Luitz, J. (2006). Simulation of core level spectra using Density Funcional Theory [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/179584
In der vorliegenden Arbeit werden zunächst die theoretischen Grundlagen erläutert, die notwendig sind um ausgehend von einer Kristallstruktur einer Substanz deren elektronischen Eigenschaften auf der Basis der Dichtefunktionaltheorie zu berechnen. Daran anschliessend wird der Formalismus zur Berechnung von Elektronen Energie Verlustspektren (Electron Energy Loss Spectra, EELS) dargestellt. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation von einigen ausgewählten Substanzen, von denen EELS berechnet und mit experimentellen Daten verglichen werden. Dabei wurden folgende Substanzen gewählt: Magnesium und Magnesiumoxid, Aluminium und Aluminiumoxid, Titan und Titanoxid sowie Kupfer und Kupferoxid. Diese Kombinationen Metall/Metalloxid wurden mit Bedacht gewählt um die unterschiedlich notwendige Behandlung von Metall und Oxid in der Simulation zu verdeutlichen. Bei den durchgeführten Simulationen wurde festgestellt, dass die Verwendung eines zumindest partiellen "core hole" (einer elektronischen Fehlstelle in einem Rumpfzustand) in der Simulation notwendig ist um die Übereinstimmung von Simulation und Experiment zu verbessern. Für Metalle lässt sich generell sagen, daß ein partielles "core hole" von etwa 0.4 - 0.5 (wobei ein halbes "core hole" dem Slater'schen Übergangszustand entspricht) in den meisten Fällen die Simulation wesentlich verbessert. Für die Oxide lässt sich feststellen, dass ein "core hole" alleine zu keiner Verbesserung führt, weil keine freien Elektronen zur Verfügung stehen um diese Ladung abzuschirmen. Deshalb sollte die Simulation in einer Superzelle durchgeführt werden um eine künstliche "core hole - core hole" Wecheselwirkung zu vermeiden.
We present the theoretical basis for the simulation of electronic properties of a substance starting from its crystal structure and using Density Functional Theory. We then present the formalism for the calculation of electron energy loss spectra (EELS). In the second part we simulate various substances and compare the simulated results with experimental spectra. We selected magnesium and magnesium oxide, aluminum and aluminum oxide, titanium and titanium oxide as well as copper and copper oxide. These metal / oxide combinations were chosen to demonstrate the different approaches necessary. The simulations showed that utilization of a "partial core hole" is necessary to improve the comparison with the experiments. For metals in general we need a partial core hole of approx. 0,4 - 0,5 (where half a "core hole" represents Slater's transition state) to improve the simulations. For the oxides we found that adding a "core hole" does in general not improve a simulation because there are no free electrons to screen the additional charge. Therefore it is necessary to carry out these simulations in supercells to avoid artificial "core hole - core hole" interactions.
