Patricio Farrell wirbt Junior-Gruppe im Leibniz-Wettbewerb ein

Leibniz-Gemeinschaft fördert Forschungsvorhaben zum Thema Numerik für innovative Halbleiterbauelemente über fünf Jahre (2020-2024)

Aktuelle ökologische, wirtschaftliche und wissenschaftliche Herausforderungen erfordern eine genaue Simulation innovativer und komplexer Halbleiterbauelemente. So sind beispielsweise Solarzellen ein zentraler Bestandteil der Energiewende. Daher ist es ökologisch bedeutsam, das grundlegende Design von Standardsolarzellen in Bezug auf Kosten und Effizienz zu verbessern. Dies kann erreicht werden, wenn sich in der Praxis das Massensilizium durch kostengünstige Perowskite oder ressourceneffiziente Nanodrähte ersetzen lässt. Dies wird normalerweise bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt untersucht. In Perowskiten und sehr kalten Nanodrähten schreibt die Physik jedoch - im Gegensatz zu Silizium bei Raumtemperatur - vor, dass Elektronen und Löcher nichtlinear diffundieren, d.h. bei hoher Konzentration insbesondere mehrere Ordnungen schneller. Diese Nichtlinearität erschwert Simulationen erheblich, da klassische numerische Methoden gegen physikalische Grundprinzipien verstoßen, z.B. negative Dichten oder unphysikalische elektrische Ströme erzeugen. Ähnliche mathematische Schwierigkeiten ergeben sich bei Laser-, Batterie-, OLED- und sogar Biosensorgeräten. In jüngster Zeit konnten hierzu am WIAS wesentliche Fortschritte erzielt werden, indem die Physik erhaltende Numerik für die nichtlineare Diffusion erfolgreich eingeführt und analysiert wurde. Zu diesem Zweck wurden die Drift-Diffusionsmodelle für den Ladungstransport mit speziellen finiten Volumenmethoden diskretisiert. Neben der Erhaltung der Physik sind diese Diskretisierungen stabil - auch wenn die Drift die Diffusion dominiert.

Die Nachwuchsgruppe wird im Wesentlichen drei wissenschaftliche Ziele verfolgen: (i) Entwicklung und Analyse die Physik erhaltender numerischer Methoden, die mit Steifigkeit umgehen können sowie zusätzliche physikalische Gesetze (z.B. Wärme und Licht) und Ladungsträger (z.B. Ionen für Perowskite) integrieren; (ii) Optimierung dieser Techniken durch die Entwicklung neuartiger Präkonditionierer und anisotroper Vernetzungsstrategien; (iii) Simulation realistischer und innovativer multidimensionaler Vorrichtungen. Die Forschungserbenisse sollen in ein einzigartiges, benutzerfreundliches Open-Source-Gerätesimulationstool einfließen.