Physikalische Werkstoffmodellierung

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

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Mit physikalischen Modellen und numerischen Methoden, basierend auf der Quantenmechanik und Festkörperphysik, modellieren wir das Werkstoffverhalten theoretisch und sagen es vorher. Dadurch können wir Materialstrukturen und -funktionen optimieren. Wir decken Einflüsse von Defekten im atomaren Maßstab auf das Materialverhalten im Großen auf und nutzen diese Erkenntnisse, um in gezielter Weise Stoffe zu kombinieren und technische Systeme zu verbessern. Die Forschungsergebnisse tragen auch zur Verfeinerung von Simulationsmodellen für Bauteile im großen Maßstab bei.

Leistungen

  • »Computational Physics« als »virtuelles Mikroskop« der Werkstoffforschung auf atomarer Skala
  • Virtuelle Werkstoffentwicklung für die Vorhersage und Optimierung physikalischer, chemischer und mechanischer Eigenschaften
  • Ab-initio-Dichtefunktionaltheorie und atomistische Vielteilchen-Simulationen für thermodynamischen Zustände und kinetische Vorgänge in Werkstoffen
  • Ab-initio-Berechnung von Energiebarrieren und Elektronenstrukturen an Grenzflächen in elektrokeramischen Dünnschichtsystemen
  • Ab-initio-Berechnung des Einflusses von Additiven auf Funktionseigenschaften bleifreier ferroelektrischer Werkstoffe
  • Multiskalenmodellierung zur virtuellen Entwicklung polykristalliner ferroelektrischer Werkstoffe
  • Elektronentheoretische Bandstrukturanalyse und -optimierung von optisch transparenten und elektronisch leitenden Oxiden (transparent conductive oxides) für die Photovoltaik und Optoelektronik
  • Atomistische Beschreibung des mechanischen Verhaltens metallischer und keramischer Polykristalle und Nanokomposite

Themen

Optisch transparente und elektrisch leitende Oxide für die Photovoltaik und die Optoelektronik

In der Photovoltaik und Optoelektronik gibt es viele Anwendungen für optisch transparente und elektrisch leitende Dünnfilmsysteme. Diese Eigenschaft bringen Oxide wie ZnO und TiO2 mit, die wegen ihrer großen Bandlücke eine hohe Transmission im sichtbaren Spektralbereich aufweisen. Durch Dotierung mit Fremdatomen kann ihre elektrische Leitfähigkeit erhöht werden. Um verschiedene Dotieratome hinsichtlich des energetischen Aufwand für ihren Einbau zu vergleichen und die zu erwartende elektronische Struktur genauer zu untersuchen, werden Berechnungen, basierend auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) durchgeführt: Zur Beschreibung z.B. des polykristallinen TiO2 werden Superzellenmodelle von Korngrenzen konstruiert. Für diese werden z.B. Grenzflächenenergien sowie lokale elektronische Zustandsdichten berechnet. So sind Vorhersagen von Eigenschaften für neue Werkstoffsysteme möglich.

Transparente, leitfähige Oxide für die Photovoltaik und die Optoelektronik. (PDF)

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Grundlagenforschung Tribologie

Ferroelektrische Keramikwerkstoffe für Piezo-Anwendungen

Ferroelektrika werden zur Herstellung präziser mechanischer Aktuatoren und Sensoren genutzt. Bleizirkonattitanat (PZT) ist wegen seiner herausragenden elektromechanischen Eigenschaften zur Zeit noch eines der Materialien der Wahl. Kaliumnatriumniobat (KNN) ist eine vielversprechende bleifreie Alternative zu PZT. Mit der Dichtefunktionaltheorie (DFT) und atomistischen Simulationen werden die Auswirkungen von atomaren Fehlstellen, Domänenwänden und Korngrenzen, die in den industriellen Herstellungsverfahren eine Rolle spielen, untersucht. Damit können Materialeigenschaften gezielt eingestellt werden. Atomistische Simulationen mit Shell-Model-Potentialen erlauben eine einfachere Beschreibung als mit der DFT und die Untersuchung größerer Systeme, sie bilden ein Bindeglied zwischen subatomarer und makroskopischer Ebene.

Bleifreie Ferroelektrika für Sensoren und Aktoren. (PDF)

Kritische Dicke für Ferroelektrizität von ultradünnen PbTiO3-Funktionsschichten. (PDF

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Struktur und Stabilität von Werkstoffgrenzflächen

Für die Entwicklung neuartiger funktioneller Materialien, z.B. für Mikrochips oder Automobile, ist ein fundamentales Verständnis auf atomarer Skala wesentlich. Denn strukturelle Materialeigenschaften wie Festigkeit, Verformung und Bruchverhalten hängen von Bindungen der Atome untereinander ab. Mit Computermodellen wird das Bindungsverhalten der Atome untersucht. Funktionseigenschaften neuartiger Materialien werden modelliert und simuliert, bevor diese im Labor oder industriell hergestellt werden.

Thermodynamische und mechanische Stabilität von dünnen Kupfer-Filmen auf Tantal. (PDF)

Struktur und Stabilität von Metall-Keramik-Grenzflächen auf atomarer Skala. (PDF)

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Verformung und Bruch von Werkstoffen

Die plastische Verformbarkeit von polykristallinen Metallwerkstoffen wird umso mehr von Wechselwirkungen der Versetzungen in den Metallkörnern mit den Korngrenzen zwischen ihnen beeinflusst, je kleiner die Korngrößen werden. Darauf beruhen zum einen außergewöhnlich hohe mechanische Härten, die inzwischen für nanokristalline Metalle erzielbar sind, zum anderen auch bekannte Versagensprobleme durch Brüche bei extremen Verformungsprozessen, z.B. beim Herstellen von sehr dünnen Metalldrähten. Eine Vorstellung zum Versagensmechanismus auf mikroskopischer Skala ist, dass die Versetzungen, deren Beweglichkeit die plastische Verformung ermöglicht, an Korngrenzen fest gehalten werden. Computergestützte atomistische Simulationen stellen ein ideales Werkzeug dar, um derartige Vorstellungen zu überprüfen.

Warum sind Keramiken nicht nur spröde? (PDF)

Modellierung von Eisen auf atomarer Skala. (PDF)

Atomistische Simulation der Wechselwirkung einer Versetzung mit einer Korngrenze in Wolfram. (PDF)

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Informationen

Lehre:

Wintersemester 2010/2011 und Sommersemester 2011
Elektronische Struktur der kondensierten Materie I + II
Christian Elsässer, Fakultät für Mathematik und Physik, Universität Freiburg

Wintersemester 2009/2010 und Sommersemester 2010
Supraleitung I + II
Christian Elsässer, Fakultät für Mathematik und Physik, Universität Freiburg

Sommersemester 2009
Theorie der Spektroskopie von Elektronen in Festkörpern
Christian Elsässer, Fakultät für Mathematik und Physik, Universität Freiburg

Wintersemester 2008/2009
Theorie der atomistischen und elektronischen Struktur von Materialgrenzflächen
Christian Elsässer, Fakultät für Mathematik und Physik, Universität Freiburg

Wintersemester 2007/2008 und Sommersemester 2008
Elektronische Struktur der kondensierten Materie I + II
Christian Elsässer, Fakultät für Mathematik und Physik, Universität Freiburg

Publikationen

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Liste unserer Veröffentlichungen:

  • Erünal, E.; Eichel, R.-A.; Körbel, S.; Elsässer, C.; Acker, J.; Kungl, H.; Hoffmann, H. J., Defect structure of copper doped potassium niobate ceramics, Functional Materials Letters 3/1 (2010) 19-24
  • Hashibon, A.; Elsässer, C., Approaches to atomistic triple-line properties from first-principles, Scripta Materialia 62 (2010) 939-944
  • Hirel, P.; Marton, P.; Mrovec, M.; Elsässer, C., Theoretical investigation of {1 1 0} generalized stacking faults and their relation to dislocation behavior in perovskite oxides, Acta Materialia 58 (2010) 6072-6079
  • Kalivoda, E. M.; Mrovec, M.; Elsässer, C., Electronic structure and transport properties of transition-metal/ SrTiO3(100) heterojunctions, in Proc. of 5th International Conference Multiscale Materials Modeling MMM2010; Gumbsch, P.; Van der Giessen, E. (Hrsg.), Fraunhofer Verlag, Stuttgart (2010) 777-780
  • Körbel, S.; Marton, P.; Elsässer, C., Formation of vacancies and copper substitutionals in potassium sodium niobate under various processing conditions, Physical Review B 81 (2010) 174115:1-11; Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Körner, W., Grundlangen für transparente und leitfähige Oxide, in OTTI Tagungsband; OTTI, Regensburg (2010) 10
  • Körner, W., Elsässer C., First-principles density functional study of dopant elements at grain boundaries in ZnO, Physical Review B 81 (2010) 085324:1-12; Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Moras, G.; Colombi Ciacchi, L.; Elsässer, C.; Gumbsch, P.; De Vita, A., Atomically smooth stress-corrosion cleavage of a hydrogen-implanted crystal, Physical Review Letters 105 (2010) 075502:1-4
  • Szyszka, B; Loebmann, P.; Georg, A.; May, C.; Elsässer C., Development of new transparent conductors and device applications utilizing a multidisciplinary approach, Thin Solid Films 518 (2010) 3109-3114
  • Szyszka, B.; Polenzky, C.; Loebmann, P.; Götzendörfer, S.; Elsässer, C.; Körner, W., Pathways towards p-type oxide layers for optoelectronic applications, Vincenzini, P.; Ginley, D. S.; Bruno, G.; Rigamonti, A.; Zheludev, N. (Eds.), Trans Tech Publications, Stafa-Zurich, Schweiz (2010) 16-24
  • von Alfthan, S.; Benedek, N. A.; Chen, L.; Chua, A.; Cockayne, D.; Dudeck, K. J.; Elsässer, C.; Finnis, M. W.; Koch, C. T.; Rahmati, B.; Rühle, M.; Shih, S.-J.; Sutton, A. P., The structure of grain boundaries in strontium titanate: theory, simulation and electron microscopy, Annual Reviews of Materials Research 40 (2010) 557-599
  • Zimmermann, J.; Colombi Ciacchi, L., Mechanisms of initial oxidation of the Co(0001) and Cr(110) surfaces, Journal of Physical Chemistry C 114/14 (2010) 6014-6023
  • Zimmermann, J.; Colombi Ciacchi, L., Origin of the selective Cr oxidation in CoCr alloy surfaces, Journal of Physical Chemistry Letters 1/15 (2010) 2343-2348

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  • Dudarev, S. L.; Boutard, J.-L.; Lässer, R.; Caturla, M. J.; Derlet, P. M.; Fivel,M.; Fu, C.-C.; Lavrentiev, M. Y.; Malerba, L.; Mrovec, M.; Dguyen-Manh,D.; Nordlund, K.; Perlado, M.; Schäublin, R.; van Swygenhoven, H.; Terentyev, D.; Wallenius, J.; Weygand, D.; Willaime, F.,The EU Programme for modelling radiation effects in fusion reactor materials: An overview of recent advances and future goals,Journal of Nuclear Materials,386-388 (2009) 1-7, Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Hashibon, A.; Schravendijk, P.; Elsässer, C.; Gumbsch, P., Atomistic study of structure and stability of thin Ni films on Fe surfaces, Philosophical Magazine 89/34-36 (2009) 3413-3433
  • Janisch, R.; Elsässer, C., Interstitial impurities at grain boundaries in metals: insight from atomistic calculations, International Journal of Materials Research 100 (2009) 1488-1493
  • Mrovec, M.; Elsässer, C.; Gumbsch, P., Interactions between lattice dislocations and twin boundaries in tungsten: A comparative atomistic simulation study, Philosophical Magazine 89/34-36 (2009) 3179-3194
  • Mrovec, M.; Albina, J.-M.; Meyer, B.; Elsässer, Ch., Schottky barriers at transition-metal/SrTiO3(001) interfaces, Physical Review B, 79 (2009) 245121/1-18, Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Umeno, Y.; Albina, J. M.; Meyer, B.; Elsässer, C., Ab initio calculations of ferroelectric instability in PbTiO3 capacitors with symmetric and asymmetric electrode layers, Physical Review B 80 (2009) 205122:1-8, Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Zimmermann, J.; Finnis, M. W.; Colombi Ciacchi, L., Vacancy segregation in the initial oxidation stages of the TiN(100) surface, Journal of Chemical Physics 130/13 (2009) 1-11

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  • Benedek, N. A.; Elsässer, C.;. Finnis, M. W., First principles investigation of polarisation at interfaces in multilayered Strontium Titanate, J. Phys: Conf. Series 94, 012005 (2008)
  • Benedek, N. A.; Chua, A. L-.S.; Elsässer, C.; Sutton, A. P.;Finnis, M. W., Transferability of interatomic potentials for SrTiO3 from bulk to grain-boundary properties, Phys. Rev. B 78, 064110 (2008)
  • Cheng, Y.; Mrovec, M.; Gumbsch, P., Crack nucleation at the Sigma 9(2(2)over-bar1) symmetrical tilt grain boundary in tungsten, Materials Science and Engineering A, 483-484 (2008) Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Cheng, Y.; Mrovec, M.; Gumbsch, P., Atomistic simulations of interactions between the 1/2(111) edge dislocation and symmetric tilt grain boundaries in tungsten, Philosophical Magazine, 88 (2008) Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Hashibon, A.; Lozovoi, A. Y.; Mishin, Y.; Elsässer, C.; Gumbsch, P., Interatomic potential for the Cu-Ta system and its application to surface wetting and dewetting, Phys. Rev. B 77, 094131 (2008). Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Hashibon, A.; Lozovoi, A. Y.; Mishin, Y.; Elsässer, C.; Gumbsch, P., Interatomic potential for the Cu-Ta system and its application to surface wetting and dewetting, Phys. Rev. B 77, 094131 (2008). Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Janisch, R.; Elsässer, C., Growth and mechanical properties of a MoC precipitate at a Mo grain boundary: an, ab-initio study, Phys. Rev. B 77, 094118 (2008)
  • Umeno, Y.; Elsässer, C.; Meyer, B.; Gumbsch, P.;Weissmüller, J., Reversible relaxation at charged metal surfaces: an ab initio study, Europhys. Lett. 84, 13002 (2008) Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Vedmedenko, O.; Rösch, F.; Elsässer, C., First-principles DFT study of phase transformations in NbCr2 and TaCr2, Acta mater. 56, 4984-4992 (2008)

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  • Albina, J. M.; Mrovec, M.; Meyer, B.;. Elsässer, C.,Structure, stability, and electronic properties of SrTiO3/LaAlO3 and SrTiO3/SrRuO3 interfaces, Phys. Rev. B 76, 165103 (2007). Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Hashibon, A.; Elsässer, C.; Mishin, Y.;Gumbsch, P., First-principles study of thermodynamic and mechanical stability of thin Copper films deposited on Tantalum, Phys. Rev. B 76, 245434 (2007). Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Hashibon, A.; Elsässer, C.; Rühle, M., Ab initio study of electronic densities of states at copper-alumina interfaces, Acta mater. 55, 1657-1665 (2007)
  • Mrovec, M.; Gröger, R.; Bailey, A. G.; Nguyen-Manh, D.; Elsässer, C.;Vitek, V., Bond-order potential for simulations for extended defects in tungsten, Phys. Rev. B 75, 104119 (2007). Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Umeno, Y.; Elsässer, C.; Meyer, B.; Gumbsch, P.; Nothacker, M.; Weissmüller, J.; Evers, F., Ab initio study of surface stress response to charging, Europhys. Lett. 78, 13001 (2007). Volltext auf Fraunhofer Publica

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  • Albina, J. M.; Mrovec, M.; Meyer, B.;. Elsässer, C.,A study of the semi-coherent ceramic SrTiO3/SrZrO3 interface by first-principles DFT calculations, in P. Gumbsch (Ed.), Proc. Int. Conf. MMM2006, Fraunhofer IRB Verlag (2006), pp. 819-822
  • Mrovec, M.;, Moseler, M.; Elsässer, C.; Gumbsch, P., Atomistic modeling of hydrocarbon systems using analytic bond-order potentials. Progr. Mater. Sci. 52, 230-254 (2006). Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Mrovec, M.;. Cheng, Y.; Elsässer, C.; Gumbsch, P., Atomistic simulations of dislocation – grain-boundary interactions in tungsten, in P. Gumbsch (Ed.), Proc. Int. Conf. MMM2006, Fraunhofer IRB Verlag (2006), pp. 213-216
  • Umeno, Y.; Meyer, B.; Elsässer, C.;Gumbsch, P.,Ab initio study of the critical thickness for ferroelectricity in ultrathin Pt/PbTiO3/Pt films. Phys. Rev. B 74, 060101(R) (2006). Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Umeno, Y.; Elsässer, C.; Meyer, B.; Gumbsch, P.; Shimada, T.; Kitamura, T., Ab initio DFT study on ferroelectricity on perovskite surfaces and in thin-film capacitors, in P. Gumbsch (Ed.), Proc. Int. Conf. MMM2006, Fraunhofer IRB Verlag (2006), pp. 901-904
  • Umeno, Y.; Shimada, T.; Kitamura, T.;Elsässer, C., Ab initio density functional theory study of strain effects on ferroelectricity at PbTiO3 surfaces, Phys. Rev. B 74, 174111 (2006). Volltext auf Fraunhofer Publica

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