Berechnung der Relaxationspolarisation mehrphasiger Dielektrika

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Herbert Kliem
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317673443

Effektive Relaxationspolarisationen von mehrphasigen Dielektrika werden mittels eines mikroskopischen Modells berechnet, das auf elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen Ladungen und Dipolen sowie auf der Boltzmann-Statistik beruht. In die Simulationen gehen die Materialstruktur, die Polarisierbarkeiten von Atomen und Molekülen mit induziertem Dipolmoment und die Aktivierungsenergien für thermisch angeregte Platzwechselvorgänge von Ladungen in Doppelmuldenpotentialen ein. Die thermisch fluktuierenden Ladungen liefern den Relaxationsanteil der Polarisation. Die induzierten Dipole bestimmen das Hochfrequenzverhalten des Systems. Mit iterativen Algorithmen werden die Felder an den Orten aller Dipole und Doppelmuldenpotentiale berechnet unter Berücksichtigung der Felder aller Ladungen und Dipole im Material. Die Elektroden werden über die Methode der Spiegelladungen und Spiegeldipole berücksichtigt. Aus den lokalen Feldern werden die Momente der induzierten Dipole berechnet. Die Ladungsverschiebungen in Doppelmuldenpotentialen werden mit einer dynamischen Monte-Carlo-Methode unter Berücksichtigung der lokalen Felder berechnet. Damit umfasst die Methode inhärent alle Wechselwirkungen und depolarisierenden Felder innerhalb des Materials. Insbesondere werden so die Topologie, Grenzflächen und die Wechselwirkung zwischen unterschiedlichen Phasen in Kompositen berücksichtigt. Untersucht werden einphasige Dielektrika und mehrphasige Dielektrika mit unterschiedlichem innerem Aufbau. Die verschiedenen dielektrischen Phasen in Kompositen können sich im Relaxationsverhalten und im Hochfrequenzverhalten unterscheiden. Berechnet wird das zeitliche Verhalten der Polarisation nach Sprüngen des angelegten Feldes und unter dem Einfluss eines oszillierenden Feldes. Die frequenzabhängigen komplexen Dielektrizitätszahlen werden aus der zeitabhängigen Polarisation mittels Fourier-Transformation gewonnen und mit der direkten Berechnung unter Einfluss eines oszillierenden Feldes verglichen. Darüber hinaus wird untersucht, wie sich ein Temperaturgradient innerhalb eines Dielektrikums auf dessen Polarisation auswirkt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen