Kagome spin ice is an intriguing class of spin systems constituted by in-plane Ising spins with ferromagnetic interaction residing on the kagome lattice, theoretically predicted to host a plethora of magnetic transitions and excitations. In particular, different variants of kagome spin ice models can exhibit different sequences of symmetry breaking upon cooling from the paramagnetic to the fully ordered ground state. Recently, it has been demonstrated that the frustrated intermetallic HoAgGe stands as a faithful solid-state realization of kagome spin ice. Here we use single crystal neutron diffuse scattering to map the spin ordering of HoAgGe at various temperatures more accurately and surprisingly find that the ordering sequence appears to be different from previously known scenarios: From the paramagnetic state, the system first enters a partially ordered state with fluctuating magnetic charges, in contrast to a charge-ordered paramagnetic phase before reaching the fully ordered state. Through state-of-the-art Monte Carlo simulations and scaling analyses using a quasi-2D model for the distorted Kagome spin ice in HoAgGe, we elucidate a single three-dimensional (3D) XY phase transition into the ground state with broken time-reversal symmetry (TRS). However, the 3D XY transition has a long crossover tail before the fluctuating magnetic charges fully order. More interestingly, we find both experimentally and theoretically that the TRS breaking phase of HoAgGe features an unusual, hysteretic response: In spite of their vanishing magnetization, the two time-reversal partners are distinguished and selected by a nonlinear magnetic susceptibility tied to the kagome ice rule. Our discovery not only unveils a new symmetry breaking hierarchy of kagome spin ice, but also demonstrates the potential of TRS-breaking frustrated spin systems for information technology applications.

DLC coatings are used for applications where the favorable combination of low friction coefficient and high wear resistance is beneficial. Their chemical inertness further enables them to protect the substrate from corrosive media. However, for applications where high electrical conductivity is required (e.g., sliding contacts, electrochemical electrodes, energy storage and consumption), un-doped carbon coatings have shown limited potential and methods like nitrogen- or metal-doping have emerged to reduce the electrical resistivity of the films. A more practical approach could be to only increase deposition temperature, leading to graphitization and decreasing electrical resistivity of DLC coatings while achieving high film thickness to protect the substrate from corrosion and wear.In this work, a-C:H and a-C:H:Si films were deposited on various steel substrate materials at temperatures of 450 °C, 500 °C and 550 °C by means of PACVD using pulsed DC discharge. Acetylene, argon and HMDSO served as process gases. The van der Pauw method was performed to measure specific electrical resistivity. An electrically insulating amorphous silicon interlayer ensured that only the electrical properties of the DLC films were measured. Further coating characterization included nanoindentation, GDOES and Raman spectroscopy.Coating thickness over 120 μm were achieved. Increasing the deposition temperature up to 550 °C resulted in significantly higher electrically conductive a-C:H coatings (4.3 ∙ 103 μΩ cm, approximating values of graphite films) with even better mechanical properties. Hardness reached 643 HV and the elastic modulus increased to 56 GPa. This improvement in mechanical properties with rising deposition temperature was also observed for silicon doped coatings. Nevertheless, the resistivity of a-C:H:Si coatings still exceeded the measurement setup’s detection limit of 1.9 ∙ 107 μΩ cm, as they seem to be highly electrically insulating. The results for better electrical conductivity are linked to promoted graphitization inside the films at higher temperatures. The decrease of bonded hydrogen inside the films seems to be the cause for better mechanical properties.

DLC coatings are widely used for their protective properties such as high wear resistance, low friction coefficient as well as chemical inertness. However, their electrical resistance is usually very high, which limits their utilization in electrotechnical applications. To improve electrical conductivity, DLC films are typically doped with nitrogen or metals. This study, however, investigates the mechanical and electrical properties of un-doped, hydrogenated DLC films deposited using temperatures above 450 °C. To further enhance the coating's properties, hydrogen gas was added during deposition.

DLC coatings, with properties like high wear resistance, corrosion protection and low friction coefficient under unlubricated conditions, are becoming more and more popular in different fields every year, and offer a wide application spectrum in many industrial areas. A new approach is the deposition of thick DLC films with thickness up to 55 mu m. With this level of thickness, it is possible to create interesting tribological systems with high mechanical load carrying capacity even on softer steels, which are used in general engineering. However, under lubricated conditions, DLC films can show very different behavior compared to dry conditions. In this work three different DLC coatings were investigated. A "Hard" and a "Soft" coating, as well as a Multilayer DLC film. As substrate material, samples of steel grade 4140 were used. In order to determine the influence of the surface condition, each coating was deposited on a rough (sandblasted) and a polished substrate. The friction coefficient (COF) was determined by a pin-on-disc tribometer with a 100Cr6 (AISI 52100) ball counterpart and a sliding distance of 2000 m. In addition, the wear track and the surface defects were investigated by confocal microscopy. The used lubricants were water and engine oil.The experiments showed that under same tribological parameters all lubricated DLC coatings on polished samples suffered under strong fatigue wear on the surface. By using thick coatings, it could be realised that this is not caused by an adhesion problem, because the resulting defects do not reach the steel interface. Fatigue wear was found for lubrication with oil as well as for lubrication with water. In contrast DLC coated rough surfaces showed no fatigue wear, also under lubricated condition. By using rough DLC coatings the wear of the counterpart is obviously remarkable increased. If the tribological experiments were done under excessive use of oil (not on a thin oil film), no fatigue wear on the surface could be found as well. On smooth surfaces the adhesion forces caused by the thin oil or water film seem to be responsible for the observed fatigue wear defects. It is also shown that with a special topography of the DLC coating fatigue wear under slightly lubricated condition can be eliminated and simultaneously the wear of the counterpart can be kept very low. (C) 2016 Elsevier B.V. All rights reserved.

This study examines the radical nature and spin symmetry of the ground state of the quasi-linear acene and two-dimensional periacene series. For this purpose, high-level ab initio calculations have been performed using the multireference averaged quadratic coupled cluster theory and the COLUMBUS program package. A reference space consisting of restricted and complete active spaces is taken for the π-conjugated space, correlating 16 electrons with 16 orbitals with the most pronounced open-shell character for the acenes and a complete active-space reference approach with eight electrons in eight orbitals for the periacenes. This reference space is used to construct the total configuration space by means of single and double excitations. By comparison with more extended calculations, it is shown that a focus on the π space with a 6-31G basis set is sufficient to describe the major features of the electronic character of these compounds. The present findings suggest that the ground state is a singlet for the smaller members of these series, but that for the larger ones, singlet and triplet states are quasi-degenerate. Both the acenes and periacenes exhibit significant polyradical character beyond the traditional diradical.

Wann ist ein Acen stabil? Der multiradikalische Charakter von Graphen-Nanobändern unterschiedlicher Größe und Form wurde mit Multireferenzmethoden untersucht. Aus den erhaltenen quantitativen Informationen über die Zahl an effektiv ungepaarten Elektronen können spezifische Abschätzungen der chemischen Stabilität von Graphen-Nanostrukturen getroffen werden. Seit den ersten Synthesen von Graphen-Nanobändern,1 finden Graphen-Bauelemente ein enormes Interesse mit Blick auf zukünftige Nanotechnologien.2 Wegen ihrer kleinen Bandlücken und hohen Ladungsträgerbeweglichkeiten werden n-Acene (Abbildung 1) und funktionalisierte Acene als vielversprechende Bausteine für organische elektronische Materialien angesehen.3 Zigzag-Nanobänder zeichnen sich durch eine beachtliche Spinpolarisierung und halbmetallische Eigenschaften aus,4 und bei der Synthese dieser polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAKs) gilt es chemisch faszinierende Herausforderungen zu meistern.5 Darüber hinaus könnten die Eigenschaften von Graphen-Nanobändern mit der Reaktivität der Oberflächen pyrogenen Kohlenstoffs und der Anreicherung von PAKs in Böden in Verbindung stehen.6 Untersuchte Strukturen: a) n-Acen, b) n-Phenacen, c) (ma,nz)-Periacen und d) (ma,nz)-Circumacen. Längere Acene sind wegen ihrer zunehmenden Reaktivität schwer zugänglich, und bisher ist Pentacen das größte gut charakterisierte Acen.3b Beachtliche Entwicklungen in den vergangenen Jahren führten zur Synthese von n-Acenen bis n=9 durch Matrixisolationstechniken.7 Diese höheren Acene sind jedoch sehr reaktiv, z. B. war Heptacen in einer Poly(methylmethacrylat)-Matrix nur 4 h stabil.8 Um diese Stabilitätsprobleme zu überwinden, wurden größere Acene mit Schutzgruppen versehen.7a Quantenchemische Untersuchungen spielen eine wichtige Rolle zur Aufklärung der ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoflocken, welche bi- oder sogar multiradikalischen Charakter aufweisen können. DFT-Rechnungen sind aufgrund ihrer Genauigkeit und Effizienz eine interessante Wahl und wurden für Studien von Acenen9 und Graphen-Flocken herangezogen.10 Wegen des ausgeprägten Radikalcharakters müssen jedoch uneingeschränkte (unrestricted) DFT-Methoden verwendet werden,9a die mit Problemen wie Spinkontamination und der Schwierigkeit, ein geeignetes Funktional zu finden, behaftet sind. Als Alternativen wurden die Methoden DMRG (density matrix renormalization group)11 und 2-RDM (active-space variational two-electron reduced-density-matrix) für ein-12 und einige zweidimensionale13 Systeme verwendet. Darüber hinaus wurden einerseits Spinflip-Konfigurationswechselwirkung14 und andererseits Coupled-Cluster-Rechnungen mit Einfach- und Zweifachanregung (CCSD) sowie mit höheren Anregungen durchgeführt,15 um die elektronische Struktur der n-Acene zu untersuchen. Zur Behandlung multiradikalischer Systeme sind Multireferenzmethoden (MR)16 besonders gut geeignet. Vor allem sind MR-Methoden nicht durch Spinkontamination oder Energieinstabilitätsprobleme beeinträchtigt. Hier beschreiben wir die Anwendung der MR-AQCC-Methode (AQCC: averaged quadratic coupled cluster),17 die entscheidende Extensivitätskorrekturen auf MR-Niveau beinhaltet. Die Methode wurde schon erfolgreich auf kleinere anspruchsvolle Biradikalsysteme angewendet.18 Hier demonstrieren wir ihre Anwendbarkeit auf größere molekulare Systeme im Bereich von 100 Kohlenstoffatomen in einer Graphen-Nanoflocke. Die Analyse des Radikalcharakters von PAKs, welche als Modellsysteme für Graphen-Nanoflocken verwendet werden, wird durch Betrachtung der mit AQCC berechneten Besetzungen der natürlichen Orbitale (NO) durchgeführt. Dabei wurden 1) die Abweichungen der einzelnen NO-Besetzungen ni von 0 (unbesetzt) bzw. 2 (doppelt besetzt) betrachtet und 2) eine effektive Elektronendichte ungepaarter Elektronen und eine Zahl effektiv ungepaarter Elektronen NU berechnet, wie sie zuerst von Takatsuka et al.19 als Beschreibung von “odd electrons” als ein Maß für die Aufspaltung eines Elektronenpaars in verschiedene Regionen im Raum eingeführt wurde (siehe auch Lit. 20). Zur Berechnung von NU verwenden wir den Formalismus von Lit. 21 und die nichtlineare Formel ni2(2−ni)2, da diese die echten offenschaligen Beiträge der radikalischen Zentren klarer von den Beiträgen durch dynamische Korrelation separiert. Im Vergleich zur linearen Funktion, die in Lit. 21 auch vorgeschlagen wird, verstärkt diese Formel Beiträge von Orbitalen mit Besetzungen nahe 1, während Beiträge von Orbitalen mit Besetzung nahe 0 oder 2 gedämpft werden. Zwei Klassen von molekularen Systemen (Abbildung 1) wurden untersucht: 1) quasi-eindimensionale n-Acene und n-Phenacene und 2) zweidimensionale Periacene und Circumacene. Letztere werden durch die Notation (ma,nz) charakterisiert, wobei a und z Armchair- bzw. Zigzag-Kante kennzeichnen und m und n die Zahl der Benzolringe in die jeweilige Richtung abzählen (Abbildung 1 c,d). Periacene unterscheiden sich von Circumacenen nur in den Details ihrer Armchair-Kanten, was sich allerdings in signifikanten Unterschieden ihres Radikalcharakters äußert? Unser Zugang folgt der Strategie der DMRG-11 und 2-RDM-Rechnungen12 insofern, als wir uns auf das konjugierte π-System konzentrieren. Das wurde dadurch erreicht, dass die σ-Orbitale auf Self-Consistent-Field-Niveau eingefroren wurden. Daraufhin wurden die Molekülorbitale (MO) aus Multikonfigurations(MC)-SCF-Rechnungen zur Verwendung für die folgende MR-AQCC-Rechnung erhalten. In allen Fällen wurde der totalsymmetrische Singulettzustand berechnet. Der aktive Orbitalraum für die Referenzkonfigurationen wurde so gewählt, dass der polyradikalische Charakter und mehrere offenschalige Elektronen gut dargestellt werden können. Zwei Referenzräume mit bis zu 16 aktiven Orbitalen wurden für die MR-AQCC-Rechnungen gewählt, um die außergewöhnlichen Anforderungen der verschiedenen Verbindungen zu berücksichtigen. Ein Doppel-Zeta- Basissatz wurde verwendet. Weitere Details zu den Rechenmethoden sind in den Hintergrundinformationen angegeben. Die Acen-Serie (Abbildung 2) weist einen drastischen Zuwachs der offenschaligen NO-Besetzungen mit steigender Kettenlänge n auf, welcher in eine Kaskade von offenschaligen NO-Besetzungen mündet. Für n=11 gibt es zwei fast entartete NOs (mit Besetzungen von 1.1 e und 0.90 e), und sogar die beachbarten Orbitale (mit Besetzung von 1.6 e und 0.4 e) können leicht als offenschalige Orbitale bezeichnet werden. Die experimentell bekannte, steigende Instabilität mit zunehmender Kettenlänge der Acene korreliert gut mit dem steigenden Multiradikalcharakter in Abbildung 2. Umgekehrt zeigen die NO-Besetzungen der Phenacene bis n=10 (siehe Abbildung S1 in den Hintergrundinformationen) keinen Hinweis auf einen Biradikalcharakter, während die Acene bei dieser Kettenlänge, wie erwähnt, schon starken Multiradikalcharakter aufweisen. Abhängigkeit der mit MR-AQCC-berechneten NO-Besetzungen mit der Länge n der Acen-Kette. Die Entwicklung eines starken Multiradikalcharakters in unseren Rechnungen passt gut mit den DMRG-11 und 2-RDM-Ergebnissen12 zusammen, steht aber im Widerspruch zu neueren CCSD-Rechnungen,15 aus denen nach Analyse der Einfachanregungen gemäß der T1-Diagnostik geschlossen wurde, dass die Acene einen rein geschlossenschaligen Charakter aufweisen. Wie in der Literatur22 ausführlich diskutiert, hängen die Einfachanregungen, die durch diese Diagnostik gemessen werden, allerdings mit Orbitalrelaxation zusammen, weshalb Zweifachanregungen analysiert werden müssen, um den Multireferenzcharakter einer CCSD-Rechnung bewerten zu können. Daher wurden CCSD-Rechnungen mit der D2-Diagnostik, die für diesen Zweck entwickelt wurde,22b unter Verwendung des PSI4-Programmpaketes20 durchgeführt.23 Die D2-Diagnostik (Tabelle S2) überschreitet den empfohlenen Schwellenwert beträchtlich. Nach diesem Kriterium zeigt also auch die CCSD-Methode signifikanten Multireferenzcharakter, was in guter Übereinstimmung mit unseren MR-AQCC-Rechnungen ist. Als Erweiterung dieser Analyse der quasi-eindimensionalen Quantendrähte zu zweidimensionalen Nanoflocken untersuchen wir sowohl die (3a,nz)- (Abbildung S2) und (5a,nz)-Periacene (Abbildung 3) als auch die entsprechenden Circumacen-Sequenzen (Abbildung S3 und Abbildung 5). Ähnlich wie bei den quasi-1D-Acenen entwickelt mit ansteigender Zigzag-Kettenlänge die zweidimensionale Periacen-Sequenz einen starken multiradikalischen Charakter. Diese Entwicklung verläuft schneller als im Fall der Acene. Eine Erhöhung der Armchair-Länge der Periacene von m=3 zu 5 (Abbildung S2 und Abbildung 3) verstärkt den offenschaligen Charakter nochmals beträchtlich. Abhängigkeit der mit MR-AQCC berechneten NO-Besetzungen von der Zigzag-Länge in (5a,nz)-Periacenen. In der 5a-Serie (Abbildung 3) ist eine vollständige Entartung der NO-Besetzungen schon für n=4 vorhanden. Der Radikalcharakter ist überwiegend an den Zigzag-Kanten lokalisiert, wie z. B. am (5a,6z)-Periacen zu sehen (Abbildung 4). In diesem Fall ist die Anzahl an effektiv ungepaarten Elektronen NU gleich 5.0 e. Einzelne Werte, die durch eine Mulliken-Analyse24 der ungepaarten Elektronendichte den einzelnen Kohlenstoffatomen zugeschrieben werden können, sind in Abbildung 4 ebenfalls zu sehen. Diese illustrieren den starken Radikalcharakter und die damit einhergehende Reaktivität an den Zigzag-Kanten. Die vier Orbitale mit starkem offenschaligen Charakter des (5a,6z)-Periacens enthalten etwa drei Elektronen. Die Differenz zum NU-Wert folgt aus den Beiträgen der übrigen schwach offenschaligen Orbitale, die in der ungepaarten Elektronendichte berücksichtigt werden. Spinpolarisierte DFT-Rechnungen an rechteckigen Nanobändern unter Verwendung des HSE06-Hybrid-Dichtefunktionals zeigen,10a dass Spinpolarisierung schon relativ früh bei einer Größe von (3a,3z) eintritt. Die mit MR-AQCC berechneten NO-Besetzungen (Abbildung S2) führen zu einem ähnlichen Ergebnis bezüglich dieses Ansatzes, sie liefern aber zusätzlich ein quantitatives Ausmaß der Radikalbildung in der Periacen-Serie. Ungepaarte Elektronendichte des (5a,6z)-Periacens (Isowert 0.005 e). NU=5.0 e, Werte für individuelle Atome sind bei den entsprechenden Kohlenstoffatomen angegeben. Für die (3a,nz)- und (5a,nz)-Circumacene wird verglichen mit den Periacenen (Abbildung 3) ein deutlich verspätetes Eintreten des Biradikalcharakters beobachtet (Abbildung S3 und Abbildung 5). Für letztere erscheinen NO-Besetzung von ca. 0.75 e und 1.25 e schon für n=3, während bei der (5a,nz)-Circumacen-Serie vergleichbare Werte erst für n=5 erhalten werden. Für höhere Circumacene wird schließlich eine ähnliche Kaskade von offenschaligen Besetzungen wie bei den Periacenen gefunden. Abhängigkeit der mit MR-AQCC berechneten NO-Besetzungen von der Zigzag-Länge in (5a,nz)-Circumacenen. Die ungepaarte Elektronendichte des (5a,6z)-Circumacens (Abbildung S4) hat große Ähnlichkeiten mit der des (5a,6z)-Periacens. Folglich können wir voraussagen, dass die Circumacene mit zunehmender Länge den Radikalcharakter und die Reaktivität der Periacene erreichen. Jiang et al.10d verwendeten ein einfaches HOMO-LUMO-Gap-Kriterium und schätzten einen kritischen Wert von nc=6 für (3a,nz)-Circumacene zum Erreichen von offenschaligem Charakter. Dieses Resultat stimmt mit unserem qualitativ überein, wenn auch eine Betrachtung der Zahl an effektiv ungepaarten Elektronen einen Übergang zu signifikant offenschaligem Charakter schon zwischen n=4 und n=5 vorhersagt. Gemäß der NU-Analyse (Abbildung 6) können die Graphen-Nanoflocken in drei Gruppen unterteilt werden. Für die n-Phenacene erhält man eine praktisch horizontale Linie mit NU-Werten von 0.3–0.5 e. Diese dienen als Beispiel für geschlossenschaligen Charakter innerhalb unserer Analyse. Die n-Acene, als zweite Gruppe, zeigen den starken Anstieg in ungepaartem Charakter, wobei ein NU-Wert von 4 e für n=11 erreicht wird. Dieser Wert ist im Einklang mit den vier offenschaligen NOs in Abbildung 2. Die dritte Klasse entspricht den zweidimensionalene Graphen-Flocken. Diese zeigen alle einen Anstieg der ungepaarten Elektronen, der deutlich stärker ist als der der Acene mit n≤9. Es zeigen sich Unterschiede zwischen dem Verhalten der Periacene und Circumacene: Der starke Anstieg von NU mit der Kettenlänge n startet bei den Periacenen sofort, während der Anfang bei den Circumacenen (vor allem bei (3a,nz)) flacher ist. Abhängigkeit der Zahl effektiv ungepaarter Elektronen NU von der Kettenlänge n. Es ist nun möglich, versuchsweise die NU-Werte der verschiedenen Klassen von Graphen-Nanoflocken mit vorhandenen experimentellen Reaktivitätsdaten zu korrelieren. In diesem Sinne können wir eine Region stabiler Strukturen identifizieren, die unterhalb des kritischenen Wertes von NU(1)≈1 e liegt, welcher dem Pentacen, dem größten gut zugänglichen Acen zugeordnet ist.3b Diese Region beinhaltet die Periacene (3a,2z) (Perylen) und (5a,2z) und die Circumacene (3a,1z) (Pyren), (3a,2z) (Coronen, Circumbenzen), (3a,3z) (Ovalen, Circumnaphtalen), (5a, 1z) und (5a,2z), welche alle bekannte stabile Verbindungen sind.25 Auch von der Synthese von Circumanthracen wurde berichtet.26 Ein stärkerer versuchsweiser Charakter kommt der Region zu, die durch die gestrichelte Linie bei NU(2)=2.2 e begrenzt wird, welche durch das Nonacen geht, dem größten bisher synthetisierten Acen.7b Es ist interessant zu beobachten, dass die NU-Werte der Acene einen zusätzlichen Zuwachs nach n=9 aufweisen, was darauf hindeutet, dass Acene mit n>9 noch schwieriger zu synthetisieren sind. Eine Betrachtung dieser zweiten Region mit ≤NU(2) lässt vermuten, dass zweidimensionale Flocken wie die (3a,3z)- und (5a,3z)-Periacene sowie Circumacene bis (5a,4z) unter ähnlichen Vorsichtsmaßnahmen, wie sie für die höheren n-Acene verwendet werden, synthetisiert werden könnten. Bezüglich der größeren 2D-Nanoflocken, die gegenwärtig zugänglichen sind,1b vermuten wir, dass das unterschiedliche Skalieren von Umfang und Fläche eine erhöhte Stabilität der inneren Bereiche der Flocke zur Folge hat, da sich die ungepaarte Elektronendichte hauptsächlich auf die Kanten beschränkt (Abbildung 4). Ein Vergleich der Eigenschaften der verschiedenen PAKs, die in dieser Arbeit untersucht wurden, illustriert eine beachtliche Vielfalt des Auftretens von offenschaligem Charakter, wenn die Moleküle entlang unterschiedlicher Pfade vergrößert werden. Die Analyse verschiedener PAK-Topologien hinsichtlich verschiedener struktureller und elektronischer Eigenschaften ist von beachtlichem chemischem Interesse.27 Wir haben gezeigt, dass MR-Methoden leistungsstarke Werkzeuge sind, um zuverlässige Information über diese faszinierenden, aber experimentell sehr schwer zugänglichen Verbindungen zu gewinnen. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

Advanced systems for harvesting sub-bandgap photons via upconversion were investigated, comprising improved upconverter materials, adapted silicon solar cells, nano-crystalline quantum dots and spectrally selective photonic crystals. Upconversion increased JSC by 13.3±3.0 mA/cm2 at 207±86 suns.

The role of electronic and ionic defects for the oxygen exchange reaction can nicely be studied on perovskite structured oxides ranging from semiconductors such as SrTiO3 to good electronic conductors such as (La,Sr)CoO3- δ. Strontium titanate (SrTiO3) is a perovskite-type transition metal oxide which exhibits insulating behavior, but can be reversibly switched into a conducting state by applying external voltage or current pulses. Electrolytes with high ionic conductivity at lower temperatures are the prerequisite for the success of solid oxide fuel cells (SOFC). Unlike traditional layered oxide based cathode materials for lithium-ion batteries, lithium and manganese rich oxide cathode materials form a structurally integrated nanocomposite of 2MnO3 and LiMO2 (where M=Co,Ni and Mn) by sharing a common oxide lattice. The chapter demonstrates that the lithium ion intercalation mechanism in these integrated cathodes is a complex process and the electrochemical performance of these cathode materials depends on various interrelated factors. Controlled Vocabulary Terms chemical exchanges; electrolytes; semiconductors; solid oxide fuel cells

Familial juvenile hyperuricaemic (gouty) nephropathy (FJHN), is an autosomal dominant disease associated with a reduced fractional excretion of urate, and progressive renal failure. FJHN is genetically heterogeneous and due to mutations of three genes: uromodulin (UMOD), renin (REN) and hepatocyte nuclear factor-1beta (HNF-1β) on chromosomes 16p12, 1q32.1, and 17q12, respectively. However, UMOD, REN or HNF-1β mutations are found in only ~45% of FJHN probands, indicating the involvement of other genetic loci in ~55% of probands. To identify other FJHN loci, we performed a single nucleotide polymorphism (SNP)-based genome-wide linkage analysis, in six FJHN families in whom UMOD, HNF-1β and REN mutations had been excluded. Parametric linkage analysis using a ‘rare dominant’ model established linkage in five of the six FJHN families, with a LOD score >+3, at 0% recombination, between FJHN and SNPs at chromosome 2p22.1-p21. Analysis of individual recombinants in two unrelated affected individuals defined a ~5.5 Mbp interval, flanked telomerically by SNP RS372139 and centromerically by RS896986 that contained the locus, designated FJHN3. The interval contains 28 genes, and DNA sequence analysis of the most likely candidate, solute carrier family 8 member 1 (SLC8A1), did not identify any abnormalities in the FJHN3 probands. FJHN3 is likely located within a ~5.5 Mbp interval on chromosome 2p22.1-p21, and identifying the genetic abnormality will help to further elucidate mechanisms predisposing to gout and renal failure.

The COLUMBUS Program System allows high-level quantum chemical calculations based on the multiconfiguration self-consistent field, multireference configuration interaction with singles and doubles, and the multireference averaged quadratic coupled cluster methods. The latter method includes size-consistency corrections at the multireference level. Nonrelativistic (NR) and spin-orbit calculations are available within multireference configuration interaction (MRCI). A prominent feature of COLUMBUS is the availability of analytic energy gradients and nonadiabatic coupling vectors for NR MRCI. This feature allows efficient optimization of stationary points and surface crossings (minima on the crossing seam). Typical applications are systematic surveys of energy surfaces in ground and excited states including bond breaking. Wave functions of practically any sophistication can be constructed limited primarily by the size of the CI expansion rather than by its complexity. A massively parallel CI step allows state-of-the art calculations with up to several billion configurations. Electrostatic embedding of point charges into the molecular Hamiltonian gives access to quantum mechanical/molecular mechanics calculations for all wave functions available in COLUMBUS. The analytic gradient modules allow on-the-fly nonadiabatic photodynamical simulations of interesting chemical and biological problems. Thus, COLUMBUS provides a wide range of highly sophisticated tools with which a large variety of interesting quantum chemical problems can be studied. (C) 2011 John Wiley & Sons, Ltd. WIREs Comput Mol Sci 2011 1 191-199 DOI: 10.1002/wcms.25

Parallel hardware has become readily available to the computational chemistry research community. This perspective will review the current state of parallel computational chemistry software utilizing high-performance parallel computing platforms. Hardware and software trends and their effect on quantum chemistry methodologies, algorithms, and software development will also be discussed.

The nonadiabatic deactivation of trans-azomethane starting from the nπ* state has been investigated in gas phase, water, and n-hexane using an on-the-fly surface-hopping method. A quantum mechanical/molecular mechanics (QM/MM) approach was used employing a flexible quantum chemical level for the description of electronically excited states and bond dissociation (generalized valence bond perfect-pairing complete active space). The solvent effect on the lifetime and structural parameters of azomethane was investigated in detail. The calculations show that the nonadiabatic deactivation is characterized by a CNNC torsion, mainly impeded by mechanic interaction with the solvent molecules. The similar characteristics of the dynamics in polar and nonpolar solvent indicate that solvent effects based on electrostatic interactions do not play a major role. Lifetimes increase by about 20 fs for both solvents with respect to the 113 fs found for the gas phase. The present subpicosecond dynamics also nicely show an example of the suppression of C-N dissociation by the solvent cage.

Abstract not Available.

The accurate prediction of the potential energy function of the X1Sigmag+ state of Cr2 is a remarkable challenge; large differential electron correlation effects, significant scalar relativistic contributions, the need for large flexible basis sets containing g functions, the importance of semicore valence electron correlation, and its multireference nature pose considerable obstacles. So far, the only reasonable successful approaches were based on multireference perturbation theory (MRPT). Recently, there was some controversy in the literature about the role of error compensation and systematic defects of various MRPT implementations that cannot be easily overcome. A detailed basis set study of the potential energy function is presented, adopting a variational method. The method of choice for this electron-rich target with up to 28 correlated electrons is fully uncontracted multireference-averaged quadratic coupled cluster (MR-AQCC), which shares the flexibility of the multireference configuration interaction (MRCI) approach and is, in addition, approximately size-extensive (0.02 eV in error as compared to the MRCI value of 1.37 eV for two noninteracting chromium atoms). The best estimate for De arrives at 1.48 eV and agrees well with the experimental data of 1.47 +/- 0.056 eV. At the estimated CBS limit, the equilibrium bond distance (1.685 A) and vibrational frequency (459 cm-1) are in agreement with experiment (1.679 A, 481 cm-1). Large basis sets and reference configuration spaces invariably result in huge wave function expansions (here, up to 2.8 billion configuration state functions), and efficient parallel implementations of the method are crucial. Hence, relevant details on implementation and general performance of the parallel program code are discussed as well.

Crystalline silicon thin-film solar cells on a foreign substrate were fabricated using an i-a-Si/n-a-Si heterojunction instead of a diffused phosphorus emitter. The heterojunction was adopted to the rough 10 μm-thin absorber layer with different grain sizes and grain heights. The fabrication of the thin heterojunction structures reduces the thermal budget (max. temperature ≪ 300°C) of the fabrication process and has positive effects on the impurity diffusion from the substrate. We measured the electrical and optical characteristics (current-voltage curve, EQE) of the heterojunction cells and compared them with cells using a diffused phosphorus emitter by rapid thermal diffusion (RTP). The structures with heterojunction resulted in first solar cells with 6.2% efficiency and an increased open circuit voltage (+14 mV) compared to the reference cells.