POL-LAN-DE - Verstärkung magnetischer Wechselwirkung in Lanthanid-Verbindungen durch Ag(II)-induzierte Spin-Superpolarisierung

• Antragsteller: Professor Dr. Paul Kögerler
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 380626961

Lanthanoid (Ln)-Kationen können eine hohe Zahle von ungepaarten Elektronen (bis zu sieben für Eu2+/Gd3+/Tb4+), hohe magnetische Momente (bis zu ~11 Bohrschen Magnetonen für D3+ und Ho3+) und starke Spin-Bahn-Kopplung aufweisen, was sie für magnetische Materialien wie Permanentmagnete und molekulare Magnete, aber auch für wie auch für die Spintronik sehr attraktiv macht. Gleichzeitig sind jedoch die Superaustausch-Wechselwirkungen zwischen benachbarten Ln-Kationen im Allgemeinen sehr schwach, da die kernnah konzentrierten 4f-Orbitale nur minimal mit den Valenzorbitalen der Brückenliganden überlappen. Daher weisen viele ionische Ln-Verbindungen interessante und teils exotische magnetische Eigenschaften auf, während aber die Ordnungstemperaturen für langreichweitige magnetische Phänomene üblicherweise sehr gering (meist unter 10 K) sind. Vor diesem Hintergrund wollen wir untersuchen, wie die magnetische Polarisierung von diskreten (quasimolekularen) und ausgehnten Ln-Untergittern durch gezielten Einbau von Ag2+-Kationen in Kristallgitter drastisch verstärkt werden kann. Mit ihrer 4d9-Konfiguration weisen Ag2+-Kationen ein ungepaartes Elektron auf, das analoge Elektronenloch in einer d10-Valenzschale ist durch eine extrem hohe Elektronenaffinität von bis zu 11 eV charakterisiert, was ineiner starken Hybridisierung mit den Valenzorbitalen der umgebenden Liganden resultiert. Folglich bewirken Ag2+-Kationen eine starke Spin-Polarisierung selbst auf Fluorid-Liganden (die gemeinhin als ionische Bindungspartner von Übergangsmetall-Kationen gelten), während die Ag2+-...F-...Ag2+-Superaustauschenergie 100 meV übersteigt. Modellrechnungen zeigen, dass diese Spin-Polarisation selbst Ionen ohne ungepaarte Elektronen in Abständen von mehreren Angstrom von der Ag2+-Position beeinflussen kann; in ferromagnetisch gekoppelten Systemen bildet sich so eine Spindichte von über 0.1 Bohrschen Magnetonen auf einem Fluorid-Ion. Das zentrale Ziel bzw. die Innovation des beantragten Forschungsvorhabens besteht in der explorativen Untersuchung dieser Ag2+-Ionen als "Spin-Superpolarisierer" in einer Reihe von Ln(III)-Ag2+-Fluorid-basierten Verbindungen, die strukturell, spektroskopisch und magnetochemisch umfassend charakterisiert werden sollen. Wir erwarten für diese Verbindungen einen beträchtlichen magnetischen Superaustausch zwischen den Ag2+- und den Ln3+-Ionen, was mit langreichweitiger magnetischer Ordnung bis hin zu Raumtemperatur einher gehen sollte. Wir planen auch, dieses Konzept auf niedrigdimensionale oder Molekül-ähnliche Ln-Ag2+-Systeme zu übertragen. Das würde auf eine Konzeption von Strukturen und Eigenschaften solcher Systeme zusteuern, die ihrer zukünftigen Anwendung als spintronischer Bauelemente selbst bei Raumtemperatur erlaubte.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Wojciech Grochala