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Projekt
Theoretische Untersuchungen zur Ionenbewegung in kristallinen Materialien
Antragsteller
Professor Dr. Timo Jacob
Fachliche Zuordnung
Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
Förderung
Förderung seit 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428906592
Migration und Diffusion von Ionen oder Atomen auf einer Oberfläche oder in Feststoffen ist sowohl für unser grundlegendes Verständnis der Mobilität als auch für verschiedene Anwendungen von Energiespeichern über Brennstoffzellen bis hin zu Membranen, Polymeren, Sensoren und vielen anderen von Bedeutung. Während bereits schon unterschiedliche experimentelle Methoden entwickelt wurden, um atomar aufgelöste Informationen über die Ionenbewegung zu bekommen, ist die Modellierung häufig auf sehr limitierte und idealisierte Modellsysteme beschränkt. Um allerdings die volle Komplexität der Ionenbewegung in realistischen Materialien zu untersuchen, ist eine multiskaliger Ansatz vonnöten, welcher es zum einen erlaubt, die Migrationsprozesse konzentrationsabhängig zu beschreiben, und zum anderen auch die strukturelle Diversität, z.B. Defekte oder Korngrenzen, abdeckt. In diesem Projekt soll die Beziehung zwischen der Struktur (und Zusammensetzung) und dem Transportverhalten von kationischen Spezies in kristallinen Perowskiten, im speziellen STO als Modellsystem, untersucht werden, mit dem Ziel, die komplexe Energielandschaft in diesen Feststoffen aufzulösen. Unsere bisherigen Arbeiten an bulk-STO und symmetrischen Korngrenzen sollen hier nun fortgeführt und erweitert werden. Dabei soll zum einen der Transport unterschiedlicher Alkali-Kationen in Nb- und Fe-dotiertem STO betrachtet werden und zum anderen unterschiedliche Korngrenzen und Versetzungen untersucht werden. Unter Verwendung unterschiedlicher theoretischer Methoden (DFT+U, ReaxFF, ML-FF bis hin zu kMC) und in enger Zusammenarbeit mit den experimentellen Gruppen (P4-Jooss, P3-Volkert und P8-Gottfried) soll zunächst die Struktur der Korngrenzen und Versetzungen aufgelöst werden. Zusammen mit den CAIT-Experimenten in Projekt P1 und den APT-Konzentrationsprofilen von P3 soll dann der Ionen-Transport an diesen Systemen untersucht werden. Abschließend werden kinetische Monte-Carlo Simulationen unter Einfluß von Ionengradienten den Zugang zu größeren Zeit- und Längenskalen ermöglichen, mit dem Ziel, das CAIT-Experiment nachzubilden (P1 Weitzel). Auch diese Simulationen lassen sich mit den Experimenten im Projekt P1 (Weitzel) und den Strukturanalysen in den Projekten P3 (Volkert), P4 (Jooss) und P2 (Vogel) verbinden.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
