Supraleitende Eisenselenid-Schichtsysteme durch Hydrothermalsynthesen

• Antragsteller: Professor Dr. Dirk Johrendt
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271160910

Die einzigartigen elektrischen und magnetischen Eigenschaften eines Supraleiters mit hohen kritischen Temperaturen (Tc) versprechen immense Anwendungsmöglichkeiten in modernen Energietechnologien - unter der Voraussetzung, dass dazu wirklich geeignete Materialien verfügbar werden. Auf Eisen basierende Supraleiter haben bewiesen, dass sie bestimmte Vorteile gegenüber den schon lange bekannten Kupferoxiden haben, allerdings liegen ihre kritischen Temperaturen mit 55 K noch unter dem Siedepunkt des flüssigen Stickstoffs von 77 K. Ein eisenbasierter Supraleiter mit einer höheren kritischen Temperatur wäre ein großer Durchbruch auf dem Weg zur technischen Anwendung. Kürzlich entdeckte man Supraleitung bis 99 K in extrem dünnen Filmen aus Eisenselenid FeSe auf einem Untergrund aus Metalloxid. Wir glauben, dass Supraleitung oberhalb von 77 K nicht nur in Filmen, sondern auch in Volumenmaterialien mit Schichten aus FeSe möglich ist. Das Ziel unseres Projektes ist die Herstellung neuer Supraleiter, in denen Eisenselenid-Schichten von Metalloxiden oder organischen Molekülen separiert sind. Wir entwickeln dazu Synthesemethoden weiter, bei denen geeignete Ausgangsstoffe in Lösemitteln unter hohem Druck und bei Temperaturen bis 200 Grad zu den gewünschten Materialien reagieren (Solvothermalsynthesen). In der ersten Förderphase gelang uns damit u. a. die Herstellung großer supraleitender Einkristalle des ferromagnetischen Supraleiters Li0.8Fe0.2OHFeSe, mit denen wir nun Neutronen¬streu-experimente zur Detektion eines spontanen Vortexgitters durchführen können. Dies wäre bisher einmalig in der Supraleiterforschung. Für die Suche nach neuen FeSe-basierten Supraleitern kombinieren wir solvothermale Methoden mit Ionenaustausch¬prozessen. Zusätzlich entwickeln wir sonochemische Verfahren zur Interkalation von organischen Molekülen in Eisenselenid. Während der ersten Förderphase gelang uns bereits die Synthese eines solchen Hybridmaterials. In FeSe(C2N2H8)0.3 liegen erstmalig praktisch isolierte FeSe-Schichten vor und wir verstehen die Verbindung als „expandiertes FeSe“. Damit wollen wir im weiteren Projektverlauf herausfinden, ob Supraleitung tatsächlich in ungeladenen Eisenselenid-Schichten auftreten kann oder ob ein Ladungstransfer aus den Zwischen-schichten zwingend ist. Durch unser Projekt gewinnen wir neue Erkenntnisse über die Synthese und Eigenschaften verschiedener FeSe-Schichtsysteme, die wir als Analoga zu den Filmen aus FeSe auf Metalloxid verstehen. Supraleitung oberhalb von 77 K in einem solchen Volumenmaterial wäre ein enormer Fortschritt auf diesem aktiven Forschungsgebiet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen