Hybrid Grenzflächen im Thermodynamischen Gleichgewicht (HI-TEq)

• Antragsteller: Dr. Roman Forker
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 454392740

Phasendiagramme enthalten wichtige Informationen für die grundlegende und die angewandte Forschung. Sie geben an, unter welchen Druck- (p) und Temperaturbedingungen (T) sich bestimmte Phasen bilden. Für organisch-anorganische Grenzflächen sind experimentelle p-T-Phasendiagramme jedoch de facto nicht existent. Gleichzeitig leidet die Berechnung von Phasendiagrammen mit Hilfe von ab initio Thermodynamik unter starken Näherungen, da Schwingungs- und thermische Effekte typischerweise vernachlässigt werden.Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung von Strategien zur Erstellung von p-T-Phasendiagrammen für organisch-anorganische Grenzflächen. Dies erfordert die Entwicklung von Ansätzen, um Grenzflächen in der Nähe des thermodynamischen Gleichgewichts wohldefiniert experimentell herzustellen. Auf der theoretischen Seite muss der Einfluss von thermischen und Schwingungseffekten auf die Energien verschiedener Polymorphe untersucht werden. Wir stellen die Hypothese auf, dass die Einbeziehung dieser Effekte für genaue Vorhersagen unerlässlich ist, und entwickeln einen Weg, sie mit Hilfe des maschinellen Lernens zu berücksichtigen. Um ein Maximum an Erkenntnissen zu gewinnen, analysieren wir im Detail, welche Wechselwirkungen bestimmte Phasen stabilisieren.Die Grenzflächen werden in der Nähe des thermodynamischen Gleichgewichts in einer neuartigen Vakuumkammer präpariert, die ein fast geschlossenes Kryoschild beherbergt. Es werden kleine Moleküle verwendet, um die theoretische Analyse zu erleichtern. Die Strukturen werden in situ mittels verzerrungskorrigierter niederenergetischer Elektronenbeugung untersucht. Für die rechnerische Vorhersage und Auswertung von Phasendiagrammen wird ein Struktursuchalgorithmus verwendet, der auf einer Kombination aus Dichtefunktionaltheorie und maschinellem Lernen in Form der Bayes Linearen Regression beruht.p-T-Phasendiagramme für organisch-anorganische Grenzflächen sind ein blinder Fleck auf der Landkarte der Oberflächenwissenschaft, der dringend gefüllt werden muss. Bisher konnte das wegen des Mangels an adäquater experimenteller Ausrüstung und wegen der rechnerischen Schwierigkeit, Systeme zu bestimmen, die Phasenübergänge in der experimentell zugänglichen Region zeigen, nicht unternommen werden. Erst mit dem Aufkommen moderner DFT-Methoden und maschineller Lernverfahren können solche Systeme nun untersucht werden.Das Projekt wird in Zusammenarbeit zwischen der FSU Jena, Deutschland, und der TU Graz, Österreich, durchgeführt. Die Experimente werden in der Gruppe von Torsten Fritz und Roman Forker ausgeführt, die Experten für die Präparation organisch-anorganischer Grenzflächen und deren Strukturbestimmung sind. Die theoretischen Studien werden von Oliver T. Hofmann durchgeführt, der Experte für maschinelles Lernen und DFT-Bandstrukturberechnungen ist und das Projekt koordinieren wird, sowie von Egbert Zojer, der über umfangreiche Erfahrung in der Modellierung organischer Halbleiter und ihrer Grenzflächen verfügt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Torsten Fritz
• Kooperationspartner: Professor Dr. Oliver T. Hofmann; Professor Dr. Egbert Zojer