A quantum crystallographic approach to study properties of molecules in crystals
Creators: name: Ernst, Michelle
Publisher: name: Universität Bern
Year: 2020
Subjects: 540 Chemistry

description: In this dissertation, the behaviour of atoms, bonds, functional groups and molecules in vacuo but especially also in the crystal is studied using quantum crystallographic methods. The goal is to deepen the understanding of the properties of these building blocks as well as of the interactions among them, because good comprehension of the microscopic units and their interplay also enables us to explain the macroscopic properties of crystals. The first part (chapters 1-3) and second part (chapter 4) of this dissertation contain theoretical introductions about quantum crystallography. On the one hand, this expression contains the termquantum referring to quantumchemistry. Therefore, the very first chapter gives a brief overview about this field. The second chapter addresses different options to partition quantum chemical entities, such as the electron density or the bonding energy, into their components. On the other hand, quantumcrystallography consists obviously of the crystallographic part and chapter 3 covers these aspects focusing predominantly on X-ray diffraction. A more detailed introduction to quantum crystallography itself is presented in the second part (chapter 4). The third part (chapters 5-9) starts with an overview of the goals of this work followed by the results organized in four chapters. The goal is to deepen the understanding of properties of crystals by theoretically analysing their building block. It is for example studied how electrons and orbitals rearrange due to the electric field in a crystal or how high pressure leads to the formation of new bonds. Ultimately, these findings shall help to rationally design materials with desired properties such as high refractive index or semiconductivity.
description: Mithilfe quantenkristallografischer Methoden werden Atome, Bindungen, funktionellen Gruppen und Moleküle in vacuo aber vor allem auch in Kristallen untersucht. Das Ziel ist es die Eigenschaften dieser Bestandteile zu verstehen und wie sie miteinander interagieren. Das Verständnis der Verhaltensweise der einzelnen Bausteine sowie deren Zusammenspiel auf mikroskopischer Ebene kann auch die makroskopischen Eigenschaften von Kristallen erklären. Der erste Teil dieser Doktorarbeit (Kapitel 1-3) beinhaltet eine theoretische Einleitung in die verschiedenen Bereiche der Quantenkristallografie. Wie der Name Quantenkristallografie besagt, besteht diese zum einen aus dem quantenchemischen Teil, weswegen das erste Kapitel eine kurze Einführung in die Quantenchemie gibt. Das zweite Kapitel widmet sich den verschiedenen Möglichkeiten quantenchemische Grössen wie zum Beispiel die Elektronendichte oder Bindungsenergien in Einzelteile zu zerlegen. Zum anderen trägt der kristallografische Teil zur Quantenkristallografie bei. Kapitel drei besteht daher aus einem kurzen Überblick über die Kristallografie mit Fokus auf der Röntgenbeugung. Anschliessend folgt im zweiten Teil (Kapitel 4) eine ausführlichere Einleitung in die Quantenkristallografie selbst. Der dritte Teil (Kapitel 5-9) beginnt mit einer kurzen Übersicht über die Ziele dieser Arbeit worauf die Resultate, gegliedert in vier verschiedene Kapitel, folgen. Das Ziel dieser Arbeit ist es die Eigenschaften von Kristallen besser zu verstehen, indem man ihre Einzelteile theoretisch analysiert und mit verschiedenen Methoden rationalisiert. Beispielsweise wird untersucht wie sich Elektronen und Orbitale aufgrund des elektrischen Feldes in Kristallen neu anordnen oder wie unter hohem Druck Bindungen neu geformt werden. Schlussendlich können all diese Erkenntnisse helfen, Materialien mit spezifischen gewünschten Eigenschaften herzustellen.
description: Les atomes, les liaisons entre eux, les groupes fonctionnels et les molécules sont examinés en utilisant des méthodes de la cristallographie quantique. Le but est de comprendre les propriétés de ces composants et comment ils interagissent in vacuo mais surtout aussi dans les cristaux. En comprenant leurs caractéristiques et interactions au niveau microscopique, on peut aussi rationaliser les propriétés macroscopiques des cristaux. La première partie (chapitres 1-3) de cette thèse de doctorat contient une introduction brève à la cristallographie quantique. Comme le noml’indique, ce domaine de recherche est composé de la chimie quantique et la cristallographie. Pour cette raison le premier chapitre donne une introduction à la chimie quantique. Le deuxième chapitre présente quelques méthodes de décomposition des quantités de la chimie quantique comme la densité électronique ou l’énergie de liaison. Le troisième chapitre couvre la partie cristallographique. Ensuite dans la deuxième partie (chapitre 4) une introduction plus détaillée sur la cristallographie quantique elle-même est donnée. La troisième partie (chapitres 5-9) commence par un aperçu des objectives de cette dissertation suivis des résultats structurés en quatre chapitres. Le but est de comprendre les propriétés des cristaux en analysant leurs building blocks avec différentes méthodes théoriques. Il était par example examiné comment les électrons et les orbitales se réorganisent dans un cristal à cause du champ électrique ou comment des nouvelles liaisons sont formées sous pression. Finalement on peut utiliser ces conclusions pour modeler des matériaux avec des propriétés désirées.