Institute of Theoretical Physics

Department of Applied Theoretical Physics

Research Projects

Current Research Projects

  • Integration of High-K Oxides into Microelectronics
    C.A. Ashman, C.J.Först, Prof. P.E. Blöchl

    The miniaturization of semiconductor components has lead to structures on the nano-scale. Further scaling is limited because the smallest structures approach atomic dimensions. The basic element of logic operations is the transistor, which is basically a simple switch. The smallest structure in the transistor is the so-called gate dielectric, an electrically insulating layer, which has to withstand enourmous electric fields. This gate dielectric looses its insulating properties, when thinned further. The suggested remedy is to replace silicon dioxide by so-called high-k oxides, that can be used with a larger physical thickness. In the future, these high-k oxides need to be integrated with an epitaxial (atomically well-defined) interface to silicon, which poses a major challenge. We investigate the deposition of these oxides with first-principles electronic structure and ab-initio molecular dyanmics simulations in order to unravel the growth process and thus to provide the experimentalists valuable hints on the choice of materials and growth conditions.

    • "The interface between silicon and a high-k oxide"
      C.J. Först, C.R. Ashman, K. Schwarz and P.E. Blöchl, Nature 427, 53 (2004)
    • First-Principles Calculations of Strontium on Si(001)
      Christopher R. Ashman, Clemens J. Först, K. Schwarz and Peter E. Blöchl, submitted to Phys. Rev. B.
    • Heteroepitaxial Growth of High-K Oxides: Insights from first-principles calculations on Zr on Si(001) (ps, pdf),
      Clemens J. Först, Peter E. Blöchl and Karlheinz Schwarz, Comp. Mater. Sci. 27, 70-74 (2003); cond-mat/0309030
    • "Struktur, insbesondere Halbleiterstruktur, sowie Verfahren zur Herstellung einer Struktur" ,
      Clemens J. Först, Christopher Ashman and Peter E. Blöchl, German Patent Application, Aktenzeichen 103 03 875.2 from Jan. 31, 2003.
    • INVEST Projekt: (INtegration of VEry high-k dielectrics with Silicon CMOS technology)
      Funded by the 5th Framework Program of the European Union, Information Society Technologies (IST)
    • Links
    • Projects on the HLRN

  • Biological Nitrogen Fixation
    J. Schimpl, Prof. P.E. Blöchl

    Die Natur hat ihre enzymatischen Prozesse über Jahrmillionen optimiert. Wenn es gelingt, der Natur einige dieser Prinzipien zu entlocken, besteht die Hoffnung, dadurch auf die Spur von effizienteren industrielle Katalysatoren geführt zu werden. Nitrogenase ist ein Enzym das atmosphärischen Stickstoff in Ammoniak umwandelt. Erst dadurch kann Stickstoff, das etwa 10 % organischer Substanzen ausmacht, biologisch verwertet werden. Die Reaktion wird am wohl kompliziertesten bioinorganischen Katalysator in der Natur, den sogenannten FeMo-Kofaktor durchgeführt. Dieser Cluster besteht aus einem Molybdänatom, sieben high-spin Eisenatomen und zehn Schwefelatomen und ist in das Protein eingebettet. Obwohl die Kristallstruktur in den frühen 90-Jahren aufgeklärt wurde ist der Reaktionmechanismus bis heute unbekannt. Mit Hilfe von ab-initio Simulationen versuchen wir, den Reaktionmechanismus im Detail aufzuklären.

  • Development of the CP-PAW code
    Institut für Theoretische Physik: Abt. Angewandte Theoretische Physik
    Alle und Prof. P.E. Blöchl

    • Die Arbeiten in der Abteilung für Angewandte Theoretische Physik basieren auf der vom Leiter der Abteilung entwickelten Methode Projektor augmentierter Wellen. Diese Methode wird heute als die modernste Elektronenstrukturmethode für ab-initio simulationen angesehen. Das darauf aufbauende CP-PAW Programmpaket wird ständig weiterentwickelt und um neue Optionen erweitert.

    • "Projector augmented wave method"; P.E. Blöchl, Phys. Rev. B,50, s17953 (1994)
    • "Projector augmented wave method: ab-initio molecular dynamics with full wave functions"
      P.E. Blöchl, C.J. Först and J. Schimpl, Bull. Mater.Sci.26, s33, 2003

  • Multiscale Simulation
    Institut für Theoretische Physik: Abt. Angewandte Theoretische Physik
    C.J.Först, J. Schimpl, Prof. P.E.Blöchl

    Es sollen quantenmechanische ab-initio Verfahren mit klassischen Kraftfeldern verbunden werden, sodass verschiedene Bereiche eines Systems mit unterschiedlichen Methoden beschrieben werden. Hierbei ist eine konsistente Ankopplung an der Grenze eine besondere Herausforderung.

  • Object-Oriented Programming
    Institut für Theoretische Physik: Abt. Angewandte Theoretische Physik
    Prof. P.E. Blöchl

    Die Entwicklung und Verwaltung komplexer Programmpakete stellt eine besondere Herausforderung dar. Das Paradigma des Object-Oriented Programming bietet hier eine notwendige Alternative. Das Programm wird nicht mehr als eine Einheit, sondern als Ansammlung weitgehen unabhängiger und mehr oder weniger intelligenter Agenten angesehen. Der Informationsaustausch zwischen den Agenten wird durch geeignetes Programmdesign minimiert, was es dem Entwickler erlaubt, einzelne Agenten zu bearbeiten, ohne die Komplexität des gesamten Programmes zu überblicken zu müssen. Eine besondere Herausforderung war es, die Konzepte in Fortran90 zu übertragen, das sich besonders für numerische Problemstellungen eignet. Dazu wurde eine zum Beispiel eine Metasprache erzeugt, die es erlaubt sogenannte Templates zu erzeugen.

  • Parallel computing
    Institut für Theoretische Physik: Abt. Angewandte Theoretische Physik
    Alle und Prof. P.E. Blöchl

    Der Umfang von Ab-Initio Simulationen erfordert die Nutzung von Parallelrechnern. Wir haben das CP-PAW Programmpaket bereits etwa 1995 an die damals gerade aufkommenden Parallelrechner angepasst. Hierbei legen wir eine MIMD (Multiple Instruction-Multiple Data) Parallelisierung zugrunde. Die Kommunikationsbefehle wurden verpackt, sodass die Details der Kommunikation bei der Programmierung der Anwendung nur soweit als nötig sichtbar werden. Das war wesentlich um die Übersichtlichkeit der komplexen Anwendungssoftware zu bewahren. Das Loadbalancing wird automatisch zu Beginn der Simulation optimiert.

  • Beowulf cluster
    Institut für Theoretische Physik: Abt. Angewandte Theoretische Physik
    C.J. Först, A. Ehrich und Prof. P.E. Blöchl

    Da ab-initio Simulationen sehr rechenintensiv sind, sind diese auf Parallelrechner angewiesen. Neben dem IBM 460 pSeries Superrechner des Norddeutschen Rechnerverbundes HLRN, wird daher eine lokale Resource aus Beowulfclustern aufgebaut. Beowulfcluster sind Parallelrechner, die sozusagen selbstgestrickt sind und aus Standardkomponenten aufgebaut sind. Da ausserdem ausschliesslich frei erhältliche Software, (Linux, Message Passing interface) zum Einsatz kommt, zeichnen sich Beowulfcluster durch ein ausgezeichnetes Preis-Leistungsverhältniss aus.

  • Properties of Epibatidin
  • Psi-K Network("Electronic Structure Calculation of Solids and Surfaces")
  • Simulationswissenschaftliches Zentrum der TU- Clausthal

Previous Research Projects

The research in this list has been performed at the IBM Zurich Research Laboratory

© TU Clausthal 2006 · Imprint · Last update: 09 Aug 2006 · Responsible: Webmaster