Danish National Research Foundation Center for Materials Crystallography 

Annual report 2015 

  

Summary 

2015 was in a sense a new beginning. It followed a very busy 2014, which was the final year of the first period 

of the Center for Materials Crystallography (CMC), and which coincided with the strong world‐wide efforts 

of United Nations International Year of Crystallography. CMC‐2 and 2015 brought a strengthened CMC team, 

where new partners augmented the existing activities and the new grant from the Danish National Research 

Foundation had to be implemented. Thus, professor George Koutsantonis and Dr. Davide Ceresoli joined CMC 

in  Perth  and  Milano,  respectively.  CMC  has  built  up  very  strong  momentum  with  a  presence  in 

crystallographic communities around the globe. In 2015 we published 99 peer reviewed publications, and 

once again many papers reached  international top  journals. 2015 was also the year where the efforts on 

building the DanMAX beamline at the MAX4 synchrotron became real, and Dr. Mads Jørgensen, a former 

CMC post doc at the partner‐facility SNS in Oak Ridge, was hired to be responsible for the powder diffraction 

instrument. Furthermore, due to tremendous efforts by Mogens Christensen the Heimdal beam line at ESS 

matured, and AU officially decided to be lead on the construction. 

The  ‘new beginning’ notwithstanding,  scientific  activities CMC  is not  resting or  looking back. New  fields 

develop, new collaborations are constantly emerging, while other activities decrease in importance. Overall, 

CMC continues to be a very dynamic entity, where the sum is greater than the combined individual parts, 

and where crystallographic methods are developed and applied to tackle important challenges in materials 

and chemical science. In Aarhus the original CMC ambition of building up three new independent research 

groups has been extremely successful, and both internally and externally the groups of associate professor 

Mogens  Christensen  (magnetic  materials),  senior  scientist  Jacob  Overgaard  (molecular  materials)  and 

assistant  professor Martin  Bremholm  (high  pressure  science)  are  now  highly  visible.  The  new  groups 

attracted substantial new funding in 2015 and Jacob Overgaard defended his Doctor of Science thesis. 

The present annual report attempts to give an overview of the many CMC activities. The highlights selected 

below represent important CMC contributions from 2015, but they cannot do full justice to the diverse efforts 

published in 99 papers. As always our first and foremost ambition is to contribute scientific excellence at the 

highest international level within the field of materials crystallography.    

  

2  

Center for Materials Crystallography: Highlights in 2015 CMC published 99 peer review papers in 2015 and as in previous years many studies were reported in international top journals. The long term impact was further strengthened with awarding 1 doctoral degree, 9 PhD degrees and 22 Master degrees. Thus, the cumulative number for 2010‐2015 is 626 publications, 3 doctoral, 52 PhD and 87 MSc degrees. 

Selected scientific highlights:  

Insights on spin polarization through the spin density source function Understanding  transmission  of  spin  information  from  paramagnetic  to  non‐magnetic centers is crucial in advanced materials research. A novel tool has been developed to e.g. quantify atom contributions to spin polarization  (Gatti et al., Chem. Sci. 2015, 6, 3845‐3852). 

In situ X‐ray diffraction environments for high‐pressure reactions New sample environments and techniques customized for in situ powder X‐ray diffraction studies up to 1000 bar gas pressure were developed. The cells can be utilized for multiple purposes in a range of research fields (Hansen et al., J. Appl. Cryst. 2015, 48, 1234–1241).  

High Alignment of magnetic SrFe12O19 nanoplatelets by Spark Plasma Sintering Spark plasma  sintering has been used  to  compact SrFe12O19 powders  into a quasi‐single crystal with an almost  completely aligned  c‐axis observed by measurement of magnetic properties  and pole  figures  from  XRD  (Stingaciu  et al.,  Sci. Rep.  2015, 5, 14112;  Saura‐Múzquiz et al., Nanoscale 2016, DOI: 10.1039/C5NR07854G). 

Thin film pair distribution function analysis demonstrated for the first time Local  atomic  structure  has  for  the  first  time  been  determined  in  amorphous  and crystalline  thin  films by PDF analysis. The breakthrough was  the use of  transmission geometry, which allows analysis of even extremely weak sample signals (Jensen et al., IUCR‐J 2015, 2, 481‐489; Bauers et al., J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 9652–9658). 

Chemical Bonding and Electronic Localization in a GaI Amide The electron density in a [GaIN(SiMe3)R] complex has been determined from ab initio calculations and multipole modeling of 90 K XRD data. Electron density analysis suggests a reversal of bonding roles with an electron donating metal (Thomsen et al., Chem. Eur. J. 2015, 21, 14460‐14470). 

High‐pressure phase transitions in ordered and disordered Bi2Te2Se High pressure XRD studies of the topological insulator and thermoelectric Bi2Te2Se revealed an electronic transition followed by two structural transitions  leading to an unusual disordered alloy (Nielsen et al., Dalton Trans. 2015, 44, 14077‐14084). 

Novel method to estimate nuclear densities from X‐ray data ‐ NXMEM A method to derive nuclear weighted MEM electron densities was developed and tested on high performance thermoelectric materials containing subtle disorder. The general method provides a highly significant improvement to normal maximum entropy method analysis (Christensen et al., Acta Crystallogr. Sect. A 2015, 71, 9–19). 

Rationalising mechanical behaviour of molecular crystals at a molecular level Combining model  interaction  energies with  a novel  graphical  representation of  their magnitude  – energy frameworks – addresses intriguing questions about the mechanical behavior of crystals (Turner et al., Chem. Commun. 2015, 51, 3735). 

DOSY‐NMR used to probe organometallic aggregation behaviour Lithium diisopropyl amide is one of the most common non‐nucleophilic Brønsted bases in industry, but its  aggregation  in  donor‐base  free  solvents  has  so  far  been  unclear.  A  new  DOSY‐NMR method quantifies the aggregation in solution (Neufeld et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 6994‐6998).  

  

3  

Center for Materialekrystallografi: Højdepunkter i 2015 CMC publicerede 99 artikler med peer‐review i 2015, og ligesom i foregående år blev mange udgivet i internationale toptidsskrifter.  CMCs  langtidseffekt  blev  yderligere  styrket  med  tildeling  af  1  doktorgrad,  9  PhD  grader  og  22 kandidatgrader. Det samlede antal for 2010‐2015 er hermed 626 publikationer, 3 doktor, 52 PhD og 87 kandidatgrader. 

Udvalgte videnskabelige højdepunkter:  

Indsigt I spin‐polarisering via spintætheds‐Sourcefunktionen Indenfor  avanceret materialeforskning  er det  essentielt  at  forstå overførsel  af  spin‐information  fra paramagnetiske  til  ikke‐magnetiske  centre.  Et nyt  værktøj  er blevet udviklet til f.eks. at kvantificere atomare bidrag til spinpolariseirng (Gatti et al., Chem. Sci. 2015, 6, 3845‐3852). 

Instrumentel til in situ røntgendiffraktion på højtryks‐reaktioner  Nyt eksperimentelt udstyr designet specielt til  in situ pulver‐røntgendiffraktion op til 1.000  bar  er  blevet  udviklet.  Reaktorerne  kan  udnyttes  til  en  lang  række  formål indenfor adskillige forskningsområder (Hansen et al., J. Appl. Cryst. 2015, 48, 1234).  

Stærk ordning af magnetiske SrFe12O19 nanopartikler via Spark Plasma Sintering Spark plasma sintering har været udnyttet til at komprimere SrFe12O19 pulvere til kvasi‐enkrystaller  med  en  næsten  perfekt  orienteret  c‐akse,  karakteriseret  ved  måling  af magnetiske egenskaber og pol‐figurer  fra  røntgendiffraktion  (Stingaciu et al., Sci. Rep. 2015, 5, 14112; Saura‐Múzquiz et al., Nanoscale 2016, DOI: 10.1039/C5NR07854G). 

Første demonstration af PDF‐analyse på tynd‐film  Lokal  atomar  struktur er  for  første  gang blevet bestemt  i  amorfe og  krystallinske tyndfilm  via  PDF‐analyse.  Gennembrudet  skete  ved  anvendelse  af  transmissions‐geometri, der tillader analyse af selv meget svage intensiteter (Jensen et al., IUCR‐J 2015, 2, 481‐489; Bauers et al., J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 9652–9658). 

Kemisk binding og elektron‐lokalisering i et GaI Amid kompleks Elektrontætheden i et [GaIN(SiMe3)R] kompleks er blevet bestemt via ab initio metoder og multipol‐modellering af diffraktionsdata optaget ved 90 K. Elektrontæthedsanalyse antyder en invers binding med et elektron‐donerende metal (Thomsen et al., Chem. Eur. J. 2015, 21, 14460‐14470). 

Højtryks‐faseomlejring I ordnet og uordnet Bi2Te2Se  Højtryks‐pulverdiffraktionsstudier af den topologiske isolator og termoelektriske materiale Bi2Te2Se afslørede en elektronisk overgang efterfulgt af to strukturelle omlejringer, førende til en usædvanlig, uordnet legering (Nielsen et al., Dalton Trans. 2015, 44, 14077‐14084). 

En ny metode til et estimere kernetætheder fra røntgendata – NXMEM  En metode til at udlede kerne‐vægtede MEM elektrontætheder fra røntgendata er blevet udviklet og testet på højeffektive termoelektrika der  indeholder subtile grader af uorden. Den generelle metode  oer  en meget  betydelig  forbedring  af  normal MEM‐analyse  (Christensen  et  al.,  Acta Crystallogr. Sect. A 2015, 71, 9–19). 

Rationalisering af den mekaniske opførsel af molekylære krystaller på molekyleniveau  Kombination af interaktions‐energier fra modellering med nye grafiske repræsentationer af deres styrke  –  energy  frameworks  –  adresserer  interessante  spørgsmål  vedrørende  den mekaniske opførsel af krystaller (Turner et al., Chem. Commun. 2015, 51, 3735). 

DOSY‐NMR anvendt til at undersøge opførslen af organometallisk aggregering Lithium diisopropyl amid er en af de mest almindelige non‐nukleofile Brønsted‐baser i industrien, men  stoffets aggregering  i donorbase‐frie solventer har været uklar. En ny DOSY‐NMR metode kvantificerer aggregerings‐opførslen i opløsningen (Neufeld et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 6994‐6998).  

   

  

4  

CMC Science in 2015 So far the CMC scientific efforts have been divided into 12 main research themes. Efforts within some of the 

original themes are no longer as strong as in previous years, while new directions have emerged. The new 

groups  in CMC bring new topics and perspectives with Mogens Christensen on magnetic materials, Jacob 

Overgaard on molecular materials, Martin Bremholm/Davide Ceresoli on high pressure materials and George 

Koutsantonis on organometallic  chemistry.  Therefore, we have  redefined  the  topics. Research  in  all  the 

original 12 themes is still contained in the themes, but no matter how the research themes are categorized 

the level of activity in the themes will vary significantly. The new themes are: T1: Photoactive materials, T2: 

Intermolecular interactions, T3: Magnetic materials, T4: Nanoporous materials, T5: Nanoparticles, T6: High 

pressure studies, T7: Energy materials, T8: Organometallic chemistry, T9: Electronic materials, T10: New 

methods, T11: New equipment 

 

T1: Photoactive materials 

In previous years CMC has carried out extensive photo‐crystallographic studies of hetero‐atomic bimetallic 

complexes,  [Ln(DMF)4(H2O)3(‐CN)M(CN)5]H2O,  which  exhibit  photo‐induced  magnetization.  It  was 

discovered that the same complexes undergo pressure induced magnetization, and the structural changes 

were probed with high pressure XANES and single crystal X‐ray diffraction (Wu et al., Chem. Commun. 2015, 

51, 8868). Ongoing activities on spin cross‐over complexes will be reported next year. 

T2: Intermolecular interactions 

Quantification of intermolecular interaction energies is a very strong theme in current chemical and materials science, and a major milestone was reached with the launch of a new version of the CrystalExplorer software which e.g. included the concept of energy frameworks (Turner et al., Chem. Commun. 2015, 51, 3735). The new approach allows fast but still accurate calculation of interaction energies between molecules based on four energy terms: Electrostatic energy, dispersion energy, repulsion energy and polarization energy. In the crystal  engineering  field, many  publications  in  recent  years  have  attempted  to  estimate  intermolecular interaction  energies  from  topological  properties  of  electron  densities.  This  approach was  shown  to  be inaccurate and CMC research strongly urge this field of science to rethink the approach (Spackman, Cryst. Growth. Des.  2015,  15,  5624).  In  a  benchmark  combined  X‐ray  and  neutron  electron  density  study  the intermolecular interactions in Rubrene were quantified and analysed (Hathwar et al., IUCr‐J 2015, 2, 563). Rubrene  is  the  best  performing  organic  semiconductor  and  the  extraordinary  properties  originate  from favorable intermolecular interactions. Based on comparison of atomic displacement parameters determined separately  from  X‐ray  and  neutron  diffraction,  the  study  of  rubrene  is  one  of  the most  accurate  ever published. Another focused on the electrostatic complementarity in pseudoreceptor modeling based on drug molecule crystal structures (Shi et al., New J. Chem. 2015, 39, 1628). A striking similarity of intermolecular interactions  between  the  specific  crystal  structure  and  those  observed  in  a  biological  environment was established, and the electrostatic potential of a protease inhibitor molecule was successfully used to map the characteristics of a pseudo‐enzyme pocket. Non‐covalent interactions (NCIs) dictate how molecules interact with their surroundings. By using a sample of 30 molecular adducts, spanning dispersive, hydrogen bonds and X‐H∙∙∙π  interactions,  it was demonstrated  that  stabilization energies may be  inexpensively estimated using the Reduced Density Gradient (RDG)  in tandem with energy density descriptors (Saleh et al., Comp. Theo. Chem. 2015, 1053, 53–59). This novel method is powerful and potentially applicable also to crystals and experimentally derived electron densities.  

T3: Magnetic materials 

CMC  activities on magnetic materials  are  increasing  considerable with  the maturation of  the  groups on 

inorganic magnets (Mogens Christensen) and molecular magnets (Jacob Overgaard). The evolution of size 

  

5  

and size distribution of CoFe2O4 nanocrystallites was followed by in situ synchrotron PXRD. Size control, and 

thereby magnetic property control, was obtained via precursor concentration upon base addition (Andersen 

and Christensen, Nanoscale 2015, 7, 3481). The hard magnetic system SrFe12O19 was studied intensively with 

a top‐down ball milling approach to obtain single domain particles (Stingaciu et al., Sci. Rep. 2015, 5, 14112). 

The processing had detrimental effects on the magnetism due to amorphization, and another study instead 

focused  on  bottom‐up  hydrothermal  synthesis  (Saura‐Múzquiz  et  al.,  Nanoscale  2016,  DOI: 

10.1039/C5NR07854G). Here excellent alignment of the crystallites was obtained by SPS. Molecular magnets 

were  in  focus with  experimental  recording  of  a  very  large magnetic  anisotropy  using  angular  resolved 

magnetic  susceptibility measurements  on  a  single  crystal  (Qian  et  al.,  Chem  Sci.  2015,  6,  4587‐4593). 

Theoretical approaches reproduce almost exactly the size and direction of the magnetic easy axis. It has been 

questioned whether theoretical calculation of anisotropy is reliable based on molecular structure determined 

at liquid‐nitrogen temperatures. The paper proves, by comparing theoretical results based on 15 K and 100 

K structural data, that the effect on magnetic anisotropy is negligible. 

T4: Nanoporous materials 

There are ongoing activities on zeolite catalysts for deNOx processes, but no publications in 2015.  

T5: Nanoparticles 

The activities on nanoparticles continue to be strong and the unique in situ reactor developed to follow the 

nucleation and growth of nanoparticles in solvothermal reactions is world leading. One study concerned Pt 

and Pt3Gd nanoparticles, which are suitable for applications in micro fuel cells (Saha et al., J. Phys. Chem. C 

2015, 119, 13357). Using X‐ray  total  scattering and PDF analysis  it was  shown  that  the  reduction of  the 

precursor Pt4+ species  takes place via an  intermediate Pt2+ complex before the nucleation of Pt and P3Gd 

nanoparticles. Analysis of in situ PXRD data showed that growth occurs via a combination of aggregation and 

ripening. Another  study  developed  a  hydrothermal  flow  synthesis method  for  Bi  substituted  CeO2,  and 

provided a comprehensive comparison with powders synthesized by conventional batch methods (Houlberg 

et  al.,  Cryst.  Growth  Des.  2015,  15,  3628).  Interestingly,  the  in  situ  PXRD  data  showed  that  pristine 

nanocrystals  are  formed  already  during  mixing  of  the  precursor  solutions,  and  this  has  led  to  the 

development of a new in situ reactor, which is capable of following the reactions already during mixing (first 

beam  time  in  June 2016).  In situ PDF analysis on solvothermal synthesis of TiO2 provided  the  first strong 

evidence  for  the  importance  of  amorphous  structures  in  determining  the  nucleation  of  a  given  crystal 

polymorph (Mi et al., CrystEngComm 2015, 17, 6868). It was shown that the kinetic product anatase is formed 

due to strong structural similarity to cluster existing in the amorphous precursor, and these structures can 

also explain the presence of specific defects in the synthesized nanoparticles. 

T6: High pressure studies 

The activities on flat potential energy surface materials have not been so strong as in previous years, but one 

study explored the high pressure behavior of the linear metal chain compound Co3(dpa)4Br2•CH2Cl2 (Madsen 

et  al.,  Dalton  Trans.  2015,  44,  9038)  as  a  follow  up  to  the  earlier  studies  of  Co3(dpa)4Cl2•CH2Cl2  and 

Cr3(dpa)4Cl2•CH2Cl2. The study demonstrated a nice technical advance since peak broadening resulting from 

non‐hydrostatic conditions in the diamond anvil cell was avoided by annealing the loaded DAC prior to data 

collection. This allowed reliable structural models to be refined up to a pressure of 11.8(2) GPa. On increasing 

pressure, the disordered CH2Cl2 crystal solvent molecule gradually becomes redistributed from one site to 

another. Hirshfeld surface analysis suggests that the redistribution is a result of repulsive H⋯H interactions. 

  

6  

Pressure also affects the molecular geometry, in particular the Co–Co and Co–Br bond lengths which decrease 

by 4% and 12%, respectively, at 11.8(2) GPa. Another study  focused on square‐planar d8‐ML4 complexes, 

which might display subtle local Lewis acidic sites in the axial direction in the valence shell of the metal atom. 

These sites of local charge depletion provide the electronic prerequisites to establish weakly attractive 3c–

2e M∙∙∙H–C agostic interactions. A new characterization method was suggested that probe the response of 

these M∙∙∙H–C interactions under pressure by combined high pressure IR and diffraction studies (Scherer et 

al., Angew. Chem.  Int. Ed. 2015, 54, 2505‐2509). Finally, a meticulous  investigation of  the high‐pressure 

structural behaviour have improved the understanding of the electronic transitions in the topological Kondo 

insulator SmB6 by observation of structural anomalies that earlier studies were not able to identify (Parisiades 

et al., EPL 2015, 110, 66002). 

T7: Energy materials 

The work on advanced energy materials continues to be a very strong activity  in CMC with more than 20 

publications  in 2015. Ammine metal borohydrides have attracted attention as hydrogen and/or ammonia 

storage materials, and trends in syntheses, structures and properties for new ammine metal borohydrides, 

M(BH4)3∙nNH3 were  studied  extensively  (Jepsen  et  al.,  Inorg. Chem. 2015, 54, 7402−7414;  Jepsen  et al., 

ChemSusChem, 2015, 8, 1452 – 1463; Roedern et al.,  Inorg. Chem. 2015, 54, 10477). Extensive  series of 

coordination complexes with systematic variation in the number of ligands were explored, synthe‐sized by 

combined mechanochemistry,  solvent‐based methods,  solid‐gas  reactions  and  thermal  treatment.  New 

series of solvent‐ and halide‐free ammine metal borohydrides M(NH3)n(BH4)2 (n = 1 to 7, M = Mg, Ca, Sr, Y, 

Mn, La, Ce, Gd and Dy) were prepared as crystalline powders and structurally characterised by PXRD, 11B 

NMR and DFT calculations. The detailed effect of nanoconfinement on desorption and cycling properties 

were  investigated  for  a  series  of  LiBH4  based materials  (Javadian  et  al., Nanoenergy  2015,  11,  96‐103; 

Javadian et al., Int. J. Hydrogen Energy 2015, 40, 14916 ‐14924; Javadian et al., J. Phys. Chem. C 2015, 119, 

5819–5826). On the more fundamental side, a very detailed PXRD study led to a complete mapping of the 

bonding network in KBH4 (Bindzus et al., Comp. Theo. Chem. 2015, 1053, 245‐253). Development of aqueous 

solution  synthesis  methods  of  photovoltaic  materials  is  a  huge  and  important  challenge  for  general 

application of thin film solar cells. A significant progress was reported with the synthesis of flexible SnS2 thin 

films and nanosheets (Nørby et al., PCCP 2015, 17, 9282‐9287); characterization of precursor materials lead 

to  discovery  of  new  thiostannate(IV)  complexes  (Nørby  et  al.,  CrystEngComm,  2015,  17,  2413‐2420).  In 

battery research, a comprehensive study was done on the structure and electrochemical properties of the 

bronze polymorph of TiO2 (Søndergaard et al., J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 18667‐18674). Multiphase TiO2‐

based photocatalysts for environmental remediation were studied with a broad range of characterization 

methods (PXRD, EXAFS, EDX, BET, SEM, EPR, DRS) and quantum‐mechanical tools (DFT, DFT+U) to explore 

structural, morphological and electronic properties of differently doped materials  (Rimoldi et al.,  J. Phys. 

Chem. C 2015, 119, 24104‐24115). In thermoelectric research a seminal paper was published in a continuing 

collaboration with  the CAS  Institute of Physics  in Beijing, which pointed out novel ways  to enhance  the 

Seebeck  coefficient  by  charge mobility  engineering  (Sun  et  al., Nature  Comm.  2015,  6,  7475).  Another 

important progress was  the development of a  fast and direct  synthesis  route  to ZnSb, which  is  the  key 

material used by the company TEGnology in development of a Danish thermoelectric generator (Blichfeld & 

Iversen, J. Mater. Chem. C 2015, 3, 10543‐10553). An already highly cited review paper was published on 

thermoelectric  measurement  (Borup  et  al.,  Energy  Environ.  Sci.  2015,  8,  423‐435).  The  thermoelastic 

properties of bcc‐iron were studied with DFT total energy and lattice dynamics calculations (Dragoni et al., 

  

7  

Phys. Rev. B 2015, 91, 104105). By employing the Quasi Harmonic Approximation method the softening of 

the elastic constants was predicted. The method can also be applied to calculate ADPs from first principles, 

as well as anharmonic properties and thermal conductivity of materials. Finally, a contribution was also made 

to the overwhelming topic of CO2 storage with a study of olivine carbonation in supercritical CO2 (Eikeland et 

al., ACS Appl. Mater. Inter. 2015, 7, 5258‐5264) 

T8: Organometallic chemistry 

Although  lithium diisopropyl amide  (LDA)  is one of  the most  common and widely used non‐nucleophilic 

Brønsted bases in industry, its donor‐base free solid‐state crystal structure was only determined in 1991 and 

the aggregation of LDA  in donor‐base free solvents has been unresolved. Using the DOSY‐NMR method a 

reliable  and  straight‐forward  indication  of  the  degree  of  organometallic  aggregation  in  solution  was 

established  (Neufeld  et  al., Angew.  Chem.  Int.  Ed.  2015,  54,  6994‐6998). Another  study  focused on  the 

enhanced bi‐stability in a ruthenium alkynyl spiropyran complex. The ruthenium alkynyl unit appended to a 

spiropyran core prolongs the lifetime of the merocyanine form of the molecule more than twenty‐fold. The 

metal enhances the extent of charge delocalization through donation of electron density  into the organic 

ligand and acts to slow the electrostatically driven ring closing reaction (Walkey, et al., Dalton Trans. 2015, 

44, 8812). The Me‐cAAC: stabilized dimer of SiS2 has been isolated in the molecular form in the compound 

(Me‐cAAC:)2Si2S4. This is the smallest molecular unit of SiS2 characterized by X‐ray crystallography, electron 

ionization mass spectrometry and NMR spectroscopy (Mohapatra et al., Chem. Eur. J. 2015, 21, 12572). 

T9: Electronic materials 

The very productive collaboration with Prof. Hofmann’s group on structure and properties of  topological 

insulators was  continued with  a  study  of  strongly  anisotropic  spin‐orbit  splitting  in  a  two‐dimensional 

electron gas (Michiardi et al., Phys. Rev. B 2015, 91, 035445). 

T10: New methods 

A significant breakthrough was achieved with the introduction of the spin density source function (Gatti et 

al.,  Chem.  Sci,  2015,  6,  3845‐3852).  The  new  approach  helps  to  understand  how  spin  information  is 

transmitted in advanced materials. In the study, the Bader and Gatti source function was firmly extended to 

the  spin  density.  Each  atomic  spin  source  function  contribution may  be  conveniently  decomposed  in  a 

magnetic term and a relaxation term providing a new interpretative tool. A significant new development of 

the maximum entropy method was published with  the  introduction of  the nuclear‐weighted X‐ray MEM 

(Christensen, Acta Crystallogr. Sect. A 2015, 71, 9‐19). The method allows  calculation of pseudo nuclear 

densities based on X‐ray data and it was shown to be much stronger than traditional MEM in revealing subtle 

disorder features. Further development and application of the vacuum PXRD method for measurement of 

extremely accurate  structure  factors was demonstrated  for cubic boron nitride  (Wahlberg et al.,  J. Phys. 

Chem. C 2015, 119, 6164‐6173). As mentioned in the highlight section a groundbreaking development was 

achieved with the first ever PDF study of thin films (Jensen et al., IUCrJ, 2015, 2, 481‐489). The trick was to 

use  transmission geometry and apart  from publication of  the method a detailed study of  thermoelectric 

FeSb2 and FeSb3 was made (Bauers et al., J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 9652–9658). A paper on absorption 

correction  improvements  is already highly cited  (Krause et al.,  J. Appl. Crystallogr. 2015, 48, 3‐10).  In the 

study the quality of diffraction data obtained using silver and molybdenum microsources was compared for 

six model compounds with a wide range of absorption factors. A numerical absorption correction based on 

the positions and indices of the crystal faces was shown to be of limited use for the highly focused micro‐

  

8  

source beams, but fortunately the empirical corrections implemented in SADABS also correct rather well for 

the variations in the effective irradiated volume of the crystal. A broad CMC team at Gøttingen, Aarhus, APS 

and SNS resolved the structure and charge density of [2,2]‐paracyclophane (Wolf et al., Chem. Eur. J. 2015, 

21, 4556‐4560; Wolf et al., Acta Crystallogr. Sect. B 2015, 71, 10‐19). The first study provided insight into the 

famous phase transitions of [2,2]‐paracyclophane. Based on simultaneous Raman spectroscopy and inelastic 

neutron scattering experiments it was shown that a twisting motion of the ethylene bridge perpendicular to 

the plane of the aromatic rings drives the phase transition. The second study provided a comparison of in‐

house and synchrotron data and demonstrated the necessity of measuring accurate low order data. The most 

neglected  systematic  error  in  diffraction  data  is  thermal  diffuse  scattering.  This  is  because  quantitative 

correction for TDS is very complicated. A new empirical correction method may alleviate this (Niepötter et 

al.,  J.  Appl.  Crystallogr.  2015,  48,  1485‐1497).  The  method  was  developed  based  on  charge  density 

investigations  of  [Mg{(pz*)3C}2]  (pz*  =  3,5‐dimethylpyrazolyl),  where  models  derived  from  datasets  at 

different temperatures differ strongly indicating significant TDS. Refinement of resolution‐dependent scale 

factors  can be used  to detect TDS.  Low energy  contamination of mirror  focused X‐rays  is another often 

encountered systematic error, and a new correction scheme was implemented in SADABS an SHELXL (Krause 

et al.,  J. Appl. Crystallogr. 2015, 48, 1907‐1913). Contamination mainly  affects  the 3h3k3l  reflections. A 

correction factor can be determined from the model but  in many cases a default value depending on the 

experimental  settings  is  acceptable.  Determining  aggregation  and  solvation  numbers  of  organometallic 

complexes  in  solution  is  an  important  task  to  increase  insight  in  nucleation  and materials  formation. 

Diffusion‐ordered  NMR  spectroscopy  (DOSY),  which  separates  NMR  signals  according  to  the  diffusion 

coefficient  finds  increasing  use  to  identify  species  in  solution.  A  novel  method  for  molecular  weight 

determination was developed that allow MW‐predictions with a maximum error smaller than ±9% (Neufeld 

et al., Chem. Sci. 2015, 6, 3354‐3364). 

T11: New equipment 

Core‐shell  and  hybrid  nanoparticles  are  targeted  in  numerous  applications  due  to  the  possibility  for 

manipulating properties when combining materials with complementary electronic and structural features. 

The main  difficulty  in  this  field  is  to  develop  synthesis  reactors  that  provide  enough material  (gram  to 

kilogram scale) to enable process characterization and device fabrication. Large scale synthesis of core‐shell 

nanoparticles was achieved in a new dual‐stage supercritical flow‐reactor (Hellstern et al., Ind. Eng. Chem. 

Res. 2015, 54, 8500‐8508). It has already been used in a range of nanoparticle studies, which will be reported 

next  year.  In  thermoelectric  research  it  is well  known  that many  high  performing materials  are  highly 

anisotropic (the best example being Bi2Te3). Since it is time consuming to determine anisotropic properties, 

in general very little is known about them. A significant development was reported through generalization of 

the van der Pauw method  to  resistivity measurement, and  it provides  fast measurement of  the  in plane 

resistivity  tensor.  The  method  was  implemented  on  the  CMC‐developed  high  temperature  transport 

measurement equipment at AU (Borup et al., Phys Rev. B, 2015, 92, 045210). 

Organization and facilities The CMC contract includes hiring of two permanent positions at associate professor level. The first was hired 

in 2014 (Mogens Christensen), and in the fall of 2015 a second open call was announced. The evaluation is 

currently ongoing and hiring is expected in the first part of 2016. This will bring the CMC activities in Aarhus 

to  consist of  five permanent  research groups: Prof. Bo Brummerstedt  Iversen, assoc. prof. Torben René 

  

9  

Jensen, senior scientist Jacob Overgaard, assoc. prof. Mogens Christensen and NN. Indeed a quite remarkable 

strengthening of  the  field of materials crystallography  in  just 6 years. The CMC groups continue  to have 

common  group meetings  every  second week  as well  as  regular  CMC  staff meetings.  The  latter  include 

technical staff and are important to the daily function of CMC and to the overall planning and coordination. 

The daily administration of CMC in Aarhus continues to be in the hands of Jacob Becker (general manager), 

Peter Hald (laboratory manager), Bo Richter  (research technician), Britta Lundtoft (laboratory technician), 

Marianne Sommer (secretary) and Rikke Gjerulff (accounting).  

The main CMC meeting was held  in  June  in  connection with  the annual  review, with participation  from 

Australia, Göttingen, Milano and Aarhus. As usual the meeting provided a wonderful setting for extensive 

exchange of ideas. In June Professor Spackman stayed for a month in Aarhus – a stay that directly resulted in 

a strong publication on interaction energies (Spackman, Cryst. Growth. Des. 2015, 15, 5624). In June many 

CMC members from Milano, Göttingen and Aarhus also gathered in Sardinia at the Sagamore conference on 

Charge, Spin and Momentum densities organized by Dr. Carlo Gatti; an outstanding scientific meeting in a 

stunning location. The second main CMC meeting was supposed to be held in November, but was eventually 

moved to January 2016  in Göttingen with strong attendance from Milano and Aarhus. CMC‐Aarhus alone 

participated with 34 people; following an excellent full day scientific meeting, a wonderful excursion and hike 

was done  in the Harz mountains. Another  important event was Jacob Overgaard’s defense of a Doctor of 

Science dissertation. This followed the Doctor of Science defense that Torben Jensen did a few years ago. In 

2015 the ties between CMC and Japan were significantly strengthened, when Director Masaki Takata became 

adjunct professor at Aarhus University. Professor Masaki Takata is currently heading the Japanese efforts to 

build a new fourth generation synchrotron in northern Japan near Sendai. Furthermore, Bo Brummerstedt 

Iversen became  international guest professor at University of Tsukuba with a shared research group with 

Professor Eiji Nishibori situated at Tsukuba. The close interaction between research groups is coordinated by 

two assistant professors, Hidetaka Kasai (stationed two years in Aarhus), and Venkatesha Hathwar (stationed 

in Tsukuba from May 2016). 

With  respect  to  funding and new projects,  the most  important development was  the decision of Aarhus 

University to officially take lead on building the Heimdal beamline at ESS. The revolutionizing instrument will 

be constructed  in close collaboration with ESS and groups  in Switzerland and Norway. The other CMC  led 

beamline is the DanMAX at MAX4, which is now well under way with funding assured and lead scientists in 

place.  In  close  collaboration with DTU and Copenhagen University, CMC obtained a new grant  from  the 

Innovation Foundation (50 M.kr.) to Link Industry with Neutrons and X‐rays – LINX (to be commenced 2016). 

The project has  initial participation by 16  industrial companies, and the  idea  is that university groups will 

bridge  the use of X‐ray and Neutrons by Danish  Industry. This will be  important  for  the ability of Danish 

industry to take advantage of the huge investment in MAX4 and ESS. Another strong development was a 6 

million kroner grant to Jacob Overgaard and Martin Bremholm from the Villum Foundation to build a new in‐

house ultralow‐temperature single crystal diffractometer with a state of the art pixel detector. 

Every professor who has led a research group knows the challenge of maintaining continuity. Students build 

up expert knowledge through their studies, but how does one assure that this knowledge is not lost when 

they graduate and leave the group? It is all the little details about how to run a certain piece of software or 

operate some vital equipment that makes a research group productive. In CMC we decided to try to tackle 

this problem by building up a central wiki‐page system that everyone can continuously contribute to. The 

  

10  

content is very diverse and spans from manuals for equipment, to theoretical derivation of some important 

equation or general introduction to a certain field. To initiate the CMC wiki‐pages we went on a 3‐day retreat 

in a big summer house at Marslev on the  island of Fuhnen, and the wiki content that was produced was 

fantastic. It is now used by new students in all kinds of subfields, and it is continuously updated. Retreats are 

also great for group dynamic and we certainly plan follow‐up with new wiki‐retreats. 

Finally, it is asked that the annual report comments on scientific conduct and gender issues. The approach to 

assure good  scientific conduct  in CMC was previously detailed  in a  separate document  submitted  to  the 

Danish National Research Foundation, and due to space limitations it will not be repeated here. Similarly the 

issue of gender balance was discussed in detail at an earlier annual review. CMC continues to strongly oppose 

discrimination based on gender,  race, nationality,  sexual orientation,  religion or any other  trait which  is 

irrelevant to scientific research. CMC will continue to strive for equal opportunity for everyone, and to create 

an ambience, where scientific excellence is the common measure for everyone. 

 

 CMC Annual Review and Workshop, June 3‐4th in Aarhus 

 

    Left: Scientific Advisory Committee visit to ESS building site October 2015 – CMC is lead on building the Heimdal beamline. Right: DanMAX 

contract agreement reached at Norsminde Kro (MAX4 Director Christoph Quitman and CMC Director Bo Brummerstedt Iversen). 

 

  

11  

    Members of CMC‐Aarhus and ‐Göttingen at the Sagamore Conference organized by Dr. Carlo Gatti. Right: CMC beamtime‐crew at Spring‐8. 

 

     The amazing CMC football team once again won the trophy of the AU iNANO tournament.  

Right: CMC poster contributions at the 2015 Danish Crystallography & Danscatt meeting 

 

    Jacob Overgaard explains details of charge density studies at his Doctor of Science defence. Right: CMC‐Aarhus hike in the Harz Mountains 

 

  

12  

       Left: Popular science contribution to Aktuel Naturvidenskab (MAX‐IV/ESS theme). Center/Right: Teaching resources on inorganic materials 

chemistry developed for Danish high schools by collaboration between CMC and Dept. of Chemistry, AU. 

 Outlook 

2015 was the first year of CMC‐2. Many PhD students hired in CMC‐1 have now obtained their degrees and 

moved  on  to  successful  careers  in  academia,  teaching  and  industry.  Importantly,  a  new  generation  of 

students and post docs has been hired and they will bring CMC to new heights. The challenge for any large 

research center is to maintain the spirit of adventure and discovery, which keeps everyone pushing in new 

unforeseen directions. In plain words it is a challenge for all mature centers to avoid fatigue and “business as 

usual”. The magic of a university is that every year large numbers of new young students begin their academic 

life with  an  incredible  energy  and  a wonderful wish  to  challenge  existing  knowledge.  CMC  is  strongly 

positioned at the Faculty, and this makes it possible to attract the best local students. In fact in 2015 three 

new  CMC  student  were  admitted  to  the  prestigious  3+5  Elite  PhD  program  due  to  their  outstanding 

qualifications. Since CMC has a strong name in materials crystallography worldwide it is also easy to attract 

top  students and post docs  internationally. CMC  is by  its very construction highly  international, and  this 

dynamic environment is a key to success. In previous years, the close interaction between CMC groups across 

four continents has created novel scientific results, but it is clearly a challenge to keep up this momentum. 

Also in 2015 students were exchanged between laboratories, but with the new generation of CMC members 

the ties have to be continuously fortified. Lots of new projects have been launched and CMC pushes on. 

Signature 

Ved underskriften bekræftes det, at beretning og regnskab med tilhørende noter og oversigter indeholder alle 

relevante oplysninger, som vedrører årets primære aktiviteter i Danmarks Grundforskningsfonds Center for 

Materialekrystallografi. 

 

         

Bo Brummerstedt Iversen 

Aarhus, 31‐03‐2015