Title: Local electronic excitations in extended systems : a quantum-chemistry approach
Language: English
Authors: Tiwald, Franz Paul 
Qualification level: Doctoral
Keywords: Defekte; Farbzentren; Ladungstransfer; Quanten-Chemie
Defects; Color-centers; charge-transfer; Quantum-Chemistry
Advisor: Burgdörfer, Joachim
Assisting Advisor: Wirtz, Ludger 
Issue Date: 2015
Number of Pages: 193
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Reale Festkörper und Oberflächen sind nicht ''perfekt''. Kristalle enthalten eine Vielzahl an Defekten und Oberflächen wechselwirken mit umgebenden Teilchen. Letzteres führt, zum Beispiel, zu Oxidation und Absorption an der Oberfläche. Da solche Effekte tägliche Anwendungen betreffen, ist ein profundes Verständnis ihrer zugrundeliegenden Physik äußerst wichtig. In dieser Arbeit untersuchen wir Eigenschaften zweier sehr lokalisierter Prozesse: Die Absorption von Licht durch das Typ F Farbzentrum in Alkalihalogenidkristallen und den Ladungstransfer bei der Streuung von Ionen an Isolatoroberflächen. Beide Effekte sind seit langem Thema aktueller Forschung und dennoch fehlt bisher eine detaillierte theoretische Beschreibung auf ab initio Niveau. Ziel dieser Arbeit ist es, genau solche ab initio Berechnungen durchzuführen und dadurch offene Fragen zu beantworten. Wir präsentieren im Folgenden eine ab intio Untersuchung der Mollwo-Ivey Beziehung, die die Absorptionsenergien der Farbzentren mit den Gitterkonstanten der Alkalihalogenide verbindet. Wir sind dadurch in der Lage erstmals den physikalischen Grund dieser Beziehung zu identifizieren. Weiters präsentieren wir die erste ab initio Berechnung des Elektronentransfers bei der Streuung eines Protons an einer Lithiumfluoridoberfläche. Die Berechnung basiert auf nicht-adiabatischer Molekulardynamik, die eine mikroskopisches Beschreibung des Ladungstransfers erlaubt. Beide Prozesse, die Absorption von Licht durch das Farbzentrum und der Ladungstransfer, sind lokale elektronische Anregungen. Das Farbzentrum besteht aus einem Elektron, lokalisiert in einer Anionfehlstelle und der Ladungstransfer findet in naher Umgebung des Protons statt. Diese Lokalität erlaubt die Anwendung der Methode der eingebetteten Cluster, in der das Innere und die Oberfläche eines ausgedehnten Kristalls näherungsweise durch einen endlichen, in den Festkörper eingebetteten aktiven Cluster beschrieben wird. Wir studieren die Eigenschaften der eingebetteten Cluster durch das Lösen der elektronischen Schrödingergleichung mit genauen Methoden aus der Quantenchemie.

Real solids and surfaces are not ''perfect''. Crystals inevitably contain various defects and surfaces are subject to interactions with ambient particles leading, for example, to oxidation and adsorption. Since such effects are present in everyday devices and applications a deep understanding of the underlying physics is of great importance. In this thesis we study the properties of two very localized imperfections: the F-type color center in alkali-halide crystals and the charge transfer during scattering of an ion from an insulator surface. Both effects have been studied for a long time but a detailed theoretical understanding on the ab-initio level seems to be missing. This thesis provides state-of-the-art ab-initio calculations and addresses open questions. In particular, we present an ab-initio study of the physics underlying the so-called Mollwo-Ivey relation. This relation connects the F-center absorption energies with the crystal lattice constants and has not been fully understood so far. Second, we present the first ab-initio results on the charge-transfer probability during scattering of a proton from a lithium-fluoride surface. This study is based on a non-adiabatic molecular dynamics approach that provides microscopic insight into the charge-transfer process. Both the light absorption by the color center and the charge transfer represent local electronic excitations: the F-type color center consists of an electron strongly localized at an anionic vacancy and the electron transferred is strongly localized in close vicinity of the proton. This localization allows for application of the so-called embedded cluster approach in which the extended system is approximated by an embedded finite-sized active cluster. To study the properties of the active clusters we apply high-level quantum chemistry methods solving the electronic Schrödinger equation.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-88863
http://hdl.handle.net/20.500.12708/4114
Library ID: AC12686378
Organisation: E136 - Institut für Theoretische Physik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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