Elektronenstruktur

Teilprojekt B

Bandstruktur, Fachgebiet Theorie magnetischer Materialien

Leitung: Prof. Dr. Hongbin Zhang

As we know, there is a unique relationship between physical properties of the system and the structure of the system, and similarly a unique relationship between band structure and physical characteristics, therefore it is completely reasonable to find a unique relationship between band structure and structural properties of the system. This is exactly our goal, namely to find a descriptor for the ferroelectrics and antiferroelectrics from the band structure. In terms of ferroelectrics, we studied strain, changing A_site element and Pseudo-John-Teller distortion as the probable candidates for the origin of distortions. One of the most important discoveries was emergence of A-site P-orbital between the O-2s and O-2p states in ferroelectrics, while this point does not exist in CTO as a quantum paraelectric. In order to gain a deeper understanding, we plan to study the PJTD for ferroelectrics to understand how valence and conduction bands hybridize during the distortions.

Figure. 1. Alignment of A-site-p-state between the O-2s and O-2p.

Usually in ferroelectrics, one or two distortion modes appear and usually they are coupled with each other in a simple way but in antiferroelectrics, there are more than two or three modes (for instance in AgNbO3 and NaNbO3 there are more than 9 modes and all of them are coupled with each other in a very complex way) , therefore studying ferroelectrics is not only good to figure out ferroelectric properties better, but also helpful in studying antiferroelectrics due to our previous information about how any of the distortion modes are coupled with the band structure.

In antiferroelectrics, due to large supercell, we need to study the unfolded band structure and we are going to study them in more detail.

Bandanpassung, Fachgebiet Elektronenstruktur von Materialien

Leitung: Prof. Dr. Andreas Klein

Abb. 1: Bandanpassung und Lage des Ferminveaus in (Ba,Sr)TiO3 und Pb(Zr,Ti)O3 Dünnschichten [1].

Wir untersuchen den Zusammenhang zwischen der Lage der Energiebänder und elektronischer Defektzustände mit antiferroelektrischen Eigenschaften. Diese Aspekte der elektronischen Struktur werden durch Photoelektronenspektroskopie an Grenzflächen und elektrische Leitfähigkeitsmessungen analysiert und mit theoretischen Vorhersagen abgeglichen. Die Messungen sind auch wichtig für das Verständnis der Stabilität bei hohen elektrischen Feldern und des Einflusses der Dotierung sowie der unterschiedlichen Elektrodenmaterialien.

[1] R Schafranek et al. PbTiO3/SrTiO3 interface: Energy band alignment and its relation to the limits of Fermi level variation, Phys. Rev. B 84, 045317 (2011).

Defekte, Fachgebiet Materialmodellierung

Leitung: Prof. Dr. Karsten Albe

In diesem Projekt wird untersucht, wie die die elektronischen und strukturellen Eigenschaften antiferroelektrischer Materialien durch intrinsische und extrinsische Punktdefekte beeinflusst oder auch gezielt gesteuert werden können. Mit Hilfe von First-Principles Rechnungen, basierend auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) werden die Bildungsenergien intrinsischer und extrinsischer Punktdefekte in verschiedenen Ladungszuständen als Funktion der Fermienergie und des chemischen Potentials des Reservoirs bestimmt.

Aus den Daten lassen sich elektronische und thermodynamische Defektniveaus bestimmen und Defektgleichgewichte vorhersagen. Weiterhin ist geplant, auch Defektassoziate mit Dotanden zu untersuchen. In diesem Zusammenhang spielt auch die Vorhersage der Defektmobilität eine wichtige Rolle für das Materialdesign, da die Migrationsbarrieren geladener Defekte von der Lage des Ferminiveaus beeinflusst werden können. Neben der chemischen Dotierung, welche auch die Phasenstabilität von ferroelektrischen und antiferroelektrischen Phasen beeinflussen kann, soll in diesem Arbeitspaket auch die Rolle von Polaronen untersucht werden.