Dr. Aleksandar Zivkovic

Forschungsschwerpunkte

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Liebe Leserinnen und Leser,

vielen Dank für Ihren Besuch! Auch wenn Sie diese Seite vielleicht aus Versehen diese Seite geöffnet oder auf den falschen Button geklickt haben, lohnt es sich vielleicht doch, ein wenig hier zu verweilen – viele großartige Entdeckungen sind ohnehin durch Zufall zustande gekommen!

Ich arbeite hauptsächlich auf dem Gebiet der computergestützten Materialmodellierung, während ich mich bei den experimentellen Arbeiten auf Kollegen und Kooperationspartner verlasse. Womit arbeite ich hauptsächlich? Die Dichtefunktionaltheorie und ihre Erweiterungen (z.B., hybride Funktionale) sowie Molekulardynamik in ihrer ab-initio- und maschinell gelernten Form. Wozu? Um strukturelle, elastische, elektronische, gitterbezogene und optische Eigenschaften von Materialien zu untersuchen. Ich versuche, Simulationen auf atomarer Ebene mit dem makroskopischen Materialverhalten zu verknüpfen. Warum? Um ein besseres vorausschauendes Verständnis von natürlich vorkommenden Mineralien und ihren synthetischen Analoga zu erlangen.

"The principal applications of any sufficiently new and innovative technology always have been – and will continue to be – applications created by that technology" - Kroemer’s Lemma of New Technology

Zu den aktuellen Forschungsthemen gehören (unter anderem!)

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Auf der Erde reichlich vorkommende Materialien für die Solarenergie

Ich untersuche die photovoltaischen Eigenschaften natürlich vorkommender Mineralien und Geomaterialien mithilfe von First-Principles-Simulationen. Geophotovoltaik – ein Begriff, den ich hier vorläufig prägen möchte – bezeichnet die Idee, dass auf der Erde reichlich vorhandene geologische Mineralien von Natur aus halbleitend sind und die Umwandlung von Photonen in Elektronen bewirken können. Die Natur hat dies bereits – eher unbemerkt – durch Verbindungen demonstriert, die sich direkt vor unseren Augen verbergen.

Nehmen wir zum Beispiel Pyrit: Es hat eine Bandlücke von etwa 0,95 eV und einen günstigen optischen Absorptionskoeffizienten, der das Potenzial birgt, Silizium um zwei Größenordnungen zu übertreffen. Außerdem ist es ungiftig, besteht aus zwei der häufigsten Elemente in der Erdkruste und ist geologisch gesehen spottbillig. Oder man betrachte Chalkopyrit, dessen Kristallstruktur buchstäblich einer ganzen Familie moderner Solarzellentechnologien ihren Namen gab. Der Zusammenhang zwischen Erzmineralogie und Solartechnologie ist nicht metaphorisch, sondern struktureller Natur. Und dann gibt es noch die Fe- und Mn-(Oxyhydr)oxid-Mineralbeschichtungen auf Wüsten- und Karstgestein, von denen kürzlich gezeigt wurde, dass sie unter Sonnenlicht spontan messbare Photoströme erzeugen – sie wirken im Wesentlichen als natürliche photoelektrische Generatoren und bedecken riesige Gesteinsflächen auf der ganzen Welt.

Was First-Principles-Simulationen in dieses Bild einbringen, ist die Möglichkeit, zu untersuchen, warum ein bestimmtes Mineral funktioniert (oder nicht), Bandlücken durch Substitution und Dotierung anzupassen und die enorme, noch unerschlossene Vielfalt an Mineralstrukturtypen auf ihre photovoltaischen Eigenschaften hin zu überprüfen – und das alles, bevor im Labor auch nur ein einziger Kristall gezüchtet wird. Die rund 6.000 bekannten Mineralarten stellen eine weitgehend unerforschte Bibliothek potenzieller Halbleiter dar. Wir haben den Katalog gerade erst aufgeschlagen.

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Cool carbonates

Das MgO–CO₂–H₂O-System beherbergt eine überraschende Vielfalt an hydratisierten Phasen, die sich bei Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt von Wasser bilden – ein Bereich, der seit langem für die Gletschergeochemie, die Kohlenstoffabscheidung und vereiste Planetenoberflächen von Bedeutung ist, dessen Phasendiagramm jedoch nach wie vor erhebliche Lücken aufweist. Unsere Arbeit zielt genau auf diese Lücken ab.

Kürzlich (siehe Arbeit unten) berichteten wir über eine neue Tetrahydratphase, MgCO₃·4H₂O, die die Lücke zwischen dem bekannten Lansfordit (MgCO₃·5H₂O) und dem Nesquehonit (MgCO₃·3H₂O) schließt. Sie entsteht aus dem Hexahydrat durch die Freisetzung von zwei schwach gebundenen Wassermolekülen pro Formeleinheit – eine subtile strukturelle Anpassung, bei der die kantenteilenden Oktaederpaare der Ausgangsstruktur erhalten bleiben, während sich die Schichten unauffällig zu einer neuen Struktur umlagern. DFT-Phononenberechnungen bestätigten die strukturelle Stabilität der vorgeschlagenen Phase (zumindest bei niedrigen Temperaturen), und das simulierte Beugungsmuster stimmt mit dem experimentellen Ergebnis weitestgehend überein, sobald die kristalline Unordnung aus dem Umwandlungsprozess berücksichtigt wird.

Besonders interessant ist dabei, dass die Phasenauswahl – also welches Hydrat tatsächlich entsteht – stark von vielen Parametern abhängt, nicht nur von der Gleichgewichtsthermodynamik oder der Temperatur. Die Karbonatlandschaft bei niedrigen Temperaturen wird ebenso sehr vom Weg dorthin geprägt wie vom Ziel. Es sind weitere Arbeiten geplant, um die gesamte Karbonatlandschaft bei niedrigen Temperaturen zu erfassen.

Jordan, G., Strohm, S.B., Živković, A. et al. Filling the gap between lansfordite and nesquehonite: MgCO3·4H2O, a new magnesium carbonate hydrate. Phys Chem Minerals 53, 16 (2026). https://doi.org/10.1007/s00269-026-01349-9

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Magnetische Mineralien und Spindynamik

Gelingt es, die komplexen magnetischen Eigenschaften eisenhaltiger Mineralien – wie beispielsweise Pyrrhotit, Magnetit und Eisenoxide, um nur einige zu nennen – zu entschlüsseln und aufzuklären, eröffnet sich ein Einblick in das im Gestein gespeicherte Erdmagnetfeld. Die Idee ist elegant: Bestimmte Mineralien speichern bei ihrer Entstehung oder beim Abkühlen durch bestimmte Temperaturbereiche eine Momentaufnahme des umgebenden Magnetfelds. Milliarden solcher Momentaufnahmen, die weltweit in Gesteinen erhalten sind, bilden die paläomagnetische Aufzeichnung. Um sie richtig zu deuten, muss man auf atomarer Ebene genau verstehen, wie das magnetische Signal überhaupt erst aufgezeichnet wurde.

Nehmen wir Magnetit als Beispiel: Es ist so gut erforscht, dass es uns vertraut erscheint, doch sein Verhalten bei Nanometer-Korngrößen und in Mischaggregaten mit anderen Phasen überrascht immer wieder. Durch die Verknüpfung der Spinstruktur auf atomarer Ebene und der magnetischen Anisotropieenergie (berechnet mittels DFT unter Berücksichtigung der Spin-Bahn-Kopplung) mit makroskopischen magnetischen Beobachtungsgrößen in Gesteinen soll diese Arbeit zur Interpretation paläomagnetischer Signale und zum Verständnis geomagnetischer Umkehrungen beitragen. Diese Forschung wird in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Stuart Gilder (LMU Geophysik) durchgeführt, dem Koordinator des DFG-Schwerpunktprogramms „DeepDyn: Rekonstruktion der Dynamik des tiefen Erdinneren“.

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Material-, Oberflächen- und Grenzflächenchemie („Putting things on top of other things“)

Wie Feynman es ausdrückte: Unten ist viel Platz – und an Oberflächen und Grenzflächen ist dieser Platz genau der Ort, an dem alles geschieht.

Es gibt kaum ein Material, das von seiner Umgebung isoliert ist. Jedes Mineralkorn hat eine Oberfläche, jede Oberfläche trifft auf etwas anderes, und diese Kontaktbereiche entscheiden oft darüber, wie sich ein Material tatsächlich verhält. Das Verständnis atomarer Prozesse an Mineraloberflächen und Grenzflächen – Defektbildung, Ladungstransfer, Adsorptionsreaktionen und die Rolle der Grenzflächenchemie für Stabilität und Reaktivität – ist daher ein besonderes Interesse von mir. Nehmen wir ein Beispiel aus meiner früheren Arbeit zur epitaktischen CuO/Cu₂O-Heterostruktur, bei der hybride DFT-Berechnungen zeigten, dass an der Grenzfläche neue elektronische Zustände auftreten können, die keiner der beiden Bulk-Phasen allein zuzuordnen sind, sondern vielmehr aus Änderungen der Koordination und der Ladungsumverteilung über die Grenze hinweg entstehen. Mit anderen Worten: Grenzflächen sind nicht bloß Orte, an denen sich zwei Materialien berühren; sie sind Orte, an denen neues Verhalten entstehen kann. Dieses Verhalten zu verstehen und vorherzusagen, bleibt eine gewaltige Herausforderung – und genau diese Art von Herausforderung motiviert mich am meisten.

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