Forschungsschwerpunkte

• Atomare und elektronische Struktur von Oberflächen und Grenzflächen
• Schwingungsdynamik von Oberflächen
• Optische Spektren von Festkörpern, Oberflächen und Molekülen

Der Schwerpunkt der Forschungstätigkeit der Arbeitsgruppe liegt in der Theoretischen Festkörperphysik und insbesondere im Bereich der Oberflächen- und Grenzflächenphysik. Hauptarbeitsgebiet ist die Theorie elektronischer, struktureller, vibronischer und chemischer Eigenschaften von Volumenkristallen, Oberflächen und Grenzflächen. In der modernen Festkörperphysik sind Oberflächen und Grenzflächen von Halbleitern, Metallen und Isolatoren von zentraler Bedeutung. Das starke Interesse an diesen Systemen basiert einerseits auf einer Fülle von grundlegend neuen Phänomenen, die sich aus der reduzierten Dimensionalität ergeben (z.B. quantisierter Hall-Effekt), und andererseits auf ihrer breiten technologischen Relevanz, z.B. für Halbleiterbauelemente, für die Mikrotechnologie, bei der Katalyse und im Zusammenhang mit der Korrosion. Für ein grundlegendes Verständnis der Phänomene und eine gezielte Beeinflussung von Materialien für Anwendungen ist eine möglichst genaue Kenntnis der mikroskopischen Eigenschaften von Oberflächen und Grenzflächen unabdingbar.

Das Fehlen der dreidimensionalen Periodizität, das für alle diese Systeme charakteristisch ist, erfordert die Entwicklung neuer theoretischer Methoden zu ihrer Behandlung und erzwingt einen großen numerischen Aufwand bei der quantitativen theoretischen Beschreibung. Zum Studium von Elektronen und Phononen in solchen Systemen hat sich unsere streutheoretische Methode als besonders zugkräftig erwiesen. Sie basiert auf Einteilchen-Greenfunktionen und gestattet es, elektronische und vibronische Eigenschaften mit einer extrem großen spektralen Auflösung zu analysieren. Dies ermöglicht direkte Vergleiche mit experimentellen Daten der hochauflösenden Oberflächenspektroskopie. Da Fortschritte im grundlegenden Verständnis der sehr komplexen Systeme meistens auf intensiver Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experiment basieren, unterhält die Arbeitsgruppe eine Reihe von nationalen und internationalen Kooperationen, unter anderem in einem BMFT Verbundprojekt, an dem vornehmlich experimentelle Arbeitsgruppen beteiligt sind, sowie in einem "network" bestehend aus etwa vierzig europäischen Theoriegruppen, die im Rahmen des Human Capital and Mobility Programms der EG gemeinsam an der Thematik "Ab initio calculation of complex processes in materials" arbeiten.

Die Basis oberflächenphysikalischer Studien ist eine präzise Kenntnis der zugrundeliegenden Volumenkristalle. Diese studieren wir im Rahmen der lokalen Dichteapproximation (LDA) der Dichtefunktionaltheorie unter Verwendung modernster nichtlokaler, normerhaltender Pseudopotentiale in separabler Form. Die Entwicklung solcher Potentiale wird in der Arbeitsgruppe betrieben. Sie werden z.B. für die technologisch wichtigen Polytypen des SiC (blaue Leuchtdioden) und der Gruppe-III-Nitride verwendet. Insbesondere werden theoretische Ansätze verfolgt, die über die LDA hinausgehen und charakteristische Unzulänglichkeiten dieser Näherung überwinden. Hier sind vor allem Selbstwechselwirkungskorrekturen zu nennen, die es uns ermöglicht haben, für eine große Gruppe von II-VI Halbleitern erstmals quantitative Ergebnisse für die elektronischen Eigenschaften zu erzielen. Diese Halbleiter sind z.B. für die heterogene Katalyse (e.g. ZnO und seine Oberflächen) oder für die Optoelektronik (e.g. Heterostrukturen mit ZnSe, blaue Laser) von überragender Bedeutung. Darüber hinaus werden Selbstenergiekorrekturen im Rahmen der GW-Näherung studiert. Diese liefert Quasiteilchenbandstrukturen, die exzellent mit experimentellen Daten der Photoelektronenspektroskopie übereinstimmen.

Aufbauend auf den Ergebnissen für Volumenkristalle studiert die Arbeitsgruppe reine und adsorbatbedeckte Halbleiteroberflächen, Metalloberflächen, sowie Defekte in Volumenkristallen und an Oberflächen. Systematische Studien der strukturellen und elektronischen Eigenschaften von geordneten Adsorbatschichten, wie Na, K, Ge, As, S, Se und Cl auf Si, Ge und GaAs Oberflächen, werden von ersten Prinzipien ausgehend für halbunendliche Systeme mit Hilfe unserer streutheoretischen Methode unter Verwendung von Einteilchengreenfunktionen studiert. Die Ergebnisse liefern ein klares Bild elektronischer, struktureller und chemischer Eigenschaften solcher Systeme.

Eine weitere Gruppe von Aktivitäten hat die Berechnung der Dynamik von reinen und adsorbatbedeckten Halbleiteroberflächen zum Ziel. Hier kommen ein semiempirisches Gesamtenergieverfahren, Molekular-Dynamik Rechnungen sowie die Car-Parrinello Methode zum Einsatz. Volumenphononen werden darüber hinaus auch im Rahmen einer Dichtefunktional-Störungstheorie (Baroni-Formalismus) behandelt.

Schließlich betreibt die Arbeitsgruppe eine Reihe von Aktivitäten zur Berechnung von Spektren für die Interpretation von Daten der hochauflösenden Oberflächenspektroskopie und -mikroskopie. Hier sind insbesondere Berechnungen der Photoemissionsspektren von Halbleiteroberflächen und theoretische Studien zur Rastertunnelmikroskopie zu nennen. Darüber hinaus studiert die Arbeitsgruppe korrelierte Vielelektronensysteme auf der Basis des Hubbard-Modells.

Unsere Arbeiten werden durch die DFG, das BMBF, die EU sowie durch Promotionsstipendien der Studienstiftung des Deutschen Volkes, der Bischöflichen Studienförderung Cusanuswerk und der Graduiertenförderung des Landes Nordrhein-Westfalen sowie durch die Benningsen-Förder-Stiftung unterstützt.

Zur Durchführung der theoretischen Untersuchungen nutzen wir die Rechner des Universitätsrechenzentrums und unser Institutsrechnersystem.