Density functional and linear response studies of sp materials

Abstract

In this thesis density functional theory and density functional perturbation theory are employed to study structural, electronic, and vibrational properties of sp materials, in particular boron, lithium, and aluminum. We develop a theory that describes the properties of the recently discovered boron nanotubes. Our theory is based on a structure model of a broad boron sheet, being a single quasiplanar layer of boron. Based on the properties of that boron sheet, we propose a new route to achieve control over the atomic structure of nanotubes during their synthesis. Our results show that structure control can be accomplished by nanotubes which are rolled up from sheets with anisotropic in-plane mechanical properties. We further study the high-pressure phase diagram of various bulk structures of boron. In particular, we investigate layered boron materials, which are a new family of hypothetical bulk phases which we regard as stacked arrangement of different broad boron sheets. These metallic materials are likely to exist at elevated pressures, or even at ambient conditions, and there are strong indications that they are conventional superconductors. Therefore, layered bulk phases of boron have the potential to explain the experimentally observed high-pressure superconductivity. Furthermore, we present the first realization of the generalized pseudoatom concept introduced by Ball, which we call enatom. This enatom is calculated using numerical linear response methods, and the enatom quantities are analyzed for both fcc Li and Al at pressures of 0, 35, and 50 GPa. These simple metals show different physical behaviors under pressure, which reflects the increasing covalency in Li and its absence in Al. Our results establish a method to construct the enatom, whose potential is to obtain a real-space understanding of solids, their vibrational properties, and electron-phonon interactions.

In dieser Arbeit werden die strukturellen, elektronischen und Schwingungseigenschaften der sp-Materialien Bor, Lithium und Aluminium mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie und der Dichtefunktional-Störungstheorie untersucht. Wir entwickeln eine Theorie zur Beschreibung der Eigenschaften von Bornanoröhrchen, die vor kurzer Zeit erstmalig synthetisiert werden konnten. Unsere Theorie basiert auf einem Strukturmodell einer einzelnen quasiplanaren Borschicht (Borlage). Basierend auf den Eigenschaften dieser Borlage zeigen wir einen neuen Weg auf, der zu einer genauen Kontrolle über die atomare Struktur von Nanoröhrchen während ihrer Synthese führen könnte. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass dies mit Nanoröhrchen erreicht werden kann, die strukturell abgeleitet sind von Lagenstrukturen mit anisotropen mechanischen Eigenschaften. Weiterhin untersuchen wir das Hochdruckverhalten verschiedener Kristallstrukturen aus reinem Bor. Im Besonderen betrachten wir Phasen mit geschichteter atomarer Struktur. Diese bilden eine Familie neuer, hypothetischer Bormaterialien, die als eine aufgeschichtete Anordnung verschiedener Borlagen verstanden werden können und metallische Eigenschaften aufweisen. Wir zeigen auf, dass diese Materialien wahrscheinlich bei höherem Druck oder sogar bei Normalbedingungen existieren und darüber hinaus konventionelle Supraleiter sind. Deshalb haben die geschichteten Borphasen das Potential, die experimentell beobachtete Hochdruck-Supraleitung zu erklären. Weiterhin stellen wir die erste Umsetzung des verallgemeinerten Pseudoatom-Konzepts von M. A. Ball vor, das wir Enatom nennen. Das Enatom wird mittels einer Linear-Response-Methode berechnet, und für fcc-Lithium und fcc-Aluminium bei den Drücken 0, 35 und 50 GPa analysiert. Unter Druck zeigen diese beiden "simplen" Metalle ein unterschiedliches physikalisches Verhalten, welches widerspiegelt, dass mit ansteigendem Druck der Charakter der Bindungen in Li zunehmend kovalenter wird, während dieses in Al jedoch nicht der Fall ist. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Enatom-Konzept ein auf dem Ortsraum basierendes tieferes Verständnis von Festkörpern, ihrer Schwingungseigenschaften und der Wechselwirkung zwischen Elektronen und Phononen ermöglichen könnte.