Zweidimensionale Materialien und oberflächenaktive Substanzen: Exfoliierung, Stapelkontrolle, zielgerichtetes Partikelwachstum und funktionale Heterostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Heine
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405358529

Viele Anwendungen erfordern monodisperse zweidimensionale Nanokristalle (2DNC). Aufgrund von Quanten-Confinement-Effekten in lateralen Dimensionen sowie in der Anzahl der Lagen bestimmen Form und Größe deren optoelektronische Eigenschaften, und die Partikelränder unterscheiden sich im Materialcharakter (metallisch, halbleitend) und in ihrer katalytischen Aktivität. Die Kontrolle der Größen und der Kanten ist notwendig für optoelektronische und photokatalytische Anwendungen. Wir versuchen, das 2DNC-Wachstum entlang ausgewählter Kanten zu kontrollieren, indem wir mit Hilfe oberflächenaktiver Substanzen (surfactants) die Reaktionen mit Monomeren aus der Kolloidlösung entweder aktivieren oder passivieren, wodurch die Anzahl der Lagen (von Monolage zu Stapeln), die laterale Größe, der Interlagenabstand, und die laterale Form der 2DNC bestimmt werden kann. Wir werden untersuchen, wie die Basisfläche von 2DNC Nanoscheiben angegriffen werden kann, um torusförmige Strukturen zu schaffen, und werden untersuchen, ob es möglich ist, besondere 2DNC Polytypen durch zielgerichtete Synthese darzustellen. Wir werden die Möglichkeit untersuchen, 2DNC Monolagen interkaliert mit oberflächenaktiven Molekülen so zu stapeln, dass die elektronischen Eigenschaften der 2DNC-Monolagen erhalten bleiben. Des Weiteren werden wir die elektronischen Wechselwirkungen der oberflächenaktiven Substanzen mit den 2DNC untersuchen, insbesondere mit Radikalen oder solchen mit Ladungsfallen/Ladungsreservoirs.Unsere auf ab initio Berechnungen beruhenden Forschungen werden in enger Zusammenarbeit mit zwei führenden experimentellen Gruppen durchgeführt, die uns in-situ spektroskopische Daten liefern, sowie 2DNC und oberflächenaktive Substanzen herstellen. Die erste Materialzielgruppe sind Übergangsmetallchalcogenide (TMC), angefangen von den Übergangsmetalldichalcogeniden (TMDC) der Gruppen 4 und 6, gefolgt von Edelmetallen (Gruppe 10), und schliesslich 2D kovalent-organische Gerüstverbindungen (2D covalent organic frameworks, COFs) und 2D Polymere. Zu Beginn dienen die oberflächenaktiven Substanzen nur zur Lagenseparation, zum Ende des Projekts werden wir erforschen, inwiefern die Funktionalisierung dieser Moleküle zur Kontrolle der Funktionalität der 2DNC ausgenutzt werden kann.Die in diesem Projekt durchgeführten methodischen Implementierungen, ein Multi-High-Level/Low-Level-Verfahren und ein automatisiertes Verfahren zur Berechnung der Ladungsträgermobilität, werden öffentlich über github verfügbar, sowie in die grafische Benutzeroberfläche des Amsterdam Density-Functional (ADF)-Softwarepaktes integriert sein. Wir kooperieren mit dem Hauptentwickler des BAND Codes, welches DFT-Rechnungen mit 0D-3D periodischen Randbedingungen erlaubt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen