Zuverlässige Dichtefunktionaltheorie für Festkörper

Die Entwicklung funktioneller Materialen ist von großer wissenschaftlicher Bedeutung und Taktgeber für Innovationen. Erfolgreiche technologische Anwendungen neuartiger Materialen setzen allerdings ein tiefgreifendes mikroskopisches Verständnis der für Materialen relevanten Prozesse voraus. Quantenmechanische atomistische Simulationen, die solch ein Verständnis auf kleinsten Längenskalen ermöglichen, sind daher Standard der modernen Forschung. Um mit solchen Simulationen zuverlässige Vorhersagen von physikalischen und chemischen Materialeigenschaften zu treffen, sind präzise und gleichzeitig effiziente theoretische Methoden jedoch unverzichtbar. Innerhalb dieses Projekts sollen auf Dichtefunktionaltheorie (DFT) basierende Simulationsmethoden weiterentwickelt werden, um eine zuverlässige Berechnung der elektronischen Eigenschaften komplexer Festkörper zu ermöglichen. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf transition-metal oxides (TMOs) und organic-inorganic halide perovskites (OIHPs), welche für eine Reihe von zukünftigen technologischen Anwendungen in der Photovoltaik und heterogenen Katalyse oder für neuartige Hybdrid-Bauelemente von großer Bedeutung sind. Diese Festkörper sind aber auch hervorragende Testsysteme für eine eingehende Prüfung moderner quantenmechanischer Methoden, da ihre zuverlässige Simulation zahlreiche Herausforderungen mit sich bringt. So wird mit etablierten DFT Näherungen die Energie der Bandlücke oft massiv unterschätzt und die Beschreibung von lokalisierten elektronischen Zuständen dieser Festkörper ist in vielen Fällen fehlerhaft. Im Rahmen dieses Projekts sollen neue DFT Methoden entwickelt werden, die eine zuverlässige theoretische Beschreibung dieser hochinteressanten Materialklassen ermöglichen. Zu diesem Zweck schlage ich vor, so genannte optimally-tuned range- separated hybrid (OT-RSH) Dichtefunktionale weiter zu entwickeln, um die elektronischen Eigenschaften von komplexen Festkörpern zuverlässig berechnen zu können. Diese Dichtefunktionale erfüllen gewisse theoretische Eigenschaften, weshalb sie innerhalb der Methodik konsistent sind. Dadurch lässt sich eine gezielte systemspezifische Beimischung von exakter Austauschwechselwirkung realisieren, wodurch Anregungsprozesse und die elektronische Struktur von Materialien mit großer Genauigkeit berechnet werden können, wie in den vergangenen Jahren eindrucksvoll für endlich große Systeme wie Moleküle und für schwach wechselwirkende Festkörper demonstriert wurde. In diesem Projekt soll diese vielversprechende Simulationsmethode nun so weiterentwickelt werden, dass sie auch für die akkurate Simulation von stark wechselwirkenden Festkörpern geeignet ist. Von den Ergebnissen dieses Projekts erwarte ich mir eine umfassende Weiterentwicklung in der theoretischen Beschreibung von komplexen Festkörpern auf Basis zuverlässiger DFT Methoden. Ich bin aber auch davon überzeugt, dass unsere atomistischen Simulationen der hochaktuellen TMOs und OIHPs das mikroskopische Verständnis der relevanten Prozesse und Eigenschaften dieser faszinierenden Materialien weiter ausbauen werden.

Der stetig wachsende Energiebedarf macht das Erforschen von neuartigen, ressourcenschonenden Energieträgern unumgänglich. Das Ziel der Photovoltaik ist es, möglich effizient und kostenschonend Sonnenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Die zentrale Herausforderung weltweiter Forschungsbestrebungen ist dabei die Implementierung von verbesserten halbleitenden Materialien in neuen Solarzellen, was zu einer Trendwende in diesem Bereich führen könnte. Das Hauptziel dieses Projekts war ein grundlegendes Verständnis von Materialen im Bereich der Photovoltaik aufzubauen und damit die entsprechenden Bauelemente wie zum Beispiel Solarzellen zu verbessern. Innerhalb der letzten Jahre wurde in dieser Richtung ein wissenschaftlicher Durchbruch erzielt: So genannte organisch-anorganische Perowskite wurden für Solarzellen entdeckt und haben eine bis dato unerreichte Entwicklung in der Effizienzsteigerung provoziert. Diese Perowskitmaterialien sind auch deshalb von so großem Interesse, weil man sie relativ günstig und einfach herstellen kann. Von rein wissenschaftlicher Seite sind diese Systeme auch extrem interessant, da es immer noch viele Unbekannte gibt und man sich nicht sicher ist, was dem herausragenden technologischenPotential von Perowskitsolarzellen fundamental zu Grunde liegt. Unser Ziel war daher, diese Materialien physikalisch zu untersuchen und damit eventuell das Rezept des Erfolgs von Perowskiten zu entdecken, was uns in der Zukunft dabei helfen könnte, noch bessere Systeme vorzuschlagen. Zu diesem Zweck haben wir Computersimulationen durchgeführt, welche es uns erlauben, Materialien im Detail, auf kleinsten Längenskalen, zu beschreiben. Mit diesen Methoden haben wir sowohl wichtige theoretische Vorhersagen als auch umfassende Charakterisierungen gemeinsam mit experimentellen Partnern vorgenommen. Unsere wohl wichtigsten Erkenntnisse betreffen das Verhalten von Ladungsträgern in diesen Systemen und neue Einsichten in zu diesem Zeitpunkt unverstandene Phänomene, speziell was den Ionentransport und die ungewöhnliche strukturelle Dynamik von Perowskiten betrifft. Ein weiterer wichtiger Aspekt unserer Arbeit war es, die theoretische Beschreibung von Materialien, vor allem von Grenzflächen zwischen Metallen und Halbleitern, zu verbessern. Derartige Grenzflächen sind ein zentrales Element von modernen Bauelementen wie zum Beispiel Solarzellen. Hier konnten wir neue Modelle im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie entwickeln, welche eine genauere und gleichzeitig effiziente Beschreibung von physikalischer Observablen dieser wichtigen Systeme ermöglichen.