Atomistisches Design des thermischen und elektrischen Transports in Materialien mit Versetzungen: Von der Hochleistungselektronik zur Thermoelektrik

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Frauenheim
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429844621

Jüngste Fortschritte in der Kontrolle von Dislokationen in der Materialsynthese weisen auf neue Wege hin, ein Engeneering von Dislokationen in Nanomaterialien durchzuführen. Um diesen Ideen zum Durchbruch zu verhelfen und die Synthese der Materialien mit maßgeschneiderten Dislokationen zu steuern, bedarf es genauer Modellvorstellungen für die Dislokations-Transport Eigenschaftskorrelationen. Wir schlagen deshalb vor, die atomistischen Modellierungstechniken für das grundlegende Verständnis und die Vorhersage von Struktur-Transport Eigenschaften über einen weiten Mate-rialbereich unter Einbeziehung von Dislokationen weiterzuentwickeln. Die ausgedehnten Span-nungsfelder und das dynamische Flattern der Dislokationen und ihre Auswirkung auf die el-ektronischen Eigenschaften sind quantitativ und effizient mittels der Dichtefunktionaltheorie-basierten Tight-Binding Methode gut behandelbar. Um gleichzeitig auch entsprechende Vorher-sagen bezüglich der thermischen Eigenschaften zu ermöglichen, schlagen wir vor die DFTB-Methode zu verknüpfen mit (i) einer Vielteilchen-Nichtgleichgewichts-Green´s Functions Näher-ung für den quanten-phononischen Transport mit Berücksichtigung interatomarer Anharmo-nizitäten; (ii) einer Gleichgewichts Objective Molekulardynamik für die Berechnung der Pho-nonenbandstruktur, der Lebensdauern und Gruppengeschwindigkeiten; und (iii) einer Wel-lenpaketmethode für das Studium der Phononenausbreitung und Streuung. Wir werden diese theoretischen Werkzeuge einsetzen, um nach Wegen zu suchen, eine mini-male oder maximale gitterthermische Leitfähigkeit einzustellen, während gleichzeitig eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit mit großem Seebeck-Koeffizienten in Bulkmaterial und in ein- und zwei-dimensionalen Materialien aufrechterhalten bleiben soll. (i) Simulationen der Dislokationen in Bulkmaterialien werden helfen, die experimentell beobachteten starken Verbesserungen der thermoelektrischen Gütefaktoren mit niedrigen thermischen Leitfähigkeiten und eingebetteten dichten Dislokationsfeldern entlang der Korngrenzen besser zu verstehen. (ii) Andererseits sind Nanodrähte interessante Strukturen um eine hohe themoelektrische Wirkung zu erreichen. Jedoch ist der Einfluss von Dislokationen in ihrem Kern auf die thermoelektrischen Eigenschaf-ten bisher noch unerforscht. Die Simulation von dislokierten Nanodrähten sind darauf aus-gerichtet, neue wichtige Mechanismen (Phononen-Dislokation-Streuung) aufzudecken und die thermoelektrischen Kenndaten weiter zu verbessern. (iii) Weiterhin sind zwei-dimensionale Ma-terialien enorm wichtig für Anwendungen in nanoelektronischen Bauelementen. Allerdings neig-en die Dislokationsfelder an ihren Korngrenzen dazu, unerwuenschte Effekte, wie beispielsweise eine starke Selbstaufheizung zu bewirken. Die Simulationen sollen hier beitra-gen, Dislokationsfeldmodelle zu entwickeln, die einen optimalen elektrischen Transport zeigen, bei gleichzeitig minimaler Wärmeerzeugung an den Korngrenzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen