Ab-initio-Modellierung der Moleküladsorption auf ferroelektrischen Substraten
Überblick
Die physikalischen und chemischen Oberflächeneigenschaften ferroelektrischer Substrate hängen von der Richtung der Polarisierung ab. So sind z.B. der Gefrierpunkt von Wasserfilmen oder die Ätzrate unterschiedlich gepolter Oberflächen meßbar verschieden. Auch die molekulare Adsorption wird durch die Dipolorientierung der jeweiligen Substratdomänen beeinflußt. Zusammen mit der inzwischen routinemäßig angewandten Polarisationsumkehr definierter Substratbereich ergibt sich dadurch die reizvolle Möglichkeit, chemische Eigenschaften gezielt und domainspezifisch einzustellen, und für technologische Zwecke zu nutzen. Allerdings sind die Ursachen der beobachteten Polarisationsabhängigkeit der Oberflächenchemie überraschend unklar. Diskutiert werden in diesem Zusammenhang Ladungstransferprozesse und elektrostatische Wechselwirkungen verbunden mit Raumladungsschichten und Bandverbiegungen im Substrat als auch externe Kompensationsladungen bzw. der pyroelektrische Effekt. Andere Erklärungen verweisen auf die strukturellen und stöchiometrischen Unterschiede verschieden polarisierter Oberflächen. In dem hier vorgeschlagenen Projekt sollen diese Effekte systematisch mit Hilfe parameterfreier Gesamtenergierechnunen untersucht werden. Die Wechselwirkung kleiner Moleküle wie z.B. N2, O2, CO2 und H2O mit den strukturell vergleichsweise gut charakterisierten Lithiumniobatoberflächen sind als Ausgangspunkt unserer Untersuchungen geplant. Diese werden später auf andere ferroelektrische Substrate wie Bariumtitanat und kleine Kohlenwasserstoffe sowie Modelle für Flüssigkristallmoleküle ausgedehnt. Neben der gründlichen Charakterisierung des molekularen Adsorptionsverhaltens, d.h. Thermodynamik und Reaktionskinetik , sind wir insbesondere am Einfluß der Adsorptionsschicht auf die elektronischen und optischen Eigenschaften des Substrats sowie den möglichen Implikationen für die ferroelektrische Polarisationsumkehr interessiert.
DFG-Verfahren Sachbeihilfen
Key Facts
- Art des Projektes:
- Forschung
- Laufzeit:
- 01/2013 - 12/2020
- Gefördert durch:
- DFG
- Website:
-
DFG-Datenbank gepris
Detailinformationen
Ergebnisse
Im Rahmen dieses DFG-Projektes wurde gezeigt, daß die Polarisation ferroelektrischer Oberflächen einen großen Einfluß auf die molekulare Adsorption hat. Für kleinere Moleküle betrifft dies z.B. die Desorptionstemperatur oder auch die molekulare Ordnung und Korrelationsfunktionen in Wasserschichten, die nicht in unmittelbaren Kontakt mit der Oberfläche stehen. Im Falle von größeren Molekülen wie z.B. in Flüssigkristallen kann es zu einer Änderung der Molekülorientierungen kommen. Dabei überwiegt der Einfluß der polarisationsabhängigen Oberflächenstöchiometrie und die dadurch induzierten lokalen Bindungsverhältnisse den Einfluß langreichweitiger elektrischer Felder. Anwendungsrelevant ist insbesondere die erstmalige Berechnung kompletter Oberflächenphasendiagramme für die relevanten Lithiumniobatkristallorientierungen unter Umgebungsbedingungen. «Intrinsic LiNbO3 point defects from hybrid density functional calculations» Phys. Rev. B 89, 094111 (2014) Y Li, WG Schmidt, S Sanna (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.094111) «Modeling LiNbO3 Surfaces at Ambient Conditions» J. Phys. Chem. C 118, 10213 (2014) R. Hölscher, WG Schmidt, S Sanna (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/jp502936f) «Temperature dependent LiNbO3(0001): Surface reconstruction and surface charge» Appl. Surf. Sci. 301, 70 (2014) S Sanna, R Hölscher, WG Schmidt (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.01.104) «Defect complexes in congruent LiNbO3 and their optical signatures» Phys. Rev. B 91, 174106 (2015) Y Li, WG Schmidt, S Sanna (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.174106) «Liquid Crystal (8CB) Molecular Adsorption on Lithium Niobate Z-Cut Surfaces» J. Phys. Chem. 119, 9342 (2015) C Braun, S Sanna, WG Schmidt (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b00894) «Modeling atomic force microscopy at LiNbO3 surfaces from first-principles» Comput. Mater. Sci. 103, 145 (2015) S Sanna, C Dues, WG Schmidt (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2015.03.025) «Polaronic deformation at the Fe2+/3+ impurity site in Fe:LiNbO3 crystals» Phys. Rev. B 91, 094109 (2015) A Sanson, A Zaltron, N Argiolas, C Sada, and M Bazzan, WG Schmidt, S Sanna (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.094109) «Surface induced vibrational modes in the fluorescence spectra of PTCDA adsorbed on the KCl(100) and NaCl(100) surfaces» Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 32891 (2016) A Paulheim, C Marquardt, M Sokolowski, M Hochheim, T Bredow, H Aldahhak, E Rauls and WG Schmidt (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C6CP05661J) «LiNbO3 surfaces from a microscopic perspective» J. Phys.: Condens. Matter 29, 413003 (2017) S Sanna, WG Schmidt (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa818d)Projektbezogene Publikationen (Auswahl)