Forschung im FG TG

Fachgebiet Theoretische Grundlagen der Materialentwicklung

Forschung

Im Zentrum der Forschung des Fachgebiets steht die Materialmodellierung als theoretisches Instrument der Materialentwicklung. Auf der Basis mathematischer Modelle werden hierbei Erklärungen und Voraussagen experimenteller Beobachtungen erstrebt, um einerseits die Optimierung der Eigenschaften oder des Verhaltens bekannter Materialien und andererseits die Synthese neuer Materialien mit gewünschten Eigenschaften bzw. erwartetem Verhalten für künftige Ingenieuranwendungen gezielt zu unterstützen.

Folgende Materialklassen werden zur Zeit untersucht:

Übergangsmetalle

Bei dieser, durch Ta und Fe bzw. Edelstahl in der Form massiver Proben repräsentierten Materialklasse ist die theoretische Überprüfung ihrer Eignung als Strukturkomponenten zukünftiger Hochleistungs-Spallationsneutronenquellen unter den Bedingungen intensiver Protonenbestrahlung hauptsächliches Ziel. Erste Resultate für die in Aussicht genommene europäische Spallationsneutronenquelle sagen hohe bestrahlungsinduzierte Konzentrationen atomaren Wasserstoffs voraus, die - infolge spannungsgetriebener Anreicherung in der Umgebung von Mikrorissen weiter erhöht - zu einer ernsthaften Degradation der mechanischen Eigenschaften von Edelstählen führen können, wogegen keine nennenswerte Verschlechterung der Materialeigenschaften im Fall von Tantal zu erwarten ist.

Hochtemperatursupraleiter

Bei dieser, durch YBa₂Cu₃O₇ und Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ als typischen Vertretern in der Form dünner Schichten oder kompakter Proben repräsentierten Materialklasse stehen Untersuchungen elektromagnetischer Eigenschaften planarer, als ‘Weak-Links’ betrachteter Kristalldefekte im Vordergrund. Bevorzugtes Interesse gilt dabei der Erforschung des Zusammenhangs zwischen elektromagnetischer Response und charakteristischer Defektmorphologie, um hieraus Informationen über konstitutive Parameter dünner, supraleitender Schichten zu gewinnen. Weiteres Interesse besteht an der Eruierung von Möglichkeiten, die durch Kristalldefekte des genannten Typs beschränkte Stromtragfähigkeit massiver, supraleitender Materialien im Hinblick auf mögliche Hochstromanwendungen (z.B. in Strombegrenzern, zur elektrischen Energieübertragung oder für den Bau hocheffektiver Elektromagnete) zu verbessern.

Organische Halbleiter

Bei dieser, durch Alq₃ in der Form dünner Schichten repräsentierten Materialklasse liegt das Gewicht auf Realzeitmodellierungen des Transports bipolar injizierter Ladungsträger und thermisch stimulierter Lumineszenz mit dem Ziel, durch Anpassung an das Experiment Informationen über die elektronische Struktur inhärenter Haftstellen für freie Ladungsträger zu extrahieren und so die weitere Entwicklung dieser neuen, als Leuchtstoffe Verwendung findenden Materialien zu befördern. Einige der wichtigsten, hierbei zu berücksichtigenden Gesichtspunkte sind die Feldabhängigkeit der Beweglichkeiten der betreffenden Ladungsträger sowie die Feld- und Temperaturabhängigkeit der vorhandenen Injektionsbarrieren, abgesehen von der Verteilung der Haftstellen in Raum und Energie.

Ferroelektrika

Bei dieser, durch BaTiO₃ repräsentierten Materialklasse ist das Interesse auf den Prozeß der Alterung, d.h. die allmähliche Änderung von Materialeigenschaften mit der Zeit unter isothermen Bedingungen und bei Abwesenheit äußerer mechanischer Belastungen, gerichtet. Dieser Prozeß manifestiert sich in Änderungen der statischen und kinetischen Charakteristika wie den auf ferroelektrische Domänen ausgeübten Klemmdruck oder die Asymmetrie der elektrischen Leitfähigkeit parallel bzw. antiparallel zur Richtung der spontanen Polarisation, in Phänomenen also, die möglicherweise durch die Wanderung geladener atomarer Fehlstellen unter dem Einfluß innerer oder äußerer elektrischer Felder erklärt werden können. Erste, auf der Basis eines Drift-Diffusionsansatzes erhaltene Resultate weisen darauf hin, daß der experimentell beobachtete drastische Anstieg des Klemmdrucks mit der Zeit in der Tat von einem Mechanismus dieser Art kontrolliert wird.