Wärmetransport in neuartigem zweidimensionalem Silizium

• Antragsteller: Professor Dr. Ming Hu
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 267464562

Graphen, mit seiner zweidimensionalen, bienenwabenförmigen Gitterstruktur, hat zahlreiche bemerkenswerte physikalische Eigenschaften. Es kann als Grundbaustein für alle Kohlenstoffallotrope angesehen werden. Seit dem Jahr 2004 hat die Graphenforschung große Fortschritte erzielt und die Aufdeckung neuer physikalischer Phänomene hervorgebracht. Trotz dieser Erfolge gibt es noch Probleme mit den Halbmetalleigenschaften des Graphens sowie der Inkompatibilität mit aktuellen Si-basierten Technologien. Unter der Annahme, dass die bienenwabenförmige Geometrie in Verbindung mit einigen der außergewöhnlichen Eigenschaften steht, liegt es nahe zu untersuchen, ob auch bei einem Austausch des Kohlenstoffs durch ein anderes Element neuartige physikalische Phänomene beobachtet werden können. Eine Möglichkeit stellt zweidimensionales Silizium dar. Das sogenannte Silicene (aus dem Englischen), das Si-Analogon des Graphen, kann die zuvor beschriebenen Probleme lösen und hat daher kürzlich viel Aufmerksamkeit erfahren. Da der Wärmetransport eine entscheidende Rolle in vielen Anwendungen wie der Wärmeableitung in der Nanoelektronik und der thermoelektrischen Energieumwandlung spielt, gibt es einen wachsenden Bedarf die thermischen Transporteigenschaften von Silicene-Strukturen zu charakterisieren. Unsere Vorabuntersuchungen haben ergeben, dass Silicene einige neue thermische Transporteigenschaften aufweist, die sich - trotz der ähnlichen bienenwabenförmigen Gitterstruktur - fundamental von denen des Graphens unterscheiden. Durch diese Eigenschaften, die vornehmlich ihre Ursache in der einzigartig flach geknickten Struktur haben, könnte Silicene neue Möglichkeiten für revolutionäre elektronische Geräte und Energiewandlungsmaterialen eröffnen. Vor diesem Stand der Forschung zielt dieses Projekt auf die theoretische Untersuchung des Wärmetransports in Silicene-Nanostrukturen unterschiedlichster Formen. Die Wärmeleitung in solchen Strukturen zu verstehen ist nicht nur in der Optimierung von nanoelektronischen und thermoelektrischen Anwendungen relevant, sondern stellt auch ein wissenschaftlich grundlegendes Problem in vielen anderen zweidimensionalen Systemen dar. Das Hauptziel dieses Antrags ist es, die wissenschaftlichen Grundlagen weiter auszubauen, welche die Basis für das Verständnis des Wärmetransports in Silicene bilden. Zu diesem Zweck sollen in enger Abstimmung Verfahren der klassischen Molekular-Dynamik-Simulation, ab initio basierte Nonequilibrium-Greens-Function-Berechnungen sowie kombinierte Berechnungen der nicht-harmonischen Gitterdynamik und der Boltzmann-Transport-Gleichung durchgeführt werden. Die Untersuchungen werden voraussichtlich einen großen Fortschritt für das grundlegende Verständnis der Wärmetransportmechanismen in Silicene und in zweidimensionalen Werkstoffen im Allgemeinen liefern, mit dem Potenzial einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung von Hochleistungsnanoelektronik und der Energieversorgung der Zukunft zu leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen