Arbeitsgruppe Prof. Dr. Rossitza Pentcheva
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Wir nutzen Hochleistungs-Rechensysteme für die parameterfreie quantenmechanische Modellierung neuartiger Materialien und Phänomene auf der Nanoskala für Anwendungen in elektronischen Bauelementen und in der Energieumwandlung von Wärme in elektrische Energie (Thermoelektrika), von Solar- in chemische Energie (Wasserspaltung) und Wärmetransport (magnetische Kühlverfahren).
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Mehr lesenForschungsschwerpunkte
Im Rahmen des SFB/TRR80 wird das Auftreten neuer elektronischer Phasen an Übergangsmetalloxid-Grenzflächen untersucht. Hierzu zählen topologisch nichttriviale Zustände in Oxidübergittern mit Honigwaben-Muster oder ultradünne Filme, die unter extremen Verspannungen drastisch ihre Eigenschaften ändern, z. B von einem ferromagnetischen Metall zu einem antiferromagnetischen Isolator. Des Weiteren wird erforscht, wie sich die thermoelektrischen Eigenschaften durch Ausnutzung von reduzierten Dimensionen, z.B. in Oxidheterostrukturen verbessern lassen, was zu einem Europäischen Patent geführt hat. Im SFB/TRR247 werden Anodenmaterialien für die Wasserspaltung durch gezielte Modifikation von Strukturmotiven, chemischer Zusammensetzung und Defekten optimiert. Die Modellierung der Propagation von Laseranregungen auf ultrakurzer Zeitskala durch Metall-Isolator Grenzflächen und die akkurate Beschreibung von spektroskopischen Eigenschaften mittels Vielteilchentheorie sind Gegenstand der Forschung im SFB1242. Nicht zuletzt im SFB/TRR270 wird untersucht, wie die Kopplung von Magnetismus und Gitter die Effizienz magnetokalorischer Materialien steigern kann.
Neuigkeiten
Open Position / Stellenauschreibung
The Pentcheva group is currently looking for a PhD candidate within the program Scalable 2D-Materials Architectures (2D-MATURE) which includes a research stay at the University of Waterloo (Canada). For more information, see the link below!
CENIDE Best Paper Award - Catalysis
Achim Füngerlings erhielt den CENIDE Best Paper Award 2024 in der Kategorie "Catalysis" für die Publikation: "Crystal-facet-dependent surface transformation dictates the oxygen evolution reaction activity in lanthanum nickelate".
Posterpreis bei CRC1242-Konferenz
Bei der internationalen Konferenz des CRC 1242 in Schluchsee erhielt Andri Darmawan einen der beiden Preise für die besten Poster. Er zeigte dort seine Ergebnisse zu "Ultrafast laser-induced carrier and magnetization synamics in SrTiO3 from real-time time-dependent DFT".
Promotion
Dr. Shohreh Rafiezadeh hat am 30.08.2024 erfolgreich ihre Promotion in der AG Pentcheva zum Thema "Electronic, octical and catalytical properties of CoFe2O4 from first principles including many-body effects" abgeschlossen. Wir gratulieren zur bestandenen Doktorprüfung!
Promotion
Dr. Elaheh Shomali hat am 05.07.2024 erfolgreich ihre Promotion in der AG Pentcheva zum Thema "Investigation of carrier dynamics in laser-excited heterostructures from real-time time-dependent density functional theory" abgeschlossen. Wir gratulieren zur bestandenen Doktorprüfung!
2D-Mature Summer School an der University of Waterloo
Die erste Gruppe des internationalen Doktorandenprogramms absolvierte den Auftaktworkshop zur zweiten Sommerschule an der University of Waterloo in Kanada.
Vortragsblöcke zu Theorie, Elektronik und Energiespeicherung wurden von Experten wie Rossitza Pentcheva, Peter Kratzer, Na Young Kim, Marika Schleberger, Gerd Bacher, Rodney Smith, Michael Pope und Hartmut Wiggers geleitet. Zudem erhielten die Studierenden Feedback zu ihren Forschungsprojekten und nahmen an parallelen Vorträgen und Postersitzungen teil, die Raum für eingehende Diskussionen boten.
Bewilligung der 3. Förderphase des SFB 1242
Der SFB 1242 „Nichtgleichgewichtsdynamik kondensierter Materie in der Zeitdomäne“ wird in der dritten Förderperiode von der DFG mit 13,5 Mio Euro unterstützt.
Projekt C02 im SFB 1242 verwendet zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie in der Realzeit-Domäne, um laserinduzierte Anregungen und Ladungsdynamik zu modellieren. Der Fokus liegt hier auf anisotropen Systemen, sowohl natürlichen wie auch künstlichen wie Metall/Metall, Metall/Oxid sowie Oxid/Oxid-Heterostrukturen. Die Analyse wird von linear auf zirkular polarisiertes Licht erweitert, um den Einfluss von induzierten Orbitalmomenten auf die Ladungsträgerdynamik zu erforschen. Darüber hinaus soll mit Hilfe von "machine-learned force fields", basierend auf DFT Rechnungen, die Gitterdynamik untersucht werden.
Föerderung für Nachwuchs-Wissenschaftlerin
The first-time proposal “From Fe-, Ni-, Co-based Heusler Alloys to High Entropy Alloys: The Role of p-d Hybridization and Positional Disorder in Structural Transformations” by Dr. Olga Miroshkina was accepted by the DFG, granting her financing for her own position for three years.
The project aims to find new materials with structural phase transition suitable for functional application among complex Heusler and high-entropy alloys (HEAs).
A special focus will be on the p−d covalent hybridization and revealing the mechanisms responsible for the structural transformations in HEAs. For this, the electronic structure and exchange interactions of HEAs will be compared with that of Heusler alloys, which are (partially) ordered. This will allow to distinguish the role of the disorder in the structural transitions in complex magnetic materials. The objective is to understand why the transformation to the hcp phase is possible in HEAs, while this transition is not observed for Heusler alloys. To make a step in this direction, the electronic, magnetic, and structural properties will be theoretically investigated at the nanoscale for complex multicomponent compounds starting from the ordered Fe-, Ni-, Co-based Heusler alloys via introducing the disorder in these systems and ending with the five-component HEAs consisting of the same elements.
As a result of the projects implementation, the complex multicomponent magnetic materials based on Fe, Ni, and Co that demonstrate structural phase transitions between fcc, bcc, hcp phases with high magnetization and Curie temperature will be predicted.
Posterpreis bei WE-Heraeus-Seminar
Beim Spanisch-Deutschen Wilhelm und Else-Heraeus-Seminar zum Thema "Correlations and Topology in Quantum Materials" in Bad Honnef hat Dr. Manish Verma (nun in der Arbeitsgruppe Sangiovanni an der Universität Würzburg) den Preis für das beste Poster gewonnen. Er zeigte dort die Ergebnisse seiner Arbeit
"Tuning of the carrier localization, magnetic and thermoelectric properties in ultrathin (LaNiO3−δ)1/(LaAlO3)1(001) superlattices by oxygen vacancies".
Der Weg zum nachhaltigen Wasserstoff
Keine nachhaltige Energie ohne Elektrokatalysatoren: Geht es um die Herstellung von Grünem Wasserstoff, braucht es Katalysatoren, die den Prozess der Wasserspaltung in Sauerstoff und Wasserstoff steuern. Doch unter angelegter Spannung verändert sich die Struktur des Katalysators, was auch die katalytische Aktivität entscheidend beeinflusst. Dieses Phänomen ist wenig erforscht und verstanden – bisher. Denn ein Forschungsteam unter der Leitung der Universität Duisburg-Essen und der Universität Twente hat die kristallfacettenabhängige Oberflächenumwandlung erforscht und wie diese die Aktivität der Sauerstoffentwicklungsreaktion steuert. Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie nun in
Nature Communications.
Der Kolibri fliegt weiter!
Die Energiewende kann auf optimierte magnetische Funktionsmaterialien nicht verzichten, seien es effiziente magnetokalorische Materialien für alternative Kühlkonzepte oder Permanetmagnete mit besonders hohem Energieprodukt für Elektromobilität oder Energieerzeugung. Auf diesem Gebiet ist bereits seit vier Jahren der Sonderforschungsbereich SFB/TRR 270 "Hysteresis design of magnetic materials for efficient energy conversion (HoMMage)" aktiv, der gemeinsam an der TU Darmstadt und der UDE angesiedelt ist. Die Arbeitsgruppe beteiligt sich hier mit dem Teilprojekt B06, "Rational design of narrow-hysteresis materials by tailoring magnetoelastic interactions" (Projektleitung: PD Dr. Markus Gruner). Der SFB/TRR 270 wird nun von der Deutschen Forschungsgemeinschaft ab Januar 2024 für weitere vier Jahre gefördert.
CENIDE Best Paper Award - Functional Materials
Dr. Benjamin Geisler erhielt den CENIDE Best Paper Award 2023 in der Kategorie "Functional Materials for Energy Applications" für die Publikation: "Resolving the polar interface of infinite-layer nickelate thin films".
CENIDE Best Paper Award - Magnetic Materials
Dr. Olga Miroshika erhielt den CENIDE Best Paper Award 2023 in der Kategorie "Magnetic Materials" für die Publikation: "Impact of magnetic and antisite disorder on the vibrational densities of states in Ni2MnSn Heusler alloys".
Promotion
Dr. Jiongyao Wu hat am 26.06.2023 erfolgreich ihre Promotion in der AG Pentcheva zum Thema "Density functional theory investigation of the electronic reconstruction in spin-orbit coupled double perovskites and oxide superlattices" abgeschlossen. Wir gratulieren zur bestandenen Doktorprüfung!
DAAD RISE Austauschstudent zu Gast
Im Rahmen des RISE-Programms des DAAD wird Herr Jeremy Kamman von der Kansas State University (USA) einen dreimonatigen Forschungsaufenthalt in der AG Pentcheva verbringen. Unter der Betreuung von Mike Bruckhoff wird er an Fragestellungen des Projekts C02 "Coupling between Structural and Electronic Excitations: an ab-initio Investigation" des SFB1242 mitarbeiten.
Warum Nickelate supraleitend sind
Supraleiter übertragen elektrischen Strom verlustfrei über jede Entfernung und spielen eine wichtige Rolle bei Quantencomputern und medizinischer Bildgebung. Ein vielversprechendes Material sind Nickelate, Oxidverbindungen auf Nickel- und Neodymbasis. Sie wurden 2019 entdeckt; die Mechanismen, die sie supraleitend machen, waren bisher nicht geklärt. Die Ursache gefunden hat nun ein internationales Team unter Leitung der US-amerikanischen Cornell University. Zu ihm gehörten auch eine Physikerin und ein Physiker der UDE. Die Entdeckung könnte helfen, neue verbesserte Supraleiter herzustellen. Die Ergebnisse wurden soeben in Nature Materials veröffentlicht.
Promotion
Dr. Manish Verma hat am 24.02.2023 erfolgreich seine Promotion in der AG Pentcheva zum Thema "Study of electronic, magnetic and thermoelectric properties of oxide heterostructures from density functional theory and beyond" abgeschlossen. Wir gratulieren zur bestandenen Doktorprüfung!
Grüner Wasserstoff: Nanowürfel als optimale Katalysatoren
Damit die Herstellung von grünem Wasserstoff Fahrt aufnehmen kann, braucht es vor allem eines: Nanopartikel, die als Katalysatoren den Prozess der Wasserspaltung in Sauerstoff und Wasserstoff steuern. Günstig, effektiv und umweltverträglich sollten die Partikel sein – und würfelförmig. Das haben Forschende der UDE und der Ruhr-Universität Bochum (RUB) nun herausgefunden. Ihr Beweis darüber, dass würfelförmige Nanopartikel wesentlich effektiver sind als kugelförmige, ebnet den Weg zum gezielten Design effizienter Katalysatoren für grünen Wasserstoff. Über ihre Ergebnisse berichteten sie im Fachjournal Advanced Functional Materials.
Zwei Posterpreise bei CRC1242-Konferenz
Zwei der drei Preise für die besten Poster der internationalen CRC 1242-Konferenz "Exploring the Nonequilibrium Properties of Condensed Matter" in San Sebastián gingen an Mitglieder unserer AG. Elaheh Shomali erhielt den Preis für ihr Poster zu "Anisotropic carrier dynamics in a laser-excited Fe/MgO(001) heterostructure from real-time TDDFT", während Mike Bruckhoff für sein Poster zu "Anisotropic response to optical excitations in naturally layered delafossite PdCoO2 from time-dependent DFT" ausgezeichnet wurde.
Verlängerung für SFB/TRR 247
Gezieltes Design neuer Katalysatormaterialien: Fast alle Alltagsgegenstände sind während ihrer Herstellung mit mindestens einem Katalysator in Kontakt gekommen, damit die Produktion billiger, umweltfreundlicher oder überhaupt erst möglich wird. Ziel des SFB/TRR 247 „Heterogene Oxidationskatalyse in der Flüssigphase“ ist es, günstige, hochaktive und -selektive Katalysatoren auf der atomaren Ebene zu entwickeln. Nach seiner erfolgreichen ersten Förderphase von der DFG wird er für weitere vier Jahre verlängert und mit 12,3 Mio. Euro gefördert.
Internationales Graduiertenkolleg 2D-MATURE (GRK 2803) bewilligt
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert ein neues Internationales Graduiertenkolleg 2D-MATURE (GRK 2803) an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften mit Beteiligung aus der Fakultät für Physik und der University of Waterloo (Kanada), das die Eigenschaften, Herstellung und Anwendung von 2D Materialien im Fokus hat. Darin befassen wir uns mit der Frage wie die Funktionalität durch die Grenzflächen in Heterostrukturen aus 2D Materialien modifiziert und gesteuert wird.
Promotion
Dr. Yuman Peng hat am 31.05.2022 erfolgreich ihre Promotion in der AG Pentcheva zum Thema "Density functional theory investigation of the catalytic properties and OER performance of cobalt oxide surfaces" abgeschlossen. Wir gratulieren zur bestandenen Doktorprüfung!
Promotion
Dr. Vijaya Begum hat am 31.01.2022 erfolgreich ihre Promotion in der AG Pentcheva zum Thema "Role of many-body effects in the theoretical modelling of spectroscopic properties in oxides" abgeschlossen. Wir gratulieren zur bestandenen Doktorprüfung!
Beitrag in UNIKATE Nr. 57 - Katalyse
Rossitza Pentcheva und Hamidreza Hajiyani sind mit einem Beitrag in einer der beiden UNIKATE-Ausgaben 2021, zum Thema "Katalyse", vertreten. Der Beitrag beleuchtet den Einsatz von Großrechnern in der Katalyse- und Energiekonversions-Forschung.
Forschungsdaten gemeinsam nutzbar machen
Zwei Konsortien mit Beteiligung von Forschenden aus der UA Ruhr wurden für die Bund-Länder-Förderung der Nationalen Forschungsdateninfrastruktur, kurz NFDI, ausgewählt. Beide Konsortien widmen sich der Materialforschung, einem Schwerpunkt der UA Ruhr. „FAIRmat“ und „NFDI-MatWerk“ wurden nach einem mehrstufigen Auswahlverfahren bewilligt. Die Förderung ist auf fünf Jahre angelegt.
CENIDE Best Paper Award 2021
Achim Füngerlings erhielt zusammen mit Maik Dreyer (AG Behrens) den CENIDE Best Paper Award 2021 in der Kategorie "Catalysis" für die Publikation: "Synergistic Effects of Co and Fe on the Oxygen Evolution Reaction Activity of LaCoxFe1−xO3".
Promotion
Dr. Okan Köksal hat am 31.08.2021 erfolgreich seine Promotion in der AG Pentcheva zum Thema "Density functional theory study of Mott and topological non-trivial phases in oxide heterostructures" abgeschlossen. Wir gratulieren zur bestandenen Doktorprüfung!
Supraleitende Nickelate
Supraleiter können Strom verlustfrei beliebig weit übertragen und spielen eine wichtige Rolle in Quantencomputern und der Medizin. Doch die Stars unter den elektrischen Leitern funktionieren meist nur bei extremer Kälte. Seit der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung 1986 in Kupraten mit ihren planar angeordneten Kupfer-Sauerstoff Plaketten versucht die Wissenschaft, ähnliches Verhalten in anderen Materialklassen zu realisieren. Erst 2019 wurde Supraleitung in einem Nickeloxid-Film nachgewiesen, doch worauf sie dort beruht, ist noch unklar. Theoretische Physiker vom Center for Nanointegration (CENIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE) haben daher die elektronischen Eigenschaften des Materials untersucht und eine mögliche Erklärung gefunden.
Da das Volumenmaterial des Neodym-Nickeloxids (NdNiO2), welches dieselbe Atomstruktur und Anzahl Valenzelektronen wie viele Kuprate aufweist, alleine nicht supraleitend ist, konzentrierten sich Prof. Rossitza Pentcheva und Dr. Benjamin Geisler auf die Rolle der Filmgeometrie: Das untersuchte System besteht aus einer 1,5 Nanometer dünnen Schicht des Nickelats auf einer Strontiumtitanat-Unterlage (SrTiO3).
Science-Veröffentlichung zu neuer Technik: Materialeigenschaften durch Dehnen verändern
Oxide sind Keramiken, die unter mechanischer Verspannung spröde brechen, ganz im Gegensatz zu den gut verformbaren Metallen. Nun ist es einem internationalen Wissenschaftler-Team, zu dem auch Theoretische Physiker der UDE gehörten, gelungen, Membranen aus Oxiden zu erzeugen, die extreme Verspannungen von bis zu 8 Prozent verkraften können. Werden die Abstände zwischen den Atomen gedehnt, dann können die Elektronen lokalisieren und es entstehen neuartige Eigenschaften, wie z.B. im konkreten Fall ein Übergang von einem leitenden zu einem isolierenden Zustand. Dieser in „Science“ veröffentlichte Durchbruch kann künftig dazu dienen, die Funktionalität von Materialien gezielt zu designen – zum Beispiel für Sensoren oder Detektoren. Gemeinsam mit Kollegen der Northwestern University (USA) haben Manish Verma und Professor Rossitza Pentcheva die Ursachen und zugrundeliegenden Mechanismen für das Verhalten des Materials Lanthan-Calcium-Manganoxid (La1-xCaxMnO3, LCMO) unter extremer Zugspannung mittels Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen untersucht.
Magnetische Materialien für künftige Energietechnologien
Ob superstarke Permanentmagnete für Windräder und Elektromotoren oder Werkstoffe für die magnetische Kühlung – für eine erfolgreiche Energiewende und zugunsten einer emissionsarmen Zukunft müssen neue Funktionsmaterialien her. An der TU Darmstadt und der UDE startet daher zum 1. Januar der neue Transregio-Sonderforschungsbereich TRR 270, Hysteresis Design of Magnetic Materials for Efficient Energy Conversion („HoMMage“), der zunächst für vier Jahre mit rund 12 Mio. Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird. Die AG Pentcheva ist am TRR 270 im Rahmen des Teilprojekts B06, Rational design of narrow-hysteresis materials by tailoring magnetoelastic interactions, beteiligt (Projektleitung: PD Dr. Markus Gruner).
Posterpreis auf International Bunsen-Discussion-Meeting
Der Beitrag " Why Tin-doping enhances the efficiency of Hematite photoanodes for water splitting " von Hamidreza Hajiyani hat auf dem International Bunsen-Discussion-Meeting " Fundamentals and Applications of (Photo)Electrolysis for Efficient Energy Storage" (1-5. April 2019, Taormina , Italy) den Posterpreis gewonnen. Die Veröffentlichung wurde außedem als Titelseite auf Advanced Functional Materials ausgewählt.
TRR 80 für weitere vier Jahre gefördert
Weitere 8,8 Mio. € für die Erforschung elektronisch korrelierter Materialien. Der Transregionale Sonderforschungsbereich TRR 80 „Von elektronischen Korrelationen zur Funktionalität“ ist zum zweiten Mal als exzellenter Forschungsverbund mit internationaler Ausstrahlung evaluiert worden und wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für vier weitere Jahre gefördert. Prof. Dr. Rossitza Pentcheva leitet darin zwei Projekte: Eines zum Verständnis fundamentaler Mechanismen, die das Auftreten von neuartigem elektronischem Verhalten an Übergangsmetalloxid-Grenzflächen steuern, in einem weiteren Projekt beschäftigt sie sich mit dem Verständnis und der Optimierung solcher Systeme als vielversprechende thermoelektrische Bauelemente.
CENIDE News
Thermoelektrische Generatoren aus polaren Oxid-Nanoschichten: Sie könnten heiße Rohrleitungen in der Industrie ummanteln oder am Abgasstrang unseres Autos sitzen: Thermoelektrische Generatoren nutzen Wärmegradienten, um Strom zu erzeugen und damit Energie zurückzugewinnen, die sonst verlorenginge. Leider enthalten viele der bisher hierfür verwendeten Materialien Elemente, die selten, giftig oder gar beides sind. Wissenschaftler vom Center for Nanointegration (CENIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE) haben jüngst nachgewiesen, dass es auch anders geht: Ihre Technik, die auf Nanoschichten mit geladenen Grenzflächen basiert, haben sie zum Patent angemeldet.
Erfolgreiche DFG-Förderanträge
Im Rahmen der Schwerpunktprogramme 1599 und 1613 konnten Projektmittel von der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Arbeitsgruppe eingeworben werden. Beide Projekte beschäftigen sich mit der Suche nach neuen Materialien für die effiziente Energiekonversion oder die Erschliessung regenaritiver Energieequellen.
Das Projekt im SPP 1613 "Regenerativ erzeugte Brennstoffe durch lichtgetriebene Wasserspaltung: Aufklärung der Elementarprozesse und Umsetzungsperspektiven auf technologische Konzepte" ist ein Gemeinschaftsantrag von Rossitza Pentcheva mit Thomas Bein, Dina Fattakhova-Rohlfing (beide LMU München) und Christina Scheu (MPI für Eisenforschung, Düsseldorf). Es beschäftigt sich mit der Entwicklung von neuartigen Metalloxid-Nanomorphologien, die die Ausbeute bei der elektrochemischen und licht-getriebenen Wasserspaltung verbessern sollen (Link zur Pressemitteilung und zur Projektseite).
Das Vorhaben im SPP 1599 "Kalorische Effekte in ferroischen Materialien: Neue Konzepte der Kühlung" dreht sich um die Entwicklung neuartiger magnetokalorischer Materialien mit maßgescheiderter Hysterese. Diese sind zur effizienten Nutzung magnetokalorischer Kühlverfahren nötig, die in Zukunft den herkömmlichen Gas-Kompressor-Zyklus ersetzen sollen. Dieses Projekt wurde von Markus Gruner gemeinschaftlich mit Mehmet Acet, Michael Farle, Heiko Wende (alle UDE) und Oliver Gutfleisch (TU Darmstadt) beantragt (Link zur Pressemitteilung).
Posterpreis auf CECAM Meeting
Der Beitrag "Tuning the Thermoelectric Properties of Cobaltates by Epitaxial Strain" von Markus Gruner und Rossitza Pentcheva hat auf dem CECAM Workshop "Electronic Structure at the Cutting Edge with Elk" (Lausanne, 10-14. August 2015) den ersten Posterpreis gewonnen.
