Entdeckung funktionaler Oxide durch Quantenalchemie der nächsten Generation (DISCOFOX)

• Antragsteller: Professor Dr. Guido Falk von Rudorff
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 576690633

Viele aktuelle Technologien zur nachhaltigeren Energiegewinnung und -nutzung, Mobilität und Umweltsanierung hängen entscheidend von den Eigenschaften funktionaler halbleitender Oxide ab. Von Festkörperbatterien über Brennstoffzellen bis hin zu elektro- und photokatalytischen Anwendungen sind Oxide sowohl Grundlage der Funktionalität als auch Engpass bei der Entwicklung leistungsfähigerer Geräte, für die bessere Eigenscahften bei niedrigen Kosten, einfacher Verfügbarkeit, Sicherheit und Stabilität erforderlich ist. Theoretische Ansätze sind aufgrund der Vielzahl potenzieller Systeme kosten- und ressourcenintensiv. Obwohl Modelle des maschinellen Lernens an Popularität gewinnen, benötigen sie große Mengen an Trainingsdaten und sind interpolativer Natur. Daher sind Methoden wünschenswert, die keine aufwändige Erstellung großer systemspezifischer Datenbanken erfordern. In diesem Projekt schlagen wir eine solche Methode vor: einen perturbativen Elektronenstrukturansatz zur Entwicklung funktionaler Oxide mit gewünschten Eigenschaften, der auf ab-initio-Rechnungen und nicht auf statistischen Modellen basiert. Ähnliche Ansätze waren bei molekularen Systemen erfolgreich, konnten aber bisher nicht auf Materialien übertragen werden, da dafür die Unterschiede in der elektronischen Struktur und die halbleitende Natur der Systeme berücksichtigt werden müssen. Durch rechnerische Variation der Kernladungen lassen sich ansonsten unabhängige Systeme über eine kontinuierliche Interpolation des Hamilton-Operators miteinander verbinden. Die entsprechenden alchemischen (aber physikalisch wohldefinierten) Ableitungen verbinden diese Systeme und ermöglichen ein Materialdesign entlang der Gradienten in Bezug auf Zusammensetzung. Zielgrößen sind Stabilität, Defektenergien, Bandlücken und Bandstruktur - Eigenschaften, die für die Materialentwicklung von Nutzen sein können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen