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"Theoretische Spectroskopie"

Die Festkörpertheorie-Gruppe arbeitet an vorderster Front der Erstellung theoretischer Ansätze für angeregte Zustände und leistet einen Beitrag zur Entwicklung der Theorie und deren Umsetzung in effizienten numerischen Code und der Anwendung auf einer Vielzahl von Systemen mit technologischer Relevanz.

Prof. Bottis aktuelle Forschungstätigkeit ist vor allem auf das Verständnis der elektronischen Eigenschaften von Materialien für die Energieumwandlung mit besonderem Schwerpunkt auf die Photovoltaik und das Design neuer Kandidaten für Materialien zur Anwendung in der Energieerzeugung, -speicherung und –sparen gerichtet. Neue Materialien, die noch nicht synthetisiert wurden, werden mithilfe von globalen strukturellen ab initio-Vorhersagen und Hochdurchsatz-Berechnungen vorgeschlagen. Die thermodynamisch stabilen Verbindungen können dann vorab im Computer unter Nutzung der gleichen Techniken, wie bei bereits bekannten Materialien eingesetzt, charakterisiert werden. Die Probleme im Zusammenhang mit elektronischen Anregungen sind besonders anspruchsvoll, da sie oft spezielle Werkzeuge fordern, die über die Standard-Dichte-Funktional-Theorie hinausgehen, wie deren Ausweitung auf zeitabhängige Phänomene oder Green-Funktion-Methoden. Dennoch wurde die normale Dichte-Funktional-Theorie (oft zusammen mit einige ad-hoc Korrekturen) viele Male in der Literatur angewendet, um angeregten Zustandseigenschaften der verwendeten Materialien, z.B. für die Photovoltaik oder Optoelektronik zu untersuchen, trotz der Tatsache, dass diese Theorie formal nur die Eigenschaften des Grundzustandes beschreibt. In diesem Zusammenhang hat Prof. Bottis Gruppe neue Näherungen entwickelt und nutzt moderne Ansätze für angeregte Zustände zur Klärung der widersprüchlichen experimentellen und theoretischen Ergebnisse. Dank wertvoller Messergebnisse aus Experimenten der Partner-Gruppen ist es bereits gelungen, die erzielten Ergebnisse in die Lösung verschiedener bereits lang anstehender grundsätzlicher Fragen der Physik der elektronischen Eigenschaften von bestimmten Materialien wie Absorber für Dünnschicht-Solarzellen, Nanostrukturen für Optoelektronik oder die Katalyse sowie Materialen mit amorph- kristallinen Phasenübergang für die Datenspeicherung, Graphit unter Druck, p-dotiertes Zinkoxid und Delafossites für transparente Elektroden und Materialien für die Wasserstoffspeicherung , Supraleiter, topologische Isolatoren usw. einzubringen.

Beispielhaft für die Qualität der Ergebnisse zeigt die Abbildung die optischen Absorptionsspektren eines Kupfer-Indium-Diselenid Dünnschichtmoduls, der als Absorber in der Photovoltaik-Industrie verwendet wird. Die Absorptionsspektren wurden mit zwei unterschiedlichen Näherungen (gekennzeichnet als RPA und BSE) für verschiedene Polarisierungen des Lichts berechnet und befinden sich in ausgezeichneter Übereinstimmung mit den gemessenen Spektren.

Bild 1
Bild aus S. Körbel, D. Kammerlander, R. Sarmiento-Pérez, C. Attaccalite, M.A.L. Marques, and S. Botti, Phys. Rev. B 91, 075134 (2015)

Die Schwerpunkte im Einzelnen

Bild für Schwerpunkt 1
"Theoretische Spektroskopie"
Bild für Schwerpunkt 2
Entwicklung von "First-principles"-Methoden

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