Doctoral position in theoretical modeling of nanocrystal growth — ETH Zürich

Vollständige Beschreibung

Doktoratsstelle zur theoretischen Modellierung des Wachstums von Nanokristallen

100%, Zürich, befristet

Hintergrund des Projekts

Das Labor für optische Materialtechnik (Prof. David J. Norris) im Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik (D-MAVT) an der ETH Zürich untersucht die Synthese, das Wachstum, die Struktur und die optischen Eigenschaften von Halbleiter-Nanomaterialien. Unser interdisziplinäres und internationales Team verbindet Materialchemie, optische Spektroskopie, Elektronenmikroskopie, theoretische Modellierung und numerische Simulation, um Materialien auf der Nanoskala zu verstehen und zu kontrollieren.

Halbleiterkristallite im Nanometermaßstab weisen optische Eigenschaften (z. B. Absorptions- und Emissionsspektren) auf, die stark von ihrer Größe abhängen. Da diese Eigenschaft nützlich ist, um abstimmbare optische Materialien für optoelektronische Anwendungen von Displays und Infrarotkameras bis hin zu Nanophotonik und Quantentechnologien herzustellen, wurden chemische Synthesen entwickelt, mit denen Nanokristalle aus verschiedenen Halbleitern hergestellt werden. Die fortschrittlichsten Protokolle führen zu quasikugelförmigen Partikeln (bekannt als kolloidale Quantenpunkte). Allerdings weisen selbst hochmoderne Nanokristallproben Verteilungen der Partikelgröße und -morphologie auf, die ihre optische Leistungsfähigkeit begrenzen.

Als Ausnahmen von dieser Regel wurden zwei Klassen von Halbleiter-Nanokristallen entdeckt. Sie zeigen eine ungewöhnliche Form des "diskreten" Wachstums, bei der sie zwischen einer Reihe bestimmter Größen springen. Halbleiter-Nanoplättchen können mit atomar einheitlichen Dicken synthetisiert werden, während sogenannte Nanokristalle mit "magischer Größe" eine Abfolge genau definierter Größen durchlaufen. Diese Beobachtungen legen nahe, dass Nanokristalle mit außergewöhnlich präzisen Abmessungen möglich sein könnten. Dennoch sind die Mechanismen, die bestimmen, ob aus einer bestimmten Synthese Nanoplättchen, Nanokristalle mit magischer Größe oder konventionelle kolloidale Quantenpunkte entstehen, nach wie vor nur unzureichend verstanden.

Das zentrale Ziel dieses Projekts besteht darin, einen universellen theoretischen Rahmen zu entwickeln, der erklärt, wie diese unterschiedlichen Wachstumsmodi von Nanokristallen entstehen. Das daraus gewonnene Verständnis wird genutzt, um Experimente auf eine bessere Kontrolle über die Größe, Form und optischen Eigenschaften von Nanokristallen auszurichten.

Stellenbeschreibung

Die Doktorandin oder der Doktorand wird theoretische und computergestützte Beschreibungen der Keimbildung und des Wachstums von Halbleiter-Nanokristallen entwickeln. Der anfängliche Schwerpunkt wird auf der Kombination bestehender Modelle für CdSe-Nanoplättchen und Nanokristalle mit magischer Größe liegen. Anschließend wird die Arbeit auf konventionelle, kontinuierlich wachsende Quantenpunkte und andere Halbleitermaterialien, einschließlich InP, ausgeweitet.

Das Projekt wird drei einander ergänzende Modellierungsansätze kombinieren: Erstens wird die Dichtefunktionaltheorie (DFT) eingesetzt, um die Energien der mit Tensiden terminierten Oberflächen, Kanten, Stufen und Ecken von Nanokristallen zu berechnen. Diese Berechnungen werden physikalisch aussagekräftige Parameter für die Wachstumsmodelle liefern. Sie werden auch dazu verwendet, Tensidmoleküle zu identifizieren, die bestimmte Formen von Nanokristallen stabilisieren können. Zweitens werden Massenbilanzmodelle erstellt, die das gekoppelte Wachstum und die Auflösung von Nanokristallpopulationen beschreiben. Diese Modelle werden das konkurrierende Wachstum von Nanoplättchen und Nanokristallen mit magischer Größe untersuchen, indem Systeme gekoppelter Ratengleichungen gelöst werden. Die Ergebnisse werden direkt mit experimentellen Stabilitätsmessungen verglichen. Anschließend werden die Modelle um Quantenpunkte erweitert, mit dem Ziel, den Übergang zwischen diskretem und kontinuierlichem Wachstum von Nanokristallen zu erklären. Drittens werden kinetische Monte-Carlo-Simulationen eingesetzt, um die frühen Stadien des Nanokristallwachstums zu untersuchen. Mit solchen Berechnungen wird untersucht, wie sich anfänglich kleine Kristallite zu konkurrierenden Morphologien entwickeln und wie Wachstumsbedingungen die Auswahl von Nanoplättchen, Nanokristallen mit magischer Größe oder Quantenpunkten beeinflussen.

Es wird eng mit den für die Synthese von Nanokristallen und Wachstumsstudien verantwortlichen Experimentalwissenschaftlerinnen und Experimentalwissenschaftlern zusammengearbeitet. Diese Wechselwirkung zwischen Theorie und Experiment ist zentral für das Projekt: Experimentelle Ergebnisse werden den Modellen als Eingabe dienen, während Simulationen die Planung neuer Experimente leiten werden. Die Berechnungen werden unter Verwendung der Hochleistungsrecheninfrastruktur von ETH Zurich durchgeführt. Zusätzlich zur Forschung sind Beiträge zu den allgemeinen Laboraktivitäten vorgesehen; außerdem besteht die Möglichkeit, sich an der Lehre und der Betreuung von Bachelor- und Masterstudierenden zu beteiligen.

Profil

Wir suchen eine neugierige, motivierte und eigeninitiativ arbeitende Person mit großem Interesse an der Anwendung theoretischer und computergestützter Methoden auf grundlegende Probleme des Materialwachstums. Fundierte Kenntnisse in Thermodynamik, Kinetik, statistischer Mechanik, Festkörperphysik, physikalischer Chemie oder Materialmodellierung werden erwartet. Bewerbende müssen über einen MSc-Abschluss in Chemie, Chemieingenieurwesen, Maschinenbau, Materialwissenschaften, Physik, Computational Science oder einer eng verwandten Fachrichtung verfügen oder kurz vor dessen Abschluss stehen. Erfahrungen in einem oder mehreren der folgenden Bereiche wären von Vorteil:

• Dichtefunktionaltheorie und Berechnungen zur elektronischen Struktur
• Kinetisches Monte-Carlo-Verfahren oder andere stochastische Simulationsmethoden
• Numerische Lösung gekoppelter Differential- oder Ratengleichungen
• Atomistische oder mesoskalige Modellierung von Materialien
• Halbleiter-Nanokristalle, Oberflächen oder kolloidales Wachstum
• Wissenschaftliches Programmieren
• Hochleistungsrechnen

Vorherige Erfahrung mit jeder der im Projekt verwendeten Methoden ist nicht erforderlich. Die ausgewählte Person sollte jedoch über eine solide quantitative Grundlage verfügen und Begeisterung dafür mitbringen, neue computergestützte Techniken zu erlernen. Akademische Exzellenz, eine professionelle Herangehensweise an die Forschung und die Fähigkeit zum selbstständigen Arbeiten werden erwartet. Es wird vorausgesetzt, dass die Person sowohl mündlich als auch schriftlich fließend auf Englisch kommunizieren kann und gerne in einem kooperativen und internationalen Forschungsumfeld arbeitet.

Wir bieten

Wir bieten Ihnen ein spannendes Promotionsprojekt an der Schnittstelle von Theorie, Berechnung und Experiment. Bei erfolgreicher Bewerbung treten Sie einer kooperativen und internationalen Forschungsgruppe bei und werden in mehreren sich ergänzenden Ansätzen der Materialmodellierung ausgebildet. Das Projekt bietet Ihnen Möglichkeiten zur Zusammenarbeit mit externen Forschungspartnern, Zugang zu hochmodernen Recheninfrastrukturen, Austausch mit experimentell arbeitenden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, Teilnahme an internationalen Konferenzen und die Betreuung von Forschungsprojekten Studierender.

Die Stelle ist im Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik (D-MAVT) auf dem zentralen Campus der ETH Zurich in Zürich, Schweiz, angesiedelt. Sie erhalten Zugang zu den Ressourcen der ETH Zurich für Hochleistungsrechnen. Das D-MAVT ist ein interdisziplinäres Departement, das Maschinenbau, Verfahrenstechnik, Chemieingenieurwesen und Biomedizintechnik sowie Robotik und Regelungstechnik umfasst. Die ETH Zurich bietet ein herausragendes wissenschaftliches Umfeld mit umfangreichen Möglichkeiten zur Zusammenarbeit in den Bereichen Materialwissenschaften, Chemie, Physik und Ingenieurwissenschaften.

Wir schätzen Vielfalt und Nachhaltigkeit

Im Einklang mit unseren Werten , fördert die ETH Zurich eine inklusive Kultur. Wir fördern Chancengleichheit, schätzen Vielfalt und pflegen ein Arbeits- und Lernumfeld, in dem die Rechte und die Würde aller unserer Mitarbeitenden und Studierenden respektiert werden. Besuchen Sie unsere Website für Chancengleichheit und Diversität, um zu erfahren, wie wir ein faires und offenes Umfeld sicherstellen, in dem sich alle entwickeln und entfalten können. Nachhaltigkeit ist ein zentraler Wert für uns – wir arbeiten konsequent auf eine klimaneutrale Zukunft hin .

Neugierig? Wir auch.

Wir freuen uns darauf, Ihre Online-Bewerbung mit den folgenden Dokumenten in einer einzigen PDF-Datei zu erhalten:

• Ein Anschreiben, in dem Sie Ihre Motivation für die Stelle, Ihre einschlägige Forschungserfahrung und Ihre wichtigsten bisherigen wissenschaftlichen Leistungen darlegen (max. zwei Seiten)
• Ein Lebenslauf
• Diplome und Notenübersichten
• Kontaktdaten von mindestens drei Referenzpersonen aus dem akademischen oder beruflichen Umfeld

Weitere Informationen über unser Labor finden Sie auf unserer Website . Fragen zur Stelle richten Sie bitte an David J. Norris, [email protected] (keine Bewerbungen).

Bitte beachten Sie, dass wir ausschließlich Bewerbungen akzeptieren, die über unser Online-Bewerbungsportal eingereicht werden. Bewerbungen per E-Mail oder auf dem Postweg werden nicht berücksichtigt.

Wir suchen eine Person für eine Vollzeit-Promotionsstelle zur Entwicklung theoretischer und computergestützter Modelle des Wachstums von Halbleiter-Nanokristallen mit einem vorgesehenen Stellenantritt am 1. Oktober 2026 oder später.

Die Promotionsstelle ist für vier Jahre bei einem Beschäftigungsgrad von 100% vorgesehen und wird von Prof. Dr. David J. Norris betreut. Die Stelle setzt die Zulassung zum Doktoratsprogramm an der ETH Zurich voraus.

Über ETH Zürich

Die ETH Zurich ist eine der weltweit führenden Universitäten mit Spezialisierung auf Wissenschaft und Technologie. Wir sind bekannt für unsere hervorragende Lehre, bahnbrechende Grundlagenforschung und den direkten Transfer neuen Wissens in die Gesellschaft. Über 30,000 Menschen aus mehr als 120 Ländern erleben unsere Universität als einen Ort, der unabhängiges Denken und ein Umfeld, das zu Spitzenleistungen inspiriert. Im Herzen Europas gelegen, und dennoch weltweit Verbindungen knüpfend, arbeiten wir gemeinsam daran, Lösungen für die globalen Herausforderungen von heute und morgen zu entwickeln.

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