Forschung

Elektronische Eigenschaften und Licht-Materie-Wechselwirkung in 2D-Materialien und deren Heterostrukturen

Wir verfolgen das Ziel, zu verstehen, wie strukturelle und morphologische Freiheitsgrade in niedrigdimensionalen Materialien und ihren Heterostrukturen deren elektronische Struktur sowie die Wechselwirkung mit Licht modifizieren. Zu diesem Zweck wenden wir Methoden an, die auf der Dichtefunktionaltheorie und der Vielteilchen-Störungstheorie basieren, und erweitern diese.

Von besonderem Interesse sind Übergangsmetalldichalkogenide und deren Grenzflächen mit konjugierten Molekülen.

Wesentliche Entwicklungen:

LayerPCM, eine Erweiterung des polarisierbaren Kontinuumsmodells zur Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Molekülen und geschichteten Substraten: https://pubs.aip.org/aip/jcp/article/154/22/224114/313403Externer Link 

Geförderte Projekte:

• 2025 – 2028: DFG project “Valleytronics in van der Waals Heterostructures: breaking inversion symmetry with a twist (WHAT-A-TWIST)”

Relevante Publikationen:

• S. Kumar, M. Fröhlich, S. Velja, M. Koegel, O. Strolka, A. Niebur, S. Ginzburg, M. S. Ramzan, J. Meyer, J. Lauth, and C. Cocchi, Atomistic Origin of Photoluminescence Quenching in Colloidal MoS2 and WS2 NanoplateletsExterner Link, Nano Lett. 26, 3064 (2026).
• O. Ghaebi, T. Hamzayev, T. Weickhardt, M. S. Ramzan, T. Taniguchi, K. Watanabe, C. Cocchi, D. De Fazio, and G. Soavi, Tunable Exciton Modulation and Efficient Charge Transfer in MoS2/graphene van der Waals HeterostructuresExterner Link, ACS Nano 19, 19027 (2025).
• H. C. Nerl, J. P. Guerrero-Felipe, A. M. Valencia, K. F. Elyas, K. Höflich, C. T. Koch, and C. Cocchi, Mapping the energy-momentum dispersion of hBN excitons and hybrid plasmons in hBN-WSe2 heterostructuresExterner Link, npj 2D Mater. Appl. 8, 1 (2024). 
• J. Krumland, S. Velja, and C. Cocchi, Quantum Dots in Transition Metal Dichalcogenides Induced by Atomic-Scale DeformationsExterner Link, ACS Photonics 11, 586 (2024).
• S. Velja, J. Krumland, and C. Cocchi,Electronic properties of MoSe2 nanowrinklesExterner Link, Nanoscale 16, 7134 (2024).
• J. Krumland and C. Cocchi,Ab Initio Modelling of Mixed-Dimensional Heterostructures: A Path ForwardExterner Link, J. Phys. Chem. Lett. 15, 5350 (2024).
• J. Krumland and C. Cocchi, Conditions for electronic hybridization between transition-metal dichalcogenide monolayers and physisorbed carbon-conjugated moleculesExterner Link, Electron. Struct. 3, 044003 (2021).
• J. Krumland, G. Gil, S. Corni, and C. Cocchi,LayerPCM: An implicit scheme for dielectric screening from layered substrates, J. Chem. Phys. 154, 224114 (2021).
   

Team:

• Dr. Surender Kumar
• Dr. M. Sufyan Ramzan
• Jiwon Kwon
• Stefan Velja
• Dr. Jannis Krumland (seit 4/2025 an der Universität Modena und Reggio Emilia, Italien)
• Dr. Sumanti Patra

Computergestützte Durchmusterung und Charakterisierung nachhaltiger Materialien für Technologien der sauberen Energie auf Basis von Erste-Prinzipien-Methoden

Wir modellieren neuartige Materialien für Technologien der sauberen Energie – einschließlich Photovoltaik, Katalyse und Batterien – auf Basis von Ab-Initio-Methoden. Mithilfe modernster Methoden, die vom Hochdurchsatz-Screening bis zur Vielteilchen-Störungstheorie reichen, untersuchen wir die strukturellen, elektronischen, optischen und schwingungsspektroskopischen Eigenschaften einer breiten Palette von Materialien: von organischen Mischungen und Kristallen über anorganische Halbleiter und Oxide bis hin zu Halogenperowskiten und metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs).

Zu den Zielanwendungen zählen Solarzellen, ultrakohärente Elektronenquellen sowie die Energieumwandlung und -speicherung. 

Wesentliche Entwicklungen:

High-throughput screening library “Automated ab-Initio Material Modelling and Data Analysis Toolkit (aim2dat)” - https://github.com/aim2dat/aim2datExterner Link 

Geförderte Projekte:

• 2023 – 2027: „Grundlagen für Photovoltaik-Technologien der Zukunft (FuturePV)” funded by the Lower Saxony Ministry of Science and Culture.
• 2022 – 2026: DFG project “Fundamental characterization and photoemission properties of multi-alkali antimonides for ultra-bright electron sources (FunPhotoSource)”

Relevante Publikationen:

• H.-D. Saßnick and C. Cocchi, Crystal structure prediction of Cs-Te with Crystal structure prediction of Cs-Te with supervised machine learningExterner Link, Adv. Theory Simul. 89, 2401344 (2025).
• T. Reents, E. Kataev, D. Duarte-Ruiz, R. Wilks, R. Garcia-Diez, M. Bär, and C. Cocchi, Combinatorial Ab Initio Calculations and Core Spectroscopy Unravel the Electronic Structure of Nickel Cobalt Manganese OxideExterner Link, Sci. Rep. 15, 5816 (2025).
• H.-D. Saßnick and C. Cocchi,Automated analysis of surface facets: The example of cesium telluride, npj Comput. Mater. 10, 28 (2024).
• C. Cocchi, M. Guerrini, J. Krumland, N.T. Nguyen, and A. M. Valencia, Modeling the electronic structure of organic materials: A solid-state physicist's perspectiveExterner Link, J. Phys.: Materials 6, 012001 (2022).
• A. M. Valencia, D. Bischof, S. Anhäuser, M. Zeplichal, A. Terfort, G. Witte, and C. Cocchi, Excitons in organic materials: Revisiting old concepts with new insightsExterner Link, Electron. Struct. 5, 033003 (2023).
• C. Cocchi and H.-D. Saßnick, Ab Initio Quantum-Mechanical Predictions of Semiconducting Photocathode MaterialsExterner Link, Micromachines 12, 1002 (2021).

Team:

• Dr. M. Sufyan Ramzan
• Hilde Bellersen
• Joshua Edzards 
• Jiwon Kwon
• Julia Santana Andreo
• Richard Schier

Untersuchung dynamischer Wechselwirkungen zwischen Materialien und elektromagnetischen Feldern auf Basis von Ab-Initio-Methoden

Wir untersuchen die Wechselwirkungen zwischen organischen, anorganischen und hybriden Materialien und (intensiven) elektromagnetischen Feldern unter Anwendung der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie. Unser primäres Interesse gilt dem Verständnis, wie die Eigenschaften des Materials (Zusammensetzung, Struktur etc.) und die des externen Feldes (Dauer, Intensität, Trägerfrequenz, Polarisation, zeitliche Verzögerung etc.) die nichtlineare Antwort beeinflussen.

Wesentliche Entwicklungen:

Ab-Initio 2D Elektronspektroskopie - https://pubs.aip.org/aip/apr/article/11/1/011305/3105956Externer Link 

Geförderte Projekte:

• 2025 – 2027: “Computational design of mixed-dimensional heterostructures for mid-gap state engineering and enhanced second-order optical nonlinearities” - project A8 in SFB 1375 “Nonlinear Optics at the Atomic scale (NOA)”
• 2024 – 2028: “Elektronen-Licht-Kontrolle (elLiKo)” financed by the Lower Saxony Ministry of Science and Culture
• 2024 – 2027: DFG project “Ab initio description of optical nonlinearities induced by impulsive broadband radiation (INPULS)”

Relevante Publikationen:

• M. Driouech, M. Guerrini, and C. Cocchi, Excited State Absorption Drives Low-Energy Optical Limiting in OligothiophenesExterner Link, J. Phys. Chem. Lett. 16, 11867 (2025).
• J. Krumland, M. Guerrini, A. De Sio, C. Lienau, and C. Cocchi, Two-dimensional electronic spectroscopy from first principlesExterner Link, Appl. Phys. Rev. 11, 011305 (2024).
• X. T. Nguyen, K. Winte, D. Timmer, Y. Rakita, D. Ceratti, S. Aharon, M. S. Ramzan, C. Cocchi, M. Lorke, F. Jahnke, D. Cahen, C. Lienau, and A. De Sio, Phonon-driven Intra-exciton Rabi Oscillations in CsPbBr3 Halide PerovskitesExterner Link, Nat. Commun. 14, 1047 (2023).
• M. Jacobs, J. Krumland, and C. Cocchi,Laser-Controlled Charge Transfer in a Two-Dimensional Organic/Inorganic Optical Coherent Nanojunction, ACS Appl. Nano Mater. 5, 5187 (2022).
• C. Cocchi, D. Prezzi, A. Ruini, E. Molinari and C. A. Rozzi,Ab initio simulation of optical limiting: The case of metal-free phthalocyanineExterner Link, Phys. Rev. Lett. 112, 198303 (2014).
   

Team:

• Dr. Michele Guerrini
• Dr. Anvar Khujakulov
• Dr. M. Sufyan Ramzan
• Mustapha Driouech
• Jonas Grandel
• Jannik Theile (Universität Oldenburg)