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Supraleitende Eisenselenid-Schichtsysteme durch Hydrothermalsynthesen

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
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen unseres Projekts zu eisenbasierten supraleitenden Materialien haben wir eine Reihe von Entdeckungen gemacht, die neue Erkenntnisse über supraleitende Stoffe und die Wechselwirkungen zwischen Supraleitung, Magnetismus und Kristallstruktur liefern. Zu Beginn der Förderung entdeckten wir die Verbindung [(Li0.8Fe0.2)OH]FeSe, die sowohl supraleitend (bis 42 K) als auch ferromagnetisch (bis 10 K) ist - ein einzigartiges Phänomen. Es gelang uns, Kristalle in Millimetergröße zu züchten, darüber hinaus stellten wir das Schwefel-Pendant [(Li0.8Fe0.2)OH]FeS sowie die Reihe [[(Li0.8Fe0.2)OH]FeSe1-xSx her. Schon geringe Mengen Schwefel unterdrücken die Supraleitung, während die magnetischen Eigenschaften erhalten bleiben. Weitere Untersuchungen an [[(Li0.8Fe0.2)OH]FeSe zeigten zwei supraleitende Zustände (bei 40 K und 35 K) und bestätigten die Koexistenz von Supraleitung und Magnetismus. Überraschend war, dass hydrothermal hergestelltes β-FeSe nicht supraleitend ist. Die Röntgenstrukturanalyse bei tiefen Temperaturen hat gezeigt, dass sich eine andere Kristallstruktur bildet, in der sich die Abstände zwischen den Eisenatomen unterscheiden, was die fehlende Supraleitung erklären könnte. Die Hydrothermalsynthese wurde auch für Eisensulfid (FeS) verwendet, das bei 4 K supraleitend ist. Anders als FeSe zeigt FeS keine Strukturänderung bei Abkühlung, und die Supraleitung verschwindet unter Druck. Experimente zur hydrothermalen Synthese von FeSe-Interkalationsverbindungen führten zur Entdeckung der Verbindung [Na6(H₂O)18][Fe4Se8] mit Eisenatomen, die zwischen Fe3+ und Fe2+ fluktuieren. Die Kristallstruktur enthält [(Fe4Se4)Se4]⁶⁻ Cluster, die ausschließlich von H₂O-Molekülen umgeben sind. In Zusammenarbeit mit unseren Partnern haben wir den Magnetismus der gemischtvalenten Cluster mittels µSR-Messungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Fluktuationsfrequenz mit sinkender Temperatur abnimmt, jedoch der erwartete Grundzustand mit S = 0 überraschenderweise nicht erreicht wird. Weitere hydrothermale Synthesen zu Beginn der zweiten Förderperiode lieferten gemischte Ergebnisse, erfolgreicher waren solvothermale Verfahren mit Ethylendiamin. Es gelang uns, ungeladene Moleküle in FeSe zu interkalieren, jedoch waren diese Verbindungen nicht supraleitend. Vermutlich ist eine Ladungsübertragung erforderlich, um hohe Sprungtemperaturen zu erreichen. Im weiteren Projektverlauf gelang uns die elektrochemische Interkalation von Tetramethylammonium (TMA) in FeSe. (TMA)0.5Fe₂Se₂ ist ein neues supraleitendes Material mit einer Sprungtemperatur von 42 K. In der Reihe (TMA)0.5Fe2Se2-xSx nimmt die Sprungtemperatur mit zunehmendem Schwefelgehalt ab. Mit Kooperationspartnern haben wir das Zusammenspiel von Supraleitung, Magnetismus und Nematizität in FeSe1-xSx untersucht. Unter Druck könnten alle drei Phänomene koexistieren, was neue Fragen zu ihrer Bedeutung für die Supraleitung aufwirft.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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