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Wir suchen Studierende

Wir suchen immer begabte und engagierte Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, die Bachelor- oder Masterarbeiten machen wollen.
Zum Kennenlernen bietet sich unser Praktikum im Wintersemester an:  260043 PR Praktikum Computational Quantum Mechanics

Bei uns gibt es zwei grundsätzliche Arbeitsfelder:

1. Anwendung von VASP auf aktuelle Probleme in der Materialforschung
Gefragt: Solides Grundwissen in Festkörperphysik und Thermodynamik. Programmierkenntnisse nicht unbedingt erforderlich

2. Entwicklung neuer Methoden für VASP
Gefragt: Viel Freude an Mathematik und theoretischer Physik, Interesse an Quantenfeldtheorie, Programmierkenntnisse

Kontakt:   cmp.univie.ac.at; georg.kresse@univie.ac.at; 01-4277-51401


Womit wir uns beschäftigen

Die Computergestützte Materialphysik ist eines der am schnellsten wachsenden und spannendsten Gebiete in der Physik und Chemie. Sie ermöglicht, Eigenschaften von Festkörpern, Flüssigkeiten und Molekülen auf dem Computer zu berechnen, anstatt diese mit großem Aufwand experimentell zu messen. Dazu ist eine quantenmechanische Behandlung der Elektronen notwendig.

In unserer Arbeitsgruppe entwickeln wir das Programmpaket VASP (Vienna ab-initio Simulation Package), das weltweit führend auf diesem Gebiet ist. Es wird von über 2500 Forschungsgruppen in Industrie und Wissenschaft verwendet.

Die Grundlage für alle Anwendungen in größerem Maßstab ist die Dichtefunktionaltheorie von Walter Kohn. Durch diese bahnbrechende Methode können wir Systeme mit bis zu einigen tausend Atomen auf heutigen Computern berechnen. Darüber hinaus verbessert und erweitert unsere Forschungsgruppe VASP ständig. Wir konzentrieren uns in der Entwicklung neuer Methoden auf Verfahren aus der Quantenfeldtheorie und Quantenchemie.

Mit VASP forschen wir in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen: Halbleiter, Oberflächenphysik und -katalyse,  Nanostrukturen, unkonventionelle magnetische Materialien und Zeolithe. Unsere Forschung hilft uns zu definieren, um welche Leistungsmerkmale VASP erweitert werden soll.

Die exakte Schrödingergleichung

 

Beinahe die gesamte Festkörperphysik wird durch die Schrödingergleichung für viele Elektronen beschrieben:


                 
                    H Ψ = E Ψ



Leider ist diese aber bereits für einige wenige Elektronen auch auf den besten Supercomputern nicht mehr direkt lösbar: die Wellenfunktion von nur 10 Elektronen benötigt mehr Speicherplatz, als weltweit überhaupt verfügbar ...

Wie gehen wir dann mit Millionen von Elektronen in Festkörpern um?

Dichtefunktionaltheorie

Elektronendichte eines elektronischen Defektzustandes an der Oberfläche eines Anatase-Kristalls (TiO2) mit DFT berechnet.

 

Die Dichtefunktionaltheorie (DFT) war ein großer Durchbruch, da die Viel-Elektronen-Schrödingergleichung durch eine Ein-Elektronen-Gleichung ersetzt wird.

Die Coulombabstoßung zwischen den Elektronen wird zum Teil in einem effektiven Potential (Austausch-Korrelations-Potential) versteckt, welches nur von der Elektronendichte abhängt (daher der Name DFT).


Die exakte Form dieses Potentials ist zwar nicht bekannt, doch bereits einfache Näherungen liefern eine hinreichende Genauigkeit für viele praktische Anwendungen.

Quantenfeldtheorie

GW-Diagramm: Diagramme können leicht in Integrale übersetzt werden und helfen dabei, einen Überblick in der unendlichen Störungsreihe für die Greensfunktion zu behalten.

Da die DFT leider nichts über angeregte Zustände aussagt, setzt man Methoden aus der Quantenfeldtheorie (QFT) ein.

Die QFT beschreibt die Bewegung (Propagation) eines Teilchens durch ein Elektronengas, in dem es Elektronen-Loch-Paare anregt.

Häufig verwendet man in der Festkörperphysik die sogenannte GW-Näherung, in der man nur bestimmte Arten von Prozessen für die Propagation berücksichtigt.

Der Nachteil dieser Methoden ist der enorme Rechenaufwand, weshalb eine GW-Rechnung nur für wenige Elektronen durchführbar ist.

Quantenchemie

Die Wellenfunktion hat dort, wo zwei Elektronen zusammentreffen, einen sog. Cusp (dt. Scheitel) der mit ein Grund für Schwierigkeiten bei der Berechnung der exakten Wellenfunktion ist.

 

In der Quantenchemie versucht man, eine besonders hohe Genauigkeit zu erzielen, weshalb DFT nicht eingesetzt werden kann.

Es spielen vielmehr Verfahren für die direkte Berechnung der Viel-Elektronen-Wellenfunktion Ψ eine große Rolle. Allerdings ist der Rechenaufwand dafür, außer für die einfachste dieser Methoden, die Hartree-Fock Methode, sehr hoch.

Aufgrund der zusehends effizienteren Algorithmen und schnelleren Computer werden diese Methoden in den letzten Jahren auch für die Festkörperphysik immer interessanter.

Halbleiterphysik

Schematische Bandstruktur eines Halbleiters. Rot eingezeichnet ist der indirekte Übergang (mit Impulsübertrag), grün der direkte (ohne Impulsübertrag).

 

Halbleiter sind in unserer Welt allgegenwärtig: in Computern, Handys, Bildschirmen, Solarzellen ...

Die Entwicklung verbesserter Halbleiter ist daher ein wichtiges Forschungsgebiet.

Ein Nachteil der heute weit verbreiteten Elemente Silizium und Germanium ist der indirekte Übergang der Elektronen vom Leitungs- ins Valenzband, der durch Licht nicht angeregt werden kann. Das führt z. B. zu verminderter Stromausbeute in Solarzellen.

Wir untersuchen neuartige Halbleitermaterialien mit direkten Bandübergängen, z. B. Legierungen von Germanium mit Zinn und Kohlenstoff.

Aufbau einer gewöhnlichen Silizium-Solarzelle. Wir untersuchen die Grenzschicht zwischen reinem Silizium (gelb) und Siliziumnitrid (blau) und die darin auftretenden Defekte.

Solarzellen

 

Solarzellen sind vielleicht die wichtigste Energiequelle der Zukunft. Wir beschäftigen uns in der Forschung sowohl mit unkonventionellen neuen Solarzellen aus billigen Rohstoffen als auch mit traditionellen Solarzellen, die aus Silizium hergestellt werden.

Im Rahmen des EU-Projekts HiperSol wollen wir zusammen mit unseren europäischen Partnern den Wirkungsgrad erhöhen.

Dabei konzentrieren wir uns auf die Oberfläche: die Schutzschicht aus Siliziumnitriden und die elektrischen Kontakte aus Silber.

 

Nichtleiter-Metall-Übergang in LaMnO3: die Bandlücke zwischen Leitungs- und Valenzelektronen schließt sich bei Anwendung eines äußeren Drucks.

Oberflächenpysik

 

An Oberflächen bzw. Grenzflächen finden viele wichtige chemische und physikalische Prozesse statt, z.B. Korrosion (das Rosten von Eisen), Katalyse oder das schrittweise Zusammenfügen eines Mikrochips auf einer Halbleiterscheibe.


In unserer Gruppe erforschen wir, wie sich Festkörperoberflächen im Nanobereich strukturell, elektronisch und magnetisch verändern können.

Dies erfolgt in Zusammenarbeit mit dem Oberflächenphysik-Labor der TU Wien, das von Prof. Ulrike Diebold geleitet wird.

Oxide

Nichtleiter-Metall-Übergang in LaMnO3: die Bandlücke zwischen Leitungs- und Valenzelektronen schließt sich bei Anwendung eines äußeren Drucks.

 

Übergangsmetalloxide (transition metal oxides, TMOs) sind eine häufig in der Erdkruste vorkommende Stoffklasse. Sie werden in der Katalyse, der Elektronik oder der alternativen Energiegewinnung genutzt.

Sie haben eine Vielzahl erstaunlicher physikalischer Eigenschaften, die von ihren nur teilweise besetzten d-Schalen herrühren. Diese Elektronen sind stark korreliert und ihre Beschreibung erfordert meist Methoden, die über die herkömmliche DFT hinausgehen.

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