Ab initio Beschreibung von laserinduzierten, ultraschnellen Phänomenen an Oberflächen und Grenzflächen

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Ezequiel Garcia
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 328175242

Bei ultraschnellen Phänomenen, die durch Femtosekundenlaserpulse hervorgerufen werden, geht man davon aus, dass sie meistens nichtthermisch sind oder zumindest einen nichtthermischen Ursprung haben. Dies wird durch viele experimentelle Hinweise unterstützt. So wurden Effekte wie die Anregung von kohärenten Phononen, Phonon Squeezing, ultraschnelles Schmelzen und das Schwächen bzw. Stärken von atomaren Bindungen direkt gemessen oder aus Messungen abgeleitet. Unsere Gruppe hat eine enorme Erfahrung in der erfolgreichen Beschreibung und der Vorhersage von nichtthermischen, strukturellen Phänomenen, die durch ultrakurze Laser- und/oder XUV-Pulse hervorgerufen werden. Wir haben ein Computer-Programm namens CHIVES entwickelt, das die Möglichkeit bietet, Molekulardynamik-Simulationen von laserangeregten Materialien durchzuführen. Im Vergleich zu anderen ab initio Programmen ist CHIVES bei gleicher Genauigkeit ungefähr zweihundertmal schneller. Da zum einen viele Experimente an dünnen Filmen gemacht werden, und da zum anderen die meisten Anwendungen von Laser-Festkörper-Wechselwirkungen auf die Bearbeitung von Oberflächen (z.B. Nanostrukturierung) abzielen, ist es eine Herausforderung für die Theorie, laserinduzierte ultraschnelle Phänomenen an Oberflächen und in dünnen Filmen zu simulieren. Bis jetzt konnte aber noch keine ab initio Theorie von nichtthermischen Effekten an Oberflächen oder in dünnen Filmen durchgeführt werden. In diesem Projekt planen wir die Simulation von ultraschnellen, nichtthermischen Effekten in (1) einem dünnen Siliziumfilm, (2) einem aus Si/SiC bestehenden Übergitter und (3) einem dünnen Si/SiC-Film. Für die atomare Beschreibung dieser Systeme ist die Konvergenz, bedingt durch technische Gründe, sehr schlecht und würde somit die Simulationen unmöglich machen. Daher ist es notwendig, die Geschwindigkeit von CHIVES weiter zu erhöhen, indem die Konvergenz der zugrundeliegenden, selbstkonsistenten Berechnungen verbessert wird. Durch die geplanten Simulationen erwarten wir, neue nichtthermische Effekte vorhersagen zu können, wie z.B., die Unterdrückung von Schmelzen an der Oberfläche (sogenanntes "premelting") oder anormaler Diffusion von C Atomen an der Si/C Grenzfläche. Dies könnte zur Entstehung eines neuen Wisschenschaftszweigs in der Nichtgleichgewichtsphysik und zu neuen Anwendungen führen. Desweiteren ist die Behandlung eines dünnen Filmes Si/SiC der erste Schritt in die Richtung einer realistischen Beschreibung von oxidierten Oberflächen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen