Modellierung elektronischer und struktureller Dehnungseffekte in Korngrenzen von Oxidhalbleitern

• Antragsteller: Professor Dr. Karsten Albe
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317610723

Der Einfluss mechanischer Spannungszustände auf die elektronische Leitfähigkeit dotierter und un-dotierter Korngrenzen in piezoelektrischen Oxiden wird mit Hilfe von Elektronenstrukturrechnungen auf Grundlage der Dichtefunktionaltheorie (DFT) und atomistischer Modellierung untersucht. Die Rechnungen haben zum Ziel, die chemische und strukturelle Rekonstruktion von Korngrenzen verschiedener Orientierung als Funktion der Feldgrößen mechanische Spannung/Dehnung, Temperatur und Sauerstoffpartialdruck zu modellieren und den Einfluss auf die elektronische Zustandsdichte vorherzusagen. Darauf aufbauend sollen Vorhersagen zum Beitrag der Korngrenzen zur elektrischen Leitfähigkeit gemacht werden. Dabei ist von besonderem Interesse, wie die mechanischen Feldgrößen an die Verteilung von Dotanden, freiem Volumen und die elektronische Struktur der Korngrenzen ankoppeln und welche Kopplung an elektrische Feldgrößen zu erwarten ist. Insbesondere sind detaillierte Untersuchungen an Bikristallanordnungen für Korngrenzen verschiedener Orientierung (Kipp- und Drehgrenzen) unter ein- und mehrachsiger mechanischer Belastung geplant. Mit Hilfe berechneter Aktivierungsbarrieren für diffusiven Transport von intrinsischen und extrinsischen Defekten im Bereich mechanisch belasteter Korngrenzen soll zudem abgeschätzt werden, welchen Einfluss eine Wärmebehandlung unter mechanischer Last auf die Korngrenzeigenschaften hat und wie die charakteristischen Zeitskalen für strukturelle Umordnungsprozesse sind. Um den Einfluss der Gefügeparameter auf die beobachteten Effekte modellieren zu können, sind molekularstatische und molekulardynamische Rechnungen geplant, für die klassische interatomare Potentiale zum Einsatz kommen werden. Perspektivisch zielen die Simulationen darauf ab, die wesentlichen physikalischen Parameter zu identifizieren und zu quantifizieren, welche zur Modellierung von mechanisch abstimmbaren Bauteilkennlinien notwendig sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen