Sandwich-Molekül-Nanodrähte: Synthese auf Oberflächen, Struktur und Magnetismus

• Antragsteller: Dr. Nicolae Atodiresei; Professor Dr. Thomas Werner Michely; Professor Dr. Heiko Wende
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389895192

Im Fokus des Projektes stehen Sandwich-Molekül-Nanodrähte, die aus einer periodischen Abfolge von 4f Seltenerdkationen und planaren aromatischen Anionen als Liganden bestehen. Die Liganden basieren auf dem Cyclooctatetraenmolekül (C8H8, kurz Cot), an die die Metallatome achtfach koordiniert sind. Diese eindimensionalen Einheiten sind konzeptionell sowohl von zweidimensionalen organometallischen Netzwerken als auch von nulldimensionalen molekularen Magneten verschieden. Durch die Hybridisierung der elektronischen Zustände des Metallatoms mit dem den ausgedehnten pi-Orbitalen des Cot-Moleküls koppeln die Metallatome magnetisch. Daher könnten diese Systeme stabilere magnetische Einheiten als molekulare Magnete sein und eine größere magnetische Anisotropie sowie eine entsprechend höhere Blockingtemperatur besitzen. Das erste Ziel der vorgeschlagenen Forschung ist es, die Vielseitigkeit eines neuen Syntheseverfahrens für diese Nanodrähte auf Oberflächen zu demonstrieren. Dieses Verfahren ermöglicht es erstmals solche Drähte sauber auf einen Substrat herzustellen und einer detaillierten Untersuchung zugänglich zu machen. Beginnend mit dem paradigmatischen Eu-Cot Fall werden wir in der Synthese (i) verschiedene Seltenerd-, Erdalkali- und 3d-Metalle testen, (ii) das Ligandenmolekül variieren oder es durch funktionelle Gruppen modifizieren, und schließlich (iii) verschiedene Substrate und Dotiermethoden verwenden. Exemplarisch werden wir über erkundende Experimente hinausgehen: Struktur und Wachstum werden sorgfältig analysiert um das Wachstum und damit die Reinheit und Qualität des Produktes zu optimieren.Das zweite Ziel ist es, die Physik der Wechselwirkung der 4f (bzw. 3d) Metallelektronen mit den molekularen pi-Systemen zu erforschen und zu verstehen. Für ausgesuchte Systeme werden wir zu diesem Zweck die elektronischen und magnetischen Eigenschaften der Sandwich-Molekül-Nanodrähte im Detail untersuchen. Dabei werden insbesondere die Bandstruktur, Bandlücken, magnetische Momente, magnetische Anisotropie und die magnetische Kopplung experimentell bestimmt und mit dezidierten ab initio Rechnungen verglichen. Wir sind überzeugt, dass dieser Prozess des Zusammenspiels von Theorie und Experiment auch verbesserte Konzepte für das Wachstum der Drähte liefern wird. Das dritte Ziel wird eine Richtlinie für die Aktivitäten sein, die den ersten beiden Zielen untergeordnet sind, nämlich stabile magnetische Einheiten herzustellen, die ein Potential für die Anwendung in der Spinelektronik besitzen. Das impliziert die magnetische Anisotropie sowie die magnetische Kopplungsstärke der Metallatome in den Drähten im Blick zu halten, dem Wachstum auf isolierenden Substraten Aufmerksamkeit zu widmen, und schließlich den Versuch die Drähte zu manipulieren und zu kontaktieren um spinpolarisierten Transport zu messen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen