Berechnung der Magnetischen Anisotropie mit Hilfe von ein- und zweikomponentigen dichtefunktionaltheoretischen Rechnungen: Weiterentwicklung vorhandener Methoden und Anwendung auf mehrkernige Übergangsmetallkomplexe
- Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten sowohl konzeptionelle Beiträge zur Berechnung
der magnetischen Anisotropie von mehrkernigen Übergangsmetallkomplexen mittels
DFT-Methoden geleistet, sowie zwei Molekülsysteme eingehend untersucht werden.
Auf der Ebene der Methodenweiterentwicklung konnten die Matrixelemente des Spin-Bahn
mean-field-Operators als effektivem Einteilchenoperator implementiert werden. Diese wurden
sowohl mit SMP als auch mit MPI parallelisiert, so dass eine sehr effektive Berechnung
auch bei großen Systemen möglich ist. Bei Verwendung von Hybridfunktionalen erhöht sich
die Rechenzeit einer sopt-Rechnung durch die Berechnung dieser Integrale um etwa
einen Faktor drei. Die restliche Rechenzeit wird durch das Lösen des CHF-Systems
dominiert.
Bei Verwendung reiner Dichtefunktionale dauern die Rechnungen sehr viel kürzer, da hier
kein CHF-System zu lösen ist. Dadurch verteuert die Berechnung der SOMF-Matrixelemente
diese Rechnungen prozentual deutlich mehr, aber dennoch sind Rechnungen mit reinen
Dichtefunktionalen sehr viel schneller fertig als mit Hybridfunktionalen.
Weiterhin konnte eine neue Methode zur Berechnung von Einzelionentensoren entworfen und
implementiert werden, die mit lokalisierten Orbitalen arbeitet. Diese Methode konnte mit
der bereits bestehenden Methode, bei der die SOC an einzelnen Zentren "ausgeschaltet" wird,
verglichen werden. Die Ergebnisse besitzen in etwa dieselbe
Qualität.
Für die Zuordnung einzelner, lokalisierter Orbitale gibt es keine physikalisch eindeutige
Lösung. Es konnte jedoch ein Zuordnungsschema auf der Basis von Abständen und Winkeln
entwickelt werden, das in den meisten Fällen der chemischen Intuition entspricht, so dass
einem oktaedrisch koordinierten Metallzentrum sechs Bindungselektronenpaare zugeordnet
werden.
Die so entwickelte Methode liefert eine bequeme und einfache Möglichkeit zur Berechnung
aller benötigter Einzelionentensoren im Zuge einer einzigen Rechnung ohne nennenswerten
Mehraufwand. So wurde sie bei den weiteren Untersuchungen der beiden Molekülsysteme ausgiebig
genutzt.
Schließlich wurden zwei Komplexsysteme eingehend analysiert und mit verschiedenen
Übergangsmetallkombinationen untersucht. Es wurde hierbei ein breites Spektrum an
Analysewerkzeugen eingesetzt, sodass die erhaltenen Ergebnisse nicht nur nähere Einsichten
zu den konkret untersuchten Komplexen liefern, sondern auch allgemein wertvolle
Erfahrungen zur Untersuchung der magnetischen Anisotropie an mehrkernigen
Übergangsmetallkomplexen mit DFT-Methoden liefern.
Zuerst wurden Komplexe mit Tripelsalenliganden untersucht, wie sie in der Arbeitsgruppe
von Thorsten Glaser synthetisiert und charakterisiert werden. Der Einfachheit halber
wurden zunächst Komplexe mit nur einer Tripelsaleneinheit untersucht, wobei als
Metallionen in der Tripelsaleneinheit Mn(III)-Ionen verwendet wurden. Hierbei zeigte sich,
dass durch die Substitution von Chrom(III) als Zentralion durch Wolfram(III) bzw.
Rhenium(IV) eine deutliche Steigerung der magnetischen Anisotropie erreicht werden kann.
In einem nächsten Schritt wurden diese Komplexe durch eine weitere Tripelsaleneinheit
erweitert. Diese Komplexe sind also von der Struktur, wie sie auch in der Arbeitsgruppe
Glaser synthetisiert werden. Es zeigt sich, dass die Mn6M-Komplexe eine sehr viel
geringere Anisotropie aufweisen. Dies liegt daran, dass bei den Mn3M-Komplexen die
oktaedrische Koordinationsumgebung um das Zentralion verzerrt ist, da nur 3 der 6
Cyanoliganden an der Koordination der Tripelsaleneinheit beteiligt sind. Durch diese
starke Verzerrung erreicht man bei Verwendung von 5d-Elementen hohe Anisotropien. Bei den
Mn6M-Komplexen ergibt sich die Anisotropie hauptsächlich aus den Beiträgen der
Manganionen.
Schließlich wurden Komplexe mit nur einer Tripelsaleneinheit untersucht, bei denen jedoch
in der Tripelsaleneinheit Mo(III)-Ionen koordiniert sind. Hier konnte gezeigt werden, dass
durch die Molybdänionen eine höhere Anisotropie erhalten werden kann als bei den
entsprechenden Mn3M-Komplexen. Bei den leichten Zentralionen (Chrom und Molybdän)
jedoch war die Anisotropie geringer als bei den Mn6M-Komplexen. Dies liegt daran,
dass bei diesen Komplexen der Beitrag der Ionen der Tripelsaleneinheit überwiegt und somit
macht sich bemerkbar, dass bei den Mn6M-Komplexen 6 Ionen in der Tripelsaleneinheit
koordiniert sind und bei den Mo3M-Komplexen lediglich 3.
Bei der Untersuchung der Tripelsalenkomplexe konnte ein Verfahren vorgestellt werden, wie
man sich die Symmetrie von Komplexen bei der Berechnung des anisotropen Austauschs zu
Nutze machen kann, um die Anzahl zu berechnender Konfigurationen zu minimieren.
Als zweites Komplexsystem wurde ein von Habib et al. vorgestellter Oximligand gewählt, der
als Chelatligand fungiert. Der ursprünglich synthetisierte Komplex enthielt zwei
Mn(IV)-Ionen außen und in der Mitte ein Mn(III)-Ion. Auch hier wurde die Kombination
verschiedener Metallzentren analysiert.
Für den Ursprungskomplex konnte ein axialer MAE-Parameter nachgewiesen, der im normalen
Rahmen für Mn(III)-Komplexe liegt. Die Substitution des zentralen Manganzentrums durch
schwerere Metallzentren führt hier jedoch nicht zum gewünschten Ergebnis. Der
Molybdänkomplex liefert eine sehr geringe Anisotropie und der Rheniumkomplex weist einen
positiven axialen MAE-Parameter auf. Für den Wolframkomplex hingegen erhält man
unplausible Ergebnisse.
Im nächsten Schritt wurden die äußeren Manganzentren durch Mo(III) ersetzt. Bei Molybdän,
Wolfram und Rhenium ergeben sich genau dieselben Probleme wie bei den Mn2M-Komplexen.
Der Mo2Mn-Komplex hingegen weist eine deutlich höhere Anisotropie auf als der
Mn2Mn-Komplex.