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Projektbeschreibung

Molekularstatische Methoden zur Simulation von Ferroelektrika

 

Ferroelektrika werden auf verschiedenen Längenskalen, von der Elektronenstrukur bis zur Kontinuumsbeschreibung, modelliert und simuliert. Dabei wurden in den vergangen zehn Jahren insbesondere Modelle und Algorithmen auf atomistischer Ebene weiterentwickelt.Dennoch bleibt für akkurate Ergebnisse der Rechenaufwand der etablierten Verfahren erheblich, weshalb auf dem Gebiet der atomistischen Simulationen auch weiterhin neue Methoden entwickelt werden.Das übergeordnete Ziel dieses Teilprojekts ist die Entwicklung und Untersuchung von molekularstatischen Methoden zur Analyse von elektromechanischen Phänomenen in ferroelektrischen Funktionsmaterialien auf der Mikroebene (atomare Auflösung). Dazu muss eine genaue Abbildung des Materials auf atomarer Ebene erfolgen, um relevante Lösungsgebiete, wie beispielsweise Domänenwände und Nanofilme, detailliert untersuchen zu können. Um ferroelektrische Materialien auf der Mikroebene zu simulieren werden bereits seit über einer Dekade sowohl ab initio Simulationen als auch die Molekulardynamik erfolgreich eingesetzt. Dabei stellen jedoch die geringen Längenskalen, sowie insbesondere die geringen Zeitschrittlängen dieser Verfahren einen, bzgl. simulierbarer Systemgrößen, limitierenden Faktor dar. Durch den Einsatz molekularstatischer Methoden soll daher die dynamische Problemstellung in ein quasi-statisches Verfahren überführt werden.Zur Simulation ferroelektrischer Materialien wird als Materialmodell das Core-shell Modell verwendet. Dabei werden Interaktionen zwischen einzelnen Atomen und Elektronenhüllen durch Interaktionspotentiale wie beispielsweise dem Coulombschen Potential oder dem Lennard-Jones Potential modelliert. Der entwickelte molekularstatische Algorithmus wurde bereits eingesetzt, um ferroelektrische Phänomene wie beispielsweise Domänenwände auf atomarer Ebene zu untersuchen. Des Weiteren wurde ein Verfahren entwickelt um makroskopische Kontinnumsspannungen als Randbedingung aufbringen zu können. Somit war es erstmals möglich, die Schmetterlings-Hysterese eines ferroelektrischen Kristalls auf atomarer Ebene zu berechnen.Dabei wurde bisher jedoch kein Temperatureinfluss berücksichtigt, welcher jedoch für Ferroelektrika von großer Bedeutung ist. Zur Simulation technologisch relevanter Problemstellungen soll daher der molekularstatische Algorithmus durch ein temperaturabhängigesPotential erweitert werden, um unter anderem Phasenübergänge abzubilden.Neben dem anvisierten methodischen Zugewinn sollen die gewonnen Erkenntnisse direkt in andere Projekte, die sich mit nicht-atomistischen/phänomenologischen Modellierung von Ferroelektrika beschäftigen, einfließen.

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