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Prof. Dr. Sibylle Gemming
Head of VI Memriox / Group leader Materials Simulation
Non-Equilibrium Thermodynamics
s.gemmingAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2470
Fax: +49 351 260 - 12470

PD Dr. habil. Peter Zahn
Coordinator Helmholtz Virtual Institute MEMRIOX & International Helmholtz Research School NanoNet
p.zahnAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 3121
Fax: +49 351 260 - 13121

Nicht­gleich­ge­wichts-Thermo­dy­na­mik / Simulation von Materialien

Zusammenwirken von Skalierung, intrinsischer Struktur und externen Einflussgrößen

Es werden in enger Kooperation mit den experimentellen Untersuchungen der Abteilung Materialien mit lokalen, skalen- und defekt-bedingten Störungen untersucht. Solche Materialien zeigen aufgrund ihrer geometrischen Abmessungen neuartige physikalische Funktionalitäten. Sie weisen zum Teil anisotrope mechanische, elektronische, und magnetische Eigenschaften, sowie anisotrope Transport-Koeffizienten auf und reagieren damit in komplexer Weise auf externe Einflüsse wie mechanische Belastung, elektromagnetische Felder, oder Temperaturgradienten. Störungen der Idealstrukur können die Eigenschaften signifikant modifizieren oder dominieren, wenn Defekt und Nanostruktur vergleichbar groß sind oder die Abweichung entsprechend stark ist.

Fermi-Fläche von Kupfer
Fermi-Fläche von Kupfer, die Farbe kodiert die inverse effektive Masse der Elektronen, aus A. Weismann et al., Science 323, 1190 (2009)

Die aktuellen Forschungsvorhaben im Bereich der Simulation konzentrieren sich auf die Entwicklung und Anwendung von physikalischen Modellansätzen für die damit verbundenen materialwissenschaftliche Fragestellungen und ihre Übertragung in computergestützte Verfahren. Im Mittelpunkt stehen nanoskalig begrenzte bzw. strukturierte Materialien wie Moleküle, Cluster, Drähte, Röhren, Schichten und Komposite mit komplex gekoppelten Eigenschaften und elektrisch oder magnetisch dotierte Halbleiter für mikro- und nanoelektronische Anwendungen, auch unter Ausnutzung des Spins der Elektronen. Ein besonderes Augenmerk gilt selbstorganisierenden Systemen und deren strukturellen und mechanischen Eigenschaften als Basis der nanoskaligen Elektronik. Ziel dieser Entwicklungen ist eine skalenadaptierte bzw. skalenübergreifende Beschreibung von Materialeigenschaften in Wechselwirkung mit externen Einflussgrößen und deren Validierung im Experiment.

Ausgehend von mikroskopischen Eigenschaften entwickeln wir Modellansätze, mit denen auch größerskalige Festkörpereigenschaften simuliert und im Sinne eines Computer-basierten Materialdesigns optimiert werden können. Die folgenden Methoden bilden die Grundlage dafür. Dichtefunktional-Verfahren dienen zur Berechnung mikroskopischer struktureller, elektronischer und magnetischer Eigenschaften. Mesoskalige, teilchen- und gitterbasierte kinetische Monte-Carlo-Simulationen untersuchen die Struktur- bzw. Domänenbildung in magnetisch frustrierten oder selbstorganisierenden Systemen, wobei Parameter einfließen, die mit Elektronenstrukturmethoden berechnet werden. Zur Ankopplung an die makroskopische Skala wurde ein Hybridmodell entwickelt, das die teilchenbasierte (kinetische) Monte-Carlo-Methode direkt mit der kontinuumstheoretischen Phasenfeld-Methodik zu einem zweiskaligen Modellierungsverfahren für die Strukturentwicklung in Mehrphasensystemen koppelt. Weiterhin werden makroskopische Transportkoeffizienten mit quasi-klassischen Theorien unter Nutzung der mikroskopischen Parameter berechnet.


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