Wir arbeiten in Kombination von Experiment und Computer-Modellierung in der Forschung der eigenen Gruppe und in Kooperationen mit anderen Forschergruppen und Industrie-Kooperationen an Materialien und Ressourcen, ihrer Herstellung und Umwandlung, sowie ihrer Eigenschaften. Dabei suchen wir nach neuen Materialien mit faszinierenden Eigenschaften. Beispiele sind Shandite, wie das von R. Weihrich entdeckte Spintronik-Halbmetall Co₃Sn₂S₂, das heute als spektakuläres topologisches Material untersucht wird, neue Materialien für die Energiespeicherung in Li-Ionen-Akkus, für die H₂-Gewinnung oder Nitrid GeN₂, das 17 Jahre nach unserer Vorhersage experimentell hergestellt wurde.

Andere Beispiele sind Beiträge zu Phosphor-Allotropen, Verbindungen mit Pyrit-Struktur, Supraleitern, Thermoelektrika, harten Materialien, Li-Ionen-Akkus und seit kurzem zu Materialien für Wasserstoff-Technologien.

Besonders wichtig ist uns dabei ein systematisches und konzeptionelles Verständnis von Stoffklassen, Kristallstrukturen und Varianten mit Eigenschaften, wie wir es v.a. bei Halb-Antiperowskiten entwickeln. Dazu zählen denen neben Co₃Sn₂S₂ auch einige als Minerale vorkommende Verbindungen, Supraleiter, Thermoelektrika und topologische Materialien wie Ni₃Pb₂S₂ (Shandit), Rh₃Pb₂S₂ (Rhodplumbsit), PdPb₂S₂ (Laflammeit), Co₃InSnS₂, Ni₃Bi₂S₂ (Parkerit), Pd₃Bi₂S₂ oder Pd₃Pb₂S₂. Den Begriff „Halb-Antiperowskite“ wählte R. Weihrich aus der Beobachtung, dass die Strukturen analog zu Perowskit (CaTiO₃) und Antiperowskit (MgCNi₃) Antityp-Beziehungen zu Oxostannaten (K₂Sn₂O₃) und Oxoplumbaten (K₂Pb₂O₃) zeigen – und diese von der Perowskit-Struktur systematisch ableitbar sind, wenn man nur die Hälfte der O-Lagen nach bestimmten Schemata besetzt. Das Prinzip der O-Teilbesetzungen von Perowskiten ist auch von Supraleitern wie YBaCu₃O₉-x bekannt.

Experimentell führen wir Synthesen und Konversionen von Materialien im Phasendiagramm M-A-Ch durch, i.e. Hauptgruppen- (A), Übergangsgruppenmetallen (M) und Chalkogenen (Ch). Dabei suchen wir nach neuen Materialien mit faszinierenden Eigenschaften. Beispiele sind:

• Halbentiperowskite, v.a. Shandite, wie der von R. Weihrich als Halbmetallischer Ferromagnet entdeckte Spintronik-Shandit Co₃Sn₂S₂, das heute als eines der wichtigsten topologischen Materialien untersucht wird und von R. Weihrich neben Parkeriten wie Ni₃Bi₂S₂ und Pd₃Bi₂S₂ als Halbantiperowskit (HAP) klassifiziert wurde
• ungewöhnliche Pyrite wie CN₂, SiN₂, GeN₂, PtSnS und IrPTe
• Skutterudite wie Ir₂Sn₃Ch₂ (Ch = S, Se, Te)

Die Verbindungen werden aus den Elementen oder binären Vorstufen hergestellt. Durch Konversion steuern wir gezielt konkurrierende Synthesen wie zu NiBiSe, dem Supraleiter Ni₃Bi₂Se₂ oder polymorphe Strukturen und gewinnen Bausteine wieder zurück.

Am Beispiel der Synthesen von topologischen Shanditen wie Co₃Sn₂S₂, supraleitenden und topologischen Parkeriten wie Ni₃Bi₂Se₂ und Pd₃Bi₂S₂ oder Li-Ionen-Akku-Elektrodenmaterialien wie LFP (LiFePO₄) und subsituierter Hochvolt-Derivate Li(Co,Ni) sei das Methodenspektrum aufgezeigt, die in unserer Gruppe von Rommel, Peter, Yan, Haumann und Köhler weiterentwickelt wurden:

• Festkörper-Synthesen bei hohen Temperaturen
• Polyol-Synthesen
• Sol-Gel-Synthesen
• Konversionsreaktionen

Durch Computermodellierung sagen wir Strukturen, Eigenschaften und relative Stabilitäten vorher. Spektakuläre Beispiele sind die erstmalige Vorhersage des Spintronikmaterials Co₃Sn₂S₂ mit Shandit-Struktur und des low-gap-Halbleiters Co₃InSnS₂ durch R. Weihrich in seiner Dissertation 2002. Co₃Sn₂S₂ wurde durch die Kooperation mit dem MPI CPfS Dresden zu einem der spannendsten topologischen Materialien unserer Zeit. Weitere Beispiele sind pyritartige Verbindungen mit Hantel-Ionen wie IrPTe mit CoSbS-Struktur oder PtSnS mit einer neuen trigonalen Strukturvariante, bzw. CN₂, das heute in Form des penta-CN₂ diskutiert wird.

In verschiedenen Projekten treten wir als Modellierungspartner auf, z.B. in Projekten im SPP1415 (kristalline Nichtgleichgewichtsphasen). Hier studierten wir neue Allotrope des Phosphors und Arsens und polymorphe M-A-Ch-Strukturen wie die des IrPTe. Mit Hilfe der Methode der Energiediagramme können wir stabile Phasen in Phasengemischen für binäre und ternäre Verbindungen auch unterschiedlicher Stöchiometrie vorhersagen.

Die Modellierungskonzepte von kristallinen Materialien entwickelten in unserer Gruppe v.a. Pielnhofer, Bachhuber und Rothballer weiter. Seit den Arbeiten von Strakos setzen wir auch zur Abbildung von Stoffströmen Computer-Modellierung ein. Dabei nutzen wir folgende Ansätze und Codes:

• DFT-, Hartree-Fock- und Hybrid-Modellierungen nach dem modifizierten LCAO-Ansatz von Crystal98-17 und FPLO
• DFT-Modellierungen mit plane-wave codes wie VASP
• Bandstruktur- und Elektronendichteanalysen: ELF/ELI und AIM-Theorie
• Hyperfein-Wechselwirkungen
• Stoffstromanalysen