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

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Zweidimensionale Kristalle haben in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erhalten, da sie einzigartige Eigenschaften bieten, die in ihrer direkt verwandten geschichteten Bulk-Phase beispiellos sind. In diesem Projekt haben wir die Wechselwirkung von 2D-Nanokristallen mit Tensidmolekülen untersucht. Ein Forschungsschwerpunkt liegt auf der formgesteuerten Synthese von 2D-Nanokristallen, der andere auf den elektronischen Eigenschaften von 2D-Nanokristallen unter dem Einfluss von Tensiden. Die Forschung umfasste einen methodischen Teil für die fundierte Auswahl der Berechnungsmethoden und einen angewandten Teil, in dem die Wechselwirkungen zwischen ausgewählten Tensiden und 2D-Nanokristallen überwacht und bewertet wurden. Im Mittelpunkt des methodischen Teils des Projekts stand die Verwendung dispersionskorrigierter DFT-Methoden, insbesondere der SCAN-rVV10- und PBE-rVV10L-Funktionalen, zur genauen Vorhersage von Zwischenschichtabständen, Wechselwirkungsenergien und elektronischen Eigenschaften. Diese Größen sind für eine gründliche Beschreibung der Stapelungseigenschaften von entscheidender Bedeutung und wurden für eine Vielzahl von 2D-Materialien sowohl in homogener als auch in heterostrukturierter Form bewertet. So sagt SCAN-rVV10 beispielsweise in homogenen und heterostrukturierten Schichtsystemen die Zwischenschichtabstände und die Wechselwirkungsenergetik genau voraus und stimmt dabei eng mit experimentellen und höherstufigen theoretischen RPA-Ergebnissen überein.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Performance of London Dispersion Corrected DFT Functionals for Two-Dimensional Materials, European Conference on Chemistry of Two-Dimensional Materials, Dresden, Germany (September 2019), Poster
  Birkan Emrem, Kati Finzel & Thomas Heine
  
• London Dispersion Corrected Density Functional Theory Made Layered Materials Simple, Saxonian Theoretical Chemistry Symposium, Leipzig, Germany (October 2021), Talk
  Birkan Emrem
  
• Performance of London Dispersion Corrected DFT Functionals and Their Impacts on Electronic Band Structure Calculations, European Conference on Chemistry of Two-Dimensional Materials (virtual), Bologna, Italy (September 2021), Poster
  Birkan Emrem, Kati Finzel & Thomas Heine
  
• London Dispersion‐Corrected Density Functionals Applied to van der Waals Stacked Layered Materials: Validation of Structure, Energy, and Electronic Properties. Advanced Theory and Simulations, 5(7).
  Emrem, Birkan; Kempt, Roman; Finzel, Kati & Heine, Thomas
  
• Shape and Growth Control of {Mo,Ti}S2 Nanoplatelets, Condensed Matter Division (CMD29) Conference, Manchester, UK (August 2022), Poster
  Birkan Emrem, Jan-Ole Joswig & Thomas Heine
  
• The structural and electronic richness of buckled honeycomb AsP bilayers. Nanoscale, 14(28), 10136-10142.
  Arcudia, Jessica; Emrem, Birkan; Heine, Thomas & Merino, Gabriel
  
• Precise structure and energy of group 6 transition metal dichalcogenide homo- and heterobilayers in high-symmetry configurations. 2D Materials, 11(3), 035011.
  Emrem, Birkan; Joswig, Jan-Ole & Heine, Thomas