function-based approaches based on random sampling that provide a very direct treatment of many-body problems and serve as benchmarks against which other techniques may be compared. This thesis is concerned with the development of QMC methods for the calculation of highly-accurate electronic energies. In particular, it focusses on combining QMC methods, namely continuum methods such as variational and diffusion Monte Carlo (VMC and DMC) with full configuration interaction quantum Monte Carlo (FCIQMC). The principal aim of this thesis is to show that thanks to their complementary nature, these methods can be used in combination to overcome specific weaknesses that each methodology has by itself. The thesis begins with introductory chapters which describe the various QMC methods as they are used in the literature. Following this, three different methodologies are explored, which have applicabilities to different types of systems. In the first method, we present a new technique to obtain very accurate total and relative energies by extrapolating VMC and DMC energies, with the help of FCIQMC-generated trial wave functions combined with a Jastrow factor and an optional backflow transformation. We find that the VMC and DMC energies are smooth functions of the sum of the squared coefficients in the FCIQMC wave function, and that quadratic extrapolations of the VMC and DMC energies intersect within uncertainty of the exact total energy. With adequate statistical treatment of quasi-random fluctuations, the extrapolated intersection with polynomials of order two (XSPOT) method is shown to yield results in agreement with benchmark-quality total and relative energies for various molecular systems. Following this, we combine the DMC and transcorrelated FCIQMC (TC-FCIQMC) methods, along with a finite-size extrapolation framework to calculate the thermodynamic limit of the exact correlation energy of the high-density spin-unpolarized uniform electron gas. The thermodynamic limit obtained at rs = 0.5 is within uncertainty of the most recent QMC correlation energy from the literature. In the final method, we introduce a new extrapolation scheme which eliminates the energy bias stemming from the initiator approximation in the FCIQMC method. We find that extrapolating the FCIQMC energy linearly in n^(−1/3) to the infinite-walker limit yields results in excellent agreement with the benchmark full configuration interaction (FCI) limits from the semistochastic heat-bath configuration interaction (SHCI) method. The method is applied to a series of diatomics and the results are accurate, with FCI limits obtained from FCIQMC differing by 0.4 mHa or less from their SHCI counterparts throughout. The more complex chromium atom and dimer are also successfully studied using this method.Item Open Access Gold nanoparticle-mediated DNA origami nanoarchitectures(2024) Peil, Andreas; Na Liu, Laura (Prof. Dr.)Since its origin in the 1980s, DNA (deoxyribonucleic acid) nanotechnology has established itself as a captivating nanofabrication technique with ever increasing impact that combines aspects from physics, chemistry, and biology to construct artificial nanosystems by means of molecular self assembly. Within the field of DNA nanotechnology, the DNA origami technique represents one of the most versatile fabrication tools to craft functional two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) nanostructures from the bottom up. These structures offer precisely tailored geometries along with programmable functions, featuring positional addressability with sub-5 nm resolution and exceptional spatiotemporal accuracy. This thesis discusses strategies to employ the DNA origami technique to assemble intricate hybrid nanosystems with synergistically integrated gold nanoparticles (AuNPs). The AuNPs take over different roles; they grant (i) structural and (ii) functional features and enable the (iii) optical monitoring of the systems. This approach allows the fabrication of nanostructures piece by piece to explore their structural and functional properties at the nanoscale in detail. The first publication covers different strategies for the hierarchical assembly of topological DNA origami structures using a AuNP-templated self-assembly approach. The assembly of [2], [3], and [4]catenanes with interconnecting AuNPs is elucidated. The AuNPs can be controllably released to disconnect the individual rings, leaving only the mechanical bond of the catenane chain. In the second publication, a dynamic AuNP-DNA origami gear system is presented that is designed to emulate a planetary gearset with precise spatiotemporal control over its rotation dynamics. The AuNPs serve three crucial tasks. They (i) structurally link the origami ring modules, (ii) mediate the rotation and (iii) enable the real time optical tracking of the rotation via fluorescence spectroscopy. The system enables tightly orchestrated and programmable bidirectional rotations. In the third publication, reconfigurable chiral metastructures comprising multiple plasmonic particles that are accurately positioned in a helical manner around a DNA origami template are discussed. The implementation of a DNA ‘swingarm strategy’ enables the simultaneous and efficient relocation of multiple closely spaced AuNPs over large distances to precisely tune the chiroptical response of the system. The presented publications illustrate the beneficial synergies between DNA origami systems and rationally integrated AuNPs with the aim to advance and expand the application spectrum of these hybrid nanosystems within their scientific disciplines.Item Open Access Fundamental understanding of inherent processes in magnesium-sulfur batteries(2024) Häcker, Joachim; Friedrich, K. Andreas (Prof. Dr. rer. nat.)In the face of climate change, the decarbonization of industry and everyday life has finally been declared a global goal in recent years, with energy storage in batteries playing a key role. These are needed for both, the decarbonization of vehicles and, in the long term, aviation, as well as in the stationary sector for grid stabilization due to day-night or seasonal fluctuations in renewable energy generation. On account of raw material shortages, lithium-based batteries alone, however, will not be capable to meet the global demand – thus alternative battery systems are tracking attention in the past decade. Among the various cell chemistries under research, magnesium-sulfur represent a promising electrochemical couple in terms of material abundance, high energy density, improved safety, good recyclability and low cost. Despite benefitting from the long-term research on lithium-sulfur batteries (Li-S), the magnesium-sulfur battery (Mg-S) is still in its infancy facing unique challenges and intrinsic limitations. This cumulative dissertation consists of five peer-reviewed scientific articles, which aim to shed light on different components and processes in a Mg-S battery constituting the main obstacles in its development, namely (i) the high ion charge density resulting in large desolvation energy, slow diffusion and impeded redox kinetics, (ii) the sulfur dissolution, self-discharge and polysulfide shuttle and (iii) the passivating surface layers on the Mg anode. Therefore, different attempts in terms of electrode manufacturing and operando characterization methods were pursued. Starting with an in-depth analysis of the first discharge cycle by means of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the subsequent study applied operando UV/Vis spectroscopy and operando imaging to gain insights into the sulfur and polysulfide dissolution of different cathode compositions during the initial ten cycles. Identifying the magnesium anode and the processes at its electrolyte interface as crucial for the efficiency and capacity retention, the long-term cycling performance of pristine and coated Mg anodes was investigated over 150 cycles. Additionally, the influence of sulfur species on the interfacial processes of six different anode concepts could be determined in symmetrical and full cells applying operando EIS. In a concluding study, the transport properties of Mg cations in different separators were compared to their calcium and lithium counterparts. The main findings comprise a severe three-staged self-discharge governed by the sulfur reduction at the unprotected Mg surface and boosted by temperature. An artificial SEI coating is beneficial to not only mitigate the self-discharge, but also enhance the initial Coulombic efficiency and capacity retention. This is originated in mitigated parasitic reactions to form an in situ SEI, mainly consisting of MgF2, MgS and MgO, on the magnesium surface. Therein, hindering the reaction of sulfur species is particularly decisive to circumvent large interfacial resistances. On the cathode side, polar additives are beneficial to serve as adsorption and reaction centers, however with no long-term effect due to precipitates covering the surface. The kinetic of the sulfur redox reactions, which involve S8, S62- and S42- in the glyme-based Mg[B(hfip)4]2 electrolyte, are significantly enhanced by temperature indicating the sluggish MgS nucleation kinetics and Mg2+ solid diffusion. Its inherent high charge density further affects the magnesium cation transport in the electrolyte and its desolvation at the anode/electrolyte interface due to the rigid and strongly bound solvation shell. Consequently, in comparison to calcium and lithium, larger polarization overpotentials and separator tortuosities, respectively, were observed in the Mg system.