Theoretische Entdeckung von p-dotiertem BiFeO3: Methoden, Screening und Anwendungen

• Antragsteller: Dr. Julian Gebhardt
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 282812369

Das Projekt beinhaltet drei miteinander verzahnte Forschungsziele. Im Fokus steht dabei p-dotiertes BiFeO3 (BFO) mit dem übergeordneten Ziel, geeignete Materialien für p/n-Übergänge in BFO zu finden, um damit elektronische Halbleiterschaltungen sowie Photovoltaik aus Metalloxiden zu ermöglichen.Im ersten Forschungsziel sollen effektive theoretische Modelle, die sich für Produktionsrechnungen eignen (wie Hybrid-DFT und DFT+U), fein justiert werden, sodass diese Methoden Ergebnisse von sehr genauen Referenzrechnungen (Vielteilchenrechnungen unter Berücksichtigung von ekzitonischen Effekten) reproduzieren.Zweitens möchte ich aus der Menge von Dotierungskationen, die für die p-Dotierung von BFO geeignet sind, die erfolgversprechendsten Vertreter mittels Standard-DFT-Rechnungen ermitteln. Die Auswahl soll dabei anhand der Auswirkungen, die die Dotierungsionen auf die elektronische Struktur und die Polarisierung von BFO haben, erfolgen. Die Beschreibung der elektronischen Struktur der vielversprechendsten Kandidaten soll anschließend mit den Methoden, die im ersten Teil des Projekts entwickelt wurden, verfeinert werden. Zusätzlich sollen diese Dotierungszusammensetzungen in einer interdisziplinären Studie experimentell hergestellt und untersucht werden, wobei auf bereits bestehende Kooperationen am Gastgeberinstitut zurückgegriffen werden kann. In einem weiteren Schritt soll so die Herstellung von p/n-Übergängen in BFO ermöglicht werden. Die Suche nach geeigneten Dotierungszusammensetzungen soll so durchgeführt werden, dass Trends bezüglich der Einflüsse der Dotierungsionen auf BFO erkannt werden können, was wiederum einen Transfer der hier gewonnenen Ergebnisse auf ähnliche ferroelektrische Metalloxide ermöglichen soll.Für das letzte Forschungsziel sollen die vorher erlangten Ergebnisse weiterverarbeitet werden, indem die Expertise der gastgebenden Gruppe bezüglich der Beschreibung des Bulkphotovoltaischeneffekts auf die in diesem Projekt untersuchten Systeme und Methoden angewendet wird. Das heißt ich möchte die Effekte, die die p-Dotierung und die Qualität der Wellenfunktion auf die Berechnung des Verschiebungsstroms haben, untersuchen. Der Verschiebungsstrom ist eine Elektronenbewegung, die, wie von Prof. Rappe und seiner Gruppe gezeigt werden konnte, den Hauptmechanismus für den Bulkphotovoltaischeneffekt darstellt.Das Projekt umfasst das Design und die Untersuchung von p-dotiertem BFO, beginnend bei der Grundlagenforschung und der Entwicklung einer geeigneten, genaueren, aber gleichzeitig technisch anwendbaren theoretischen Methodik, über ein intensives, aber effizientes Screening, um geeignete Kandidaten zu identifizieren, bis hin zur experimentellen Realisierung der gefundenen Materialien und der Herstellung von elektronischen Bauteilen. Das Projekt bietet dabei eine systematische, intelligente Materialienentwicklung von p-dotiertem BFO, deren Ergebnisse auf vergleichbare Wirtstrukturen anwendbar sein werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Andrew M. Rappe