Einsichten aus atomistischen Computersimulationen des mechanischen Verhaltens

Einblicke in die Korngrenzeigenschaften von polykristallinem Graphen

Zusammenarbeit der FG Physikalische Metallkunde und Materialmodellierung

Zur Rolle der Versetzungsdichte in Strontiumtitanat

Wie sich der Na-Transport im Festelektrolyten NASICON verbessern lässt

Vermessung und Simulation des elektromagnetischen Zerfall eines angeregten Lithium-Isotops mit beispielloser Präzision

Elektronische Struktur einer Operando-Festkörperzelle mit Natriumkobaltatkathode

Zusammenspiel von Elelektronenspektrospie, Dünnschichtanalyse und Elektronenstrukturrechnungen

Aufklärung der elektronischen Struktur und Thermodynamik mit Hilfe von DFT Rechnungen

Wir haben die atomare und elektronische Struktur sowie die chemische Zusammensetzung von ZnO-Bikristallproben mit {0001} Inversionsdomänengrenzen (IDB) mit Hilfe von Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie untersucht. Die Rechnungen zeigen, dass thermodynamisch bevorzugte IDBs durch vollständig (4-fach) koordinierte Atome gekennzeichnet sind und relativ geringe Grenzflächenenergien im Bereich von 45 bis 95 meV / Å^2 besitzen,l. Die elektronischen Eigenschaften des IDB weichen nur schwach von denen des volummenmaterials ab und sind gegenüber Druck- und Zugspannungen eher unempfindlich. Unsere Ergebnisse zeigen, dass experimentell beobachtete piezotronische Eigenschaften von Bikristallen keine intrinsische Eigenschaft des unberührten GB selbst sind, sondern Defekten, Verunreinigungen oder Dotierstoffen stammen. DIe hier identifizierten Niedrigenergiestrukturmodelle können auch auf andere IDBs vom wz- oder zb-Typ (z. B. GaN, AlN, SiC usw.) übertragbar sein.

Ein phänomenologischer theoretischer Ansatz

Dieser Übersichtsartikel konzentriert sich auf die phänomenologische Beschreibung des Einflusses elastischer Defekte auf die elektrophysikalischen Eigenschaften von nanoskaligen ferroelektrischer Materialien. Unter Verwendung des phänomenologischen Ansatzes von Landau-Ginzburg-Devonshire betrachten wir den Beitrag der elastischen Defekte (z. B. neutrale Sauerstoffleerstellen) zu den Phasenübergangstemperaturen, Phasendiagrammen, piezoresistiven, dielektrischen und polaren Eigenschaften dünner ferroelektrischer Filme und Nanopartikel. Besonderes Augenmerk legen wir auf die Rolle des flexoelektrischen Effekts, der Vegard-Dehnungen und -Spannungen, einschließlich ihrer Synergie, die als flexochemische Kopplung bezeichnet wird, sowie auf die defektbedingten Phänomene in Nanoferroics. Wir untersuchen den Einfluss der Migration mobiler geladener Defekte (z. B. Drift und Diffusion von Kationen oder Leerstellen von geladenem Sauerstoff) auf die Domänenstrukturentwicklung in dünnen ferroelektrischen Filmen. Wir diskutieren auch die Möglichkeiten der selbstorganisierten Ordnung ungeladener elastischer Defekte in dünnen verspannten Oxidfilmen und zeigen, dass eine thermodynamisch stabile ungeordnete Phase, räumlich modulierte Phasen und langreichweitig geordnete Phasen mit Defektschichten parallel oder senkrecht zur Substratebene möglich sind erscheinen im Phasendiagramm in Abhängigkeit von der Film-Substrat-Fehlanpassungsdehnung, der Konzentration elastischer Defekte und den Vegard-Koeffizienten. Da die langreichweitig geordneten ferroischen Phasen multiferroisch werden können, wenn einige elastische Dipole zu elektrischen werden, eröffnen die erhaltenen Ergebnisse den Weg zur Erzeugung und Steuerung fehlerhaft geordneter Überstrukturen durch Auswahl eines geeigneten Substrats und einer Defektkonzentration in dünnen ferroischen Filmen.

Erhöhung der Li-Ionenleitfähigkeit in Agyroditen durch Einfrieren der Anionenordnung

In dieser gemeinsamen Arbeit mit der Gruppe von Wolfgang Zeier (WWU Münster) demonstrieren wir, dass die Anionenordnung in Li6PS4Br durch Temperaturbehandlung und kontrolliertes Abschrecken eingestellt werden kann. Neutronenpulverbeugungs- und AIMD-Simulationen zeigen, dass eine Änderung der lokalen Ordnung zu Unterschieden in den lokalen Ladungen führt, was sich wiederum direkt auf die Lithiumverteilung auswirkt. Ein höherer Grad an Unordnung führt zur räumlichen Delokalisierung des Li und zu kürzeren Li-Li-Abständen, wofür Intercage-Sprünge verantwortlich sind. Die optimierte Anionenfehlordnung kann zu einer Vervierfachung der Ionenleitfähigkeit führen. Diese Arbeit liefert ein besseres Verständnis darüber, wie sich Synthese- und Nachsynthesebedingungen auf die Struktur und den Ionentransport in Lithium-Argyroditen auswirken. Dieses Wissen hilf, die Materialeigenschaften von Festkörperelektrolyten zu verbessern, ohne die Zusammensetzung des Materials selbst zu verändern.

LiNiO2: Ein dynamisches Jahn−Teller System

In dieser gemeinsamen Arbeit mit Forschern der BASF haben wir die Dynamik und Kooperativität von JT-Verzerrungen in LiNiO2 untersucht. Während statische DFT-Berechnungen eindeutig die Stabilität eines monoklinen JT-verzerrten LNO befürworten, ist dies für Experimente schwer fassbar: JT-Verzerrungen werden auf lokaler Ebene beobachtet, aber die globale kristallographische Symmetrie wird systematisch als perfekt unverzerrte rhomboedrische Struktur identifiziert, die mit LiCoO2 isostrukturell ist. Dank molekulardynamischer Simulationen haben wir einzelne Ni-O-Bindungslängen als Funktion der Zeit analysiert und festgestellt, dass JT-Verzerrungen zwar stattfinden, sich aber dynamisch neu orientieren. Die statistische Korrelationsanalyse ergab, dass, obwohl ein gewisses Maß an Kooperativität innerhalb einer Ebene existiert, die Korrelation zwischen verschiedenen Schichten für alle praktischen Zwecke nicht vorhanden ist. Die kontinuierliche Neuorientierung der JT-Richtung erscheint im Durchschnitt so, als ob alle Ni-O-Bindungen gleich wären, während die Nichtkooperativität zwischen den Schichten verhindert, dass das System einer makroskopischen monoklinen Scherung ausgesetzt wird. Die Kombination dieser beiden Effekte verleiht LNO die allgemein akzeptierte R3̅m-Symmetrie. Dieses Ergebnis begründet das Rätsel, dass fast zwei Jahrzehnte lang die klare JT-Aktivität von Ni3 + dem Mangel an makroskopischer monokliner Scherung gegenübergestellt wurde. R3̅m ist weder ein lokales Minimum noch ein Sattelpunkt: Es ist die Spitze des Potenzials in Form eines mexikanischen Hutes, während der Neuorientierungspfad entlang des verzogenen Trogs um das Maximum verläuft. Computergestützte Studien zu LNO und direkt verwandten Verbindungen sollten daher die Verwendung von R3̅m als Referenzverbindung vermeiden und stattdessen den wahren Grundzustand (P21 / c) verwenden. Die Verwendung von R3̅m ist nicht nur konzeptionell falsch, sondern führt auch zu nicht zu vernachlässigenden quantitativen Fehlern. R3̅m sollte weiterhin für die Analyse von Beugungsdaten zu LNO verwendet werden.

Eine vergleichende Untersuchung von Größeneffekten in Nanogläsern und homogenen Bulk-Gläsern

Wir haben den Einfluss der Strukturgröße auf die mechanischen Eigenschaften von Drähten aus Nanogläsern und homogenen Gläsern mit Hilfe von MD-Simulationen untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen einen deutlichen Unterschied im Verformungsmodus. Während Drähte aus homogenem Glas einen Spannungsabfall und eine Dehnungslokalisierung in einem Scherband zeigen, finden wir bei den Nanogläsern Verformung durch Einschnürung. Die Scherbandbildung ist in Cu64Zr36 offensichtlicher als in Pd80Si20. Wenn der Durchmesser der Drähte aus Nanoglas auf das Doppelte der durchschnittlichen Korngröße reduziert wird, tritt bei der größeren technischen Dehnungen (> 20%) eine Erweichung auf. Darüber hinaus führt die strukturelle Relaxation nach einer zyklischen Belastung zu lokaler Erholung, und die Spannung nimmt beim Wiederbeladen zu.

Eine rechnergestützte Untersuchung von Struktur, thermodynamischer Stabilität und Transporteigenschaften

Die Entwicklung von Lithium leitenden Festelektrolyten (SE) ist der Schlüssel für die Realisierung von Li-Festkörperbatterien. In diesem Zusammenhang sind Sulfid SE eine vielversprechende Materialklasse. Mit ab-initio-Molekulardynamiksimulationen haben wir verschiedene LiPS-Gläser auf Stabilität und Leitfähigkeit untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass alle Gläser im Vergleich zu ihren kristallinen Gegenstücken thermodynamisch metastabil sind und dass das Vorhandensein bestimmter Struktureinheiten keinen Einfluss auf die Transporteigenschaften in Gläsern hat.

Molekulardynamiksimulationen zeigen den Einfluss der Segregation gelöster Komponenten auf das Verformungsverhalten.

Die Versetzungsentwicklung in legierten und reinen nanoporösen Schäumen wird durch molekulardynamische Simulationen untersucht. Wir stellen fest, dass das Streckverhalten von der Oberflächenzusammensetzung und den entsprechenden Kapillarkräften abhängt, während das elastische Verhalten von der Zzusammensetzung der Ligamendvolumina abhängt. Trends in der Fließreaktion dieses Materials als Funktion der Größe und der Oberflächenzusammensetzung werden effektiv mit einem Modell vorhergesagt, das Oberflächeneffekte berücksichtigt.