Auf dem Weg zur Syntheseplanung in der Festkörperchemie: Vorhersage existenzfähiger Strukturkandidaten mit Verfahren zur globalen Strukturoptimierung

Abstract

Wir stellen hier eine Methode vor, mit der im Prinzip die Existenz und Struktur von (meta)stabilen Festkörperverbindungen vorhergesagt werden kann. Sie beruht auf der Erkundung der Energiefunktion des betrachteten chemischen Systems mit Verfahren, die zunächst eine globale und schließlich eine lokale Optimierung ermöglichen. Das hierfür entwickelte Programmsystem ist modular aufgebaut. Die Hauptelemente sind eine Reihe von Routinen für globale und lokale Minimierungen sowie Algorithmen zur Untersuchung der Phasenraumstruktur in der Nähe lokaler Minima der potentiellen Energie und zur Analyse und Charakterisierung der Strukturkandidaten. Derzeit behandeln wir damit ionische Verbindungen, wobei die Energiefunktion zunächst mit Hilfe empirischer Potentiale berechnet wird und danach die Ergebnisse mit einem Hartree‐Fock‐Algorithmus verfeinert werden. Die globale Optimierung erfolgt mit einem stochastischen «Simulated‐Annealing»‐Algorithmus, die lokale Minimierung verwendet einen stochastischen «Quench» oder ein Gradientenverfahren. Die Umgebungen der lokalen Minima werden mit dem «Threshold»‐Algorithmus untersucht. Wir zeigen Ergebnisse dieses Ansatzes an binären Mischphasen der Edelgase sowie an binären und ternären ionischen Systemen. Diese schließen einige bislang noch nicht synthetisierte Substanzen ein, die jedoch kinetisch stabil sein sollten, z.B. weitere Alkalimetallnitride neben Li₃N sowie Ca₃SiBr₂ und SrTi₂O₅.