Entwicklung und Anwendung von atomistischen Methoden zur Bestimmung von optoelektronischen Eigenschaften von Defekten in zweidimensionalen Halbleitern

• Antragsteller: Dr. Michael Lorke
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525065834

Die wahre Flut an Grundlagenforschung zu 2D-Halbleitern hat das hohe Potenzial dieser Systeme in vielen Anwendungsbereichen der Mikro-/Optoelektronik, Photovoltaik/Katalyse und Energieum-wandlung/-speicherung aufgezeigt. Die meisten davon erfordern Kenntnisse über Defekte, die das Verhalten des Geräts beeinflussen oder überhaupt ermöglichen. Die Berechnung der elektronische Struktur von Defekten in 2D-Systemen stellt eine neue Herausforderung für die theoretische Defektphysik dar, da alle bekannten Austauschfunktionen innerhalb der Dichtefunktionaltheorie eine homogene und isotrope Abschirmung voraussetzen, was bei Schichtsystemen offensichtlich nicht der Fall ist. Belastbare Ergebnisse für Defekte können, wie wir gezeigt haben, nur mit Koopmans-konformen Funktionalen erhalten werden die zudem die Bandlücke reproduzieren. Während dies durch semi-empirische Hybridfunktionale im Volumenhalbleiter erreicht werden kann, kann aufgrund der induzierten Inhomogenität der Abschirmung nicht die gleiche Genauigkeit in einer ein-zelnen Schicht oder an einer Oberfläche des Materials erreicht werden. Wir haben kürzlich ein neues Austauschfunktional entwickelt, die die erforderlichen Kriterien erfüllt, indem es die mikroskopi-sche Abschirmung in Volumen-Halbleitern nachbildet. In diesem Projekt wollen wir dieses Funktio-nal auf inhomogenes und anisotrope Situationen erweitern und es anwenden, um eine Reihe von technologisch relevanten Fragen zu Defekten in 2D-Systemen zu beantworten. Wir werden untersu-chen, wie die Anzahl der Schichten die elektronische Aktivität von Defekten in Schichtsystemen beeinflusst und wie Defekte in gekapselten Monolagen oder im Substrat die optischen und elektro-nischen Eigenschaften in van-der-Waals-Heterostrukturen beeinflussen. Desweiteren können wir Gleichgewichtspositionen von intrinsischen Defekten und kleinen Polaronen in Bezug auf die Ober-fläche untersuchen, was eine kritische Frage für die Photokatalyse ist. Wir werden zur Validierung Vielteilchen-GW-Berechnungen (soweit möglich) sowie direkte Vergleiche zum Experiment (im Rahmen einer Kooperation) verwenden. Das Projekt wird Vorhersagen in einer Vielzahl von Systemen liefern, die hexagonales Bornitrid, Galliumselenid, Wolfram- und Molybdändichalkogenide umfassen. Die hier entwickelte Methodik wird auch für die Berechnung der elektronischen, optischen und katalytischen Eigenschaften von Schichtmaterialien oder Halbleiteroberflächen von Bedeutung sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen