Computerbasierte Materialphysik
Computational Materials Physics

Dieses Modul gibt eine Einführung in moderne theoretische Methoden zur Berechnung der Eigenschaften von Materialien am Computer. Im Fokus stehen insbesondere jene theoretischen Methoden, mit welchen die physikalischen und chemischen Eigenschaften von echten Materialien, die in Bauelementen (z.B. in Solarzellen) zum Einsatz kommen, mikroskopisch beschrieben werden können. Dazu zählen insbesondere die Dichtefunktionaltheorie und Methoden der „ab-initio“ Molekulardynamik. Die physikalischen Grundlagen dieser Berechnungsmethoden werden erläutert und diskutiert und deren Vor- und Nachteile an Hand von bekannten Beispielen demonstriert. Dadurch wird ein direkter Zugang zu den Möglichkeiten und Grenzen der Methoden ersichtlich. Die physikalischen Inhalte umfassen unter anderem:

• Vielteilchenproblem
• Hartree-Fock Verfahren
• Korrelationsproblem
• Dichtefunktionaltheorie: Grundlagen & Anwendungen
• Adiabatische Näherung
• Theoretische Berechnungen von Phononen
• Theoretische Berechnungen von Infrarot- und Ramanspektren
• Molekulardynamik: Grundlagen & Anwendungen
• Zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie & Vielteilchenstörungstheorie

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in der Lage:

1. Die physikalischen Grundlagen moderner Methoden der computerbasierten Materialphysik wie Dichtefunktionaltheorie und Molekulardynamik zu verstehen und zu beschreiben.
2. Die Grenzen und Möglichkeiten der behandelten Methoden aufzuzeigen sowieso deren Zusammenhänge zu erkennen.
3. Die behandelten Methoden für einfache Materialsysteme selbstständig anwenden und interpretieren zu können.

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen.

Das Modul enthält eine Vorlesung und eine Übung.

In der Vorlesung werden die Methoden und Berechnungsverfahren in thematisch strukturierter Weise erläutert, sodass deren Grundlagen erklärt sowie die wichtigsten Ergebnisse abgeleitet werden. Beispielhalt werden aus der Literatur theoretische Ergebnisse und experimentelle Resultate in Computerpräsentationen gezeigt, um die Möglichkeiten und Grenzen der Methoden zu demonstrieren. In wissenschaftlichen Diskussionen während der Vorlesung als auch danach werden die Studierenden mit einbezogen, um das eigene analytisch-physikalische Denkvermögen zu fördern.

In der Übung soll neben ausführlicher Diskussion und Vertiefung der theoretischen Ableitungen vor allem das praktische Erlernen von computerbasierten Berechnungen einfacher Materialsysteme im Vordergrund stehen. Die Studierenden werden dabei auch die notwendigen Werkzeuge zur Durchführung und Auswertung derartiger Berechnungen am Computer erlernen und die Ergebnisse im Detail diskutieren, sodass diese selbständig angewandt werden können.

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Richard M. Martin, Electronic Structure: Basic Theory and Practical Methods, Cambridge University Pres

Das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe wird exemplarisch durch eine von den Studierenden selbständig zu erarbeitende Abschlusspräsentation überprüft. Die Leistung der Studierenden wird an Hand der Präsentation und einer anschließenden Diskussion bewertet. Die Prüfung hat eine Dauer von insgesamt 30 Minuten.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Implementierung einer Zustandsgleichung zur Optimierung von Gitterkonstanten
• Vergleich und Diskussion verschiedener DFT Funktionale zur Berechnung elektronischer Materialeigenschaften
• Untersuchung des Konvergenzverhaltens von Phononenberechnungen in DFT
• Implementierung eines Algorithmus zur Berechnung von Korrelationsfunktionen in MD
• Berechnung und Diskussion der radialen Verteilungsfunktion mittels MD Simulationen

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.

Auf die Note einer bestandenen Modulprüfung in der Prüfungsperiode direkt im Anschluss an die Vorlesung (nicht auf die Wiederholungsprüfung) wird ein Bonus (eine Zwischennotenstufe "0,3" besser) gewährt (4,3 wird nicht auf 4,0 aufgewertet), wenn die/der Studierende die Mid-Term-Leistung bestanden hat, diese besteht aus erfolgreicher Teilnahme an der Übung, was bedeutet: Mitarbeit in mindestens 10 Übungsterminen, das Erreichen von mindestens 50 % der Hausaufgabenpunkte und die Präsentation von mindestens einer Lösung in der Übung.