Egger David
Dipl.-Ing. Dr.rer.nat
Forum Technik und Gesellschaft Förderpreisträger 2014
Kategorie Dissertationen
1. Preis
Titel
Untersuchungen der Wechselwirkung zwischen Metallen und organischen Materalien auf Basis der Dichtefunktionaltheorie
Kurzfassung
Die Grenzflächen zwischen Metallen und organischen Molekülen sind von besonderer technologischer Relevanz, da organische Materialien in neuartigen elektronischen Bauteilen zum Einsatz kommen. Diese Grenzflächen sind aber auch wissenschaftlich von großer Bedeutung, da ein mikroskopisches Verständnis der elektronischen Eigenschaften von kombinierten metallorganischen Systemen zwingend notwendig ist, um neuartige funktionelle Bauelemente zu realisieren. In dieser Doktorarbeit werden mittels atomistischer Simulationen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie die Grenzflächen zwischen Metallen und organischen Monolagen untersucht. Verschiedene Materialien von organischen Molekülen in der Gasphase bis hin zu molekularen Ensembles und komplexen metallorganischen Systemen werden besonders im Hinblick auf die Wechselwirkungen an der Grenzflächen und hinsichtlich einer Verbesserung der angewandten Simulationsmethoden untersucht. Im Kontext metallorganischer Grenzflächen wird gezeigt, dass die kollektive elektrostatische Wechselwirkung zwischen organischen Molekülen die fundamentalen Transporteigenschaften von molekularen Schichten massiv verändern kann. Dieses kollektive Verhalten organischer Moleküle wird im Folgenden für die durch polare Monolagen induzierten Veränderungen der Austrittsarbeit diskutiert, wo wir mittels atomistischer Simulationen eine unerwartete Antikorrelation zwischen dem Dipolmoment der Monolage und der erzielten Veränderung der Austrittsarbeit untersuchen und auf ein durch das molekulare Dipolmoment erzeugtes Lokalisieren und energetisches Verschieben der elektronischen Zustände zurückführen. Unserer Ergebnisse hinsichtlich der Qualität neuartiger Korrekturverfahren innerhalb der Dichtefunktionaltheorie zeigen, dass eine akkurate theoretische Beschreibung von neuartigen Materialien möglich ist, sowohl für die strukturellen Eigenschaften komplexer Hybridsysteme als auch für die Vorhersage der elektronischen Struktur von Molekülen in der Gasphase.
persönliche Begründung der gesellschaftlichen Relevanz
Meine im Grenzbereich zwischen Physik und Chemie angesiedelte Dissertation wurde durch ein DOC Stipendium der ÖAW finanziert und widmet sich dem hochaktuellen Thema der Computersimulation neuartiger Materialklassen, insbesondere von nanoartigen Grenzflächen zwischen molekularen und anorganischen Materialien. Diese Grenzflächen können die mechanischen, optischen und elektrischen Eigenschaften von Bauelementen entscheidend beeinflussen und sind daher von immenser technologischer Bedeutung für Anwendungen wie z.B. neuartige Solarzellen, Bildschirme, Beleuchtungssysteme und elektronische Schaltungen, aber auch für Themenfelder wie heterogene Katalyse. Ziel meiner von Prof. Egbert Zojer am Institut für Festkörperphysik betreuten Dissertation war es, ein verbessertes mikroskopisches Verständnis von an der Grenzfläche auftretenden Prozessen zu erarbeiten, um damit neue vielversprechende Materialsysteme vorzuschlagen zu können. Im Zuge meiner Dissertation wurden bis dato zehn Fachbeiträge in internationalreferierten, zum Teil hochkarätigen Fachjournalen (Advanced Materials, Nano Letters, etc.) publiziert. Die zugehörigen Ergebnisse wurden in Kooperation mit Wissenschaftlern der Fakultät für Chemie des Weizmann Instituts in Rehovot (Israel) und des Instituts für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin erarbeitet. Ein zentrales Element meiner Dissertation ist das kollektive Verhalten von Elektronen in komplexen Materialsystemen. Dies manifestiert sich einerseits in elektrostatischen Effekten, verursacht andrerseits aber auch Korrelationseffekte (so genannte „van der Waals Wechselwirkungen“), welche die Eigenschaften metallorganischer Systeme auf unterschiedliche Art entscheidend prägen. So konnte in meiner Dissertation gezeigt werden, dass für elektrische Bauteile relevante Kenngrößen wie die Austrittsarbeit oder die Injektionsbarriere für Ladungsträger massiv von derartigen Effekten beeinflusst werden, was von großer praktischer Relevanz für eine Reihe von Anwendungen ist. Im Zuge unserer Forschungsarbeiten konnten wir auch organische Materialsysteme vorschlagen, welche dieses kollektive Verhalten gezielt ausnutzen. Diese Einsichten haben schließlich eine Reihe von Experimentatoren dazu veranlasst, die von uns vorgeschlagenen Konzepte praktisch umzusetzen. Erfreulicherweise sind unsere theoretischen Prognosen mittlerweile auch experimentell bestätigt, was ein beachtlicher Erfolg für derartige Computersimulationen ist. Die gesellschaftliche Relevanz computerbasierter Materialforschung liegt meiner Meinung nach in der Entdeckung und Erforschung neuartiger, noch unbekannter Materialien. Derartige Entdeckungen können die Leistungsfähigkeit bestehender Technologien entscheidend verbessern, sind aber vor allem auch Triebfeder für völlig neue Anwendungen mit ungeahnten technologischen Konsequenzen. Diese Einschätzung wird unter anderem dadurch bestätigt, dass durch verschiedene Initiativen weltweit (z.B. „Materials Genome Initiative“ der US Regierung oder „Harvard Clean Energy Project“ der Harvard Universität) die Computersimulation von Materialien in den Fokus gesamtgesellschaftlicher Forschungsbestrebungen gerückt wird. Aufgrund der Vielzahl an in den letzten Jahren neu entwickelten Computerverfahren (z.B. „Big Data“ Methoden) und (wie auch in meiner Dissertation gezeigt) der Entwicklung immer zuverlässigerer Simulationsmethoden ist zu erwarten, dass die computerbasierte Materialforschung zukünftig noch deutlich an Relevanz gewinnen wird.
Kategorie Dissertationen
1. Preis
Titel
Untersuchungen der Wechselwirkung zwischen Metallen und organischen Materalien auf Basis der Dichtefunktionaltheorie
Kurzfassung
Die Grenzflächen zwischen Metallen und organischen Molekülen sind von besonderer technologischer Relevanz, da organische Materialien in neuartigen elektronischen Bauteilen zum Einsatz kommen. Diese Grenzflächen sind aber auch wissenschaftlich von großer Bedeutung, da ein mikroskopisches Verständnis der elektronischen Eigenschaften von kombinierten metallorganischen Systemen zwingend notwendig ist, um neuartige funktionelle Bauelemente zu realisieren. In dieser Doktorarbeit werden mittels atomistischer Simulationen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie die Grenzflächen zwischen Metallen und organischen Monolagen untersucht. Verschiedene Materialien von organischen Molekülen in der Gasphase bis hin zu molekularen Ensembles und komplexen metallorganischen Systemen werden besonders im Hinblick auf die Wechselwirkungen an der Grenzflächen und hinsichtlich einer Verbesserung der angewandten Simulationsmethoden untersucht. Im Kontext metallorganischer Grenzflächen wird gezeigt, dass die kollektive elektrostatische Wechselwirkung zwischen organischen Molekülen die fundamentalen Transporteigenschaften von molekularen Schichten massiv verändern kann. Dieses kollektive Verhalten organischer Moleküle wird im Folgenden für die durch polare Monolagen induzierten Veränderungen der Austrittsarbeit diskutiert, wo wir mittels atomistischer Simulationen eine unerwartete Antikorrelation zwischen dem Dipolmoment der Monolage und der erzielten Veränderung der Austrittsarbeit untersuchen und auf ein durch das molekulare Dipolmoment erzeugtes Lokalisieren und energetisches Verschieben der elektronischen Zustände zurückführen. Unserer Ergebnisse hinsichtlich der Qualität neuartiger Korrekturverfahren innerhalb der Dichtefunktionaltheorie zeigen, dass eine akkurate theoretische Beschreibung von neuartigen Materialien möglich ist, sowohl für die strukturellen Eigenschaften komplexer Hybridsysteme als auch für die Vorhersage der elektronischen Struktur von Molekülen in der Gasphase.
persönliche Begründung der gesellschaftlichen Relevanz
Meine im Grenzbereich zwischen Physik und Chemie angesiedelte Dissertation wurde durch ein DOC Stipendium der ÖAW finanziert und widmet sich dem hochaktuellen Thema der Computersimulation neuartiger Materialklassen, insbesondere von nanoartigen Grenzflächen zwischen molekularen und anorganischen Materialien. Diese Grenzflächen können die mechanischen, optischen und elektrischen Eigenschaften von Bauelementen entscheidend beeinflussen und sind daher von immenser technologischer Bedeutung für Anwendungen wie z.B. neuartige Solarzellen, Bildschirme, Beleuchtungssysteme und elektronische Schaltungen, aber auch für Themenfelder wie heterogene Katalyse. Ziel meiner von Prof. Egbert Zojer am Institut für Festkörperphysik betreuten Dissertation war es, ein verbessertes mikroskopisches Verständnis von an der Grenzfläche auftretenden Prozessen zu erarbeiten, um damit neue vielversprechende Materialsysteme vorzuschlagen zu können. Im Zuge meiner Dissertation wurden bis dato zehn Fachbeiträge in internationalreferierten, zum Teil hochkarätigen Fachjournalen (Advanced Materials, Nano Letters, etc.) publiziert. Die zugehörigen Ergebnisse wurden in Kooperation mit Wissenschaftlern der Fakultät für Chemie des Weizmann Instituts in Rehovot (Israel) und des Instituts für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin erarbeitet. Ein zentrales Element meiner Dissertation ist das kollektive Verhalten von Elektronen in komplexen Materialsystemen. Dies manifestiert sich einerseits in elektrostatischen Effekten, verursacht andrerseits aber auch Korrelationseffekte (so genannte „van der Waals Wechselwirkungen“), welche die Eigenschaften metallorganischer Systeme auf unterschiedliche Art entscheidend prägen. So konnte in meiner Dissertation gezeigt werden, dass für elektrische Bauteile relevante Kenngrößen wie die Austrittsarbeit oder die Injektionsbarriere für Ladungsträger massiv von derartigen Effekten beeinflusst werden, was von großer praktischer Relevanz für eine Reihe von Anwendungen ist. Im Zuge unserer Forschungsarbeiten konnten wir auch organische Materialsysteme vorschlagen, welche dieses kollektive Verhalten gezielt ausnutzen. Diese Einsichten haben schließlich eine Reihe von Experimentatoren dazu veranlasst, die von uns vorgeschlagenen Konzepte praktisch umzusetzen. Erfreulicherweise sind unsere theoretischen Prognosen mittlerweile auch experimentell bestätigt, was ein beachtlicher Erfolg für derartige Computersimulationen ist. Die gesellschaftliche Relevanz computerbasierter Materialforschung liegt meiner Meinung nach in der Entdeckung und Erforschung neuartiger, noch unbekannter Materialien. Derartige Entdeckungen können die Leistungsfähigkeit bestehender Technologien entscheidend verbessern, sind aber vor allem auch Triebfeder für völlig neue Anwendungen mit ungeahnten technologischen Konsequenzen. Diese Einschätzung wird unter anderem dadurch bestätigt, dass durch verschiedene Initiativen weltweit (z.B. „Materials Genome Initiative“ der US Regierung oder „Harvard Clean Energy Project“ der Harvard Universität) die Computersimulation von Materialien in den Fokus gesamtgesellschaftlicher Forschungsbestrebungen gerückt wird. Aufgrund der Vielzahl an in den letzten Jahren neu entwickelten Computerverfahren (z.B. „Big Data“ Methoden) und (wie auch in meiner Dissertation gezeigt) der Entwicklung immer zuverlässigerer Simulationsmethoden ist zu erwarten, dass die computerbasierte Materialforschung zukünftig noch deutlich an Relevanz gewinnen wird.