Nicht-bindende Wechselwirkungen in Graphit und Kohlenstoff-Nanoröhren
Betreuer: Christof Köhler
In Schichtmaterialen wie Graphit sind zwei Klassen von Wechselwirkungen strukturbestimmend: starke kovalente Wechselwirkungen zwischen den Atomen innerhalb der einzelnen Schichten (chemische Bindung) und relativ schwache nicht-kovalente Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Schichten. Diese als van-der-Waals-Wechselwirkung bezeichneten nicht-kovalenten Wechselwirkungen sind ein Resultat der Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Elektronen der einzelnen Schichten und können als Korrelationseffekt verstanden werden.
Da eine direkte quantenmechanische Beschreibung der van-der-Waals-Wechselwirkung mit entsprechenden quantenmechanischen Methoden üblicherweise zu aufwändig ist wird sie gewöhnlich über ein proportional zu r^-6 abfallendes anziehendes Potential mit Koeffizienten beschrieben. Eine solche Beschreibung ist im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) ausreichend um den Schichtabstand einzustellen.
Weiterhin geht man davon aus, dass mit diesem Vorgehen auch die Energetik des Gleitens von Graphitschichten gegeneinander in DFT in mindestens qualitativer Übereinstimmung mit dem Experiment beschreibbar ist. Dies lässt sich auch auf die Wechselwirkungen und die Energetik von wechselwirkenden Kohlenstoff-Nanoröhren erweitern.
Die in der Arbeitsgruppe entwickelte DFTB-Methode ist eine schnelle quantenmechaniesche Näherungsmethode für die DFT welche oft in quantitativer Übereinstimmung mit der DFT ist. Oft kann der Schichtabstand schon allein durch eine geeigenete Parametrisierung der DFTB-Methode ohne zusätzliche empirische van-der-Waals-Wechselwirkung beschrieben werden. Man stellt jedoch fest, dass die Energetik des Schichtgleitens in Graphit oder des Gleitens von Kohlenstoff-Nanoröhren gegeneinander auch mit Hinzufügen einer van-der-Waals-Wechselwirkung nicht korrekt beschrieben wird. Frühere Arbeiten dazu (siehe https://doi.org/10.1088/0957-4484/18/6/065706) legen nahe, dass hier die stark genäherte Beschreibung elektronischer Wechselwirkungen in der DFTB-Methode verantworlich ist. Insbesondere sind die Kompression (Reichweitenverkürzung) der atomaren Basisfunktionen und die nicht über eine Integration der selbstkonsistenten Ladungsdichten bestimmte Columb-Wechselwirkung zu nennen. Beide Faktoren wurden in der früheren Arbeit durch eine ad-hoc Modifikation der Methode korrigiert.
Im Rahmen der angebotenen Bachelorarbeit soll dies systematisiert werden in dem gezielt der Einfluss der Kompression auf die kovalenten und nicht-kovalenten Wechselwirkungen im Zusammenspiel mit einer empirischen van-der-Waals-Wechselwirkungskomponente untersucht wird. Insbesondere müssen dazu eventuell auch die bindenden Parameter der Methode angepasst werden um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten. Die so gefundenen Parameter sollen dann weiter anhand der Wechselwirkung von Kohlenstoff-Nanoröhren, die eine gekrümmte Oberfläche haben, getestet werden um die Transferabilität einschätzen zu können.
