Ab initio Simulation magnetokalorischer and elektrokalorischer Effekte in nanostrukturierten Filmen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Anna Grünebohm
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 227381001

In diesem Projekt werden wir unsere bisherige erfolgreiche Untersuchung und Optimierung von adibatischen Temperaturänderungen in ferroelektrischen und ferromagnetischen Materialien unter angelegten externen magnetischen und/oder elektrischen Feldern fortsetzten. Neben den einzelnen kalorischen Effekten liegt ein besonderer Fokus darauf, die Kopplung zwischen magnetischen, ferroelektrischen, und Gitterfreiheitsgraden zur Optimierung von kalorischen Effekten zu untersuchen und neue Wege zu erforschen, diese Kopplung nutzbar zu machen.Unsere Ziele sind vor allem das bessere Verständnis der physikalischen Effekte, die zu riesigen Temperaturänderungen führen, bzw. diese verhindern, und die Optimierung der kalorischen Response bei Raumtemperatur.Unser Hauptfokus liegt dabei auf dünnen Filmen und Heterostrukturen basierend auf den ferroeletrischen Materialsystemen (Ba,Sr)TiO3, metamagnetischen Heuslerlegierungen Ni-Mn-(Sn,Ga,In) und dem multiferroischen System (Sr,Ba)MnO3.Methodisch nutzen wir zum einem die Dichtefunktionaltheorie um die elektronische und magnetische Struktur der Materialien auf ab initio Basis zu untersuchen. Zum anderen werden die Systemeigenschaften bei endlichen Temperaturen und/oder endlichen Feldern mittels Monte-Carlo und Molekulardynamik-Simulationen untersucht. Sowohl für magnetische als auch für ferroelektrische Materialien werden hierzu Modelle (Spin-Gittermodell, effektiver Hamiltonian basierend auf der ferroelektrischen Gitterverzerrung) genutzt, die mittels ab initio Rechnungen parameterisiert werden und die die magnetischen und ferroelektrischen Phasendiagramme in guter Übereinstimmung zum Experiment beschreiben.Diese Methode erlaubt es uns, die kalorischen Eigenschaften in Abhängigkeit von epitaktischer Verspannung und Änderungen der chemischen Zusammensetzung zu untersuchen und zu optimieren. So kann beispielsweise der maximale kalorische Effekt in NiMn(Sn,Ga) durch Co oder Cr Dotierung zu niedrigeren Temperaturen verschoben und gleichzeitig vergrößert werden. Dieses erfolgreiche Materialdesign wird für beide Materialklassen fortgeführt. Vor allem in der Nutzung von mutiferroischen Materialien sehen wir ein hohes Potential für eine gesteigerte Temperatur- und Entropieänderung, wenn die magnetischen/ferroeletrischen Freiheitsgrade simultan ordnen. Daneben können multiferroische Kopplungen z.B. genutzt werden um die riesige kalorische Response von metamagnetischen Materialien durch eine externes elektrisches Feld anzuregen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1599: Kalorische Effekte in ferroischen Materialien: Neue Konzepte der Kühlung
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Partnerorganisation: Schweizerischer Nationalfonds (SNF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Claude Ederer