First-Principles-Einsichten zum Magnetwiderstand von radikalischen molekularen Brücken

• Antragstellerin: Professorin Dr. Carmen Herrmann
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420773200

Die Kontrolle einzelner Moleküle ist eine schwierige Aufgabe, bei der in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt worden sind, insbesondere auf dem Gebiet der molekularen Elektronik und der Spintronik. Während das Schalten zwischen diskreten Zuständen ein besonders dramatisches Beispiel für diese Kontrolle ist, ist die allmähliche Veränderung von Eigenschaften wie dem elektrischen Widerstand über externe Parameter wie Magnetfelder (Magnetwiderstand) faszinierend, weil so ein breiter Bereich der zugänglichen Eigenschaften des Systems abgerastert werden kann, und weil sie für Funktionen wie z.B. die Sensorik unerlässlich ist. Der Magnetwiderstand von organischen Radikalen, die von Metallelektroden kontaktiert werden, hat den zusätzlichen Reiz, unerwartete Verhaltensweisen zu zeigen, von denen viele noch nicht verstanden sind. Die Aufklärung der zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen könnte neue Einblicke nicht nur in das Innenleben möglicher Funktionsmaterialien geben, sondern auch in grundlegende Aspekte von Molekülen unter Nichtgleichgewichtsbedingungen und deren Wechselwirkung mit Metalloberflächen. Unser Ziel ist es, solche Erkenntnisse aus atomistischen Simulationen zu gewinnen. Da mehrere Mechanismen für den Magnetwiderstand plausibel sind, kommen die überzeigensten theoretischen Daten aus First-Principles-Ansätzen. Sobald die grundlegenden Mechanismen verstanden sind, erlauben First-Principles-Methoden auch eine unvoreingenommene Einschätzung, wie sich die chemische Struktur auf das physikalische Verhalten auswirkt, was für Struktur-Eigenschafts-Beziehungen unerlässlich ist.Das spezifische Ziel dieses Projekts ist es, den Mechanismus des derzeit rätselhaften Magnetwiderstands zu aufzuklären, der kürzlich in Einzelmolekül-TEMPO-OPE-Radikalen beobachtet wurde, die in Bruchkontakten durch Elektroden kontaktiert waren. Weiterhin ist geplant, neue Radikal-Elektrodensysteme vorzuschlagen, die (a) weitere Einblicke in die grundlegenden Mechanismen des Magnetwiderstands und von Grenzflächenstrukturen und (b) Potenzial für Spintronik-Anwendungen versprechen. Unsere Haupthypothese ist, dass Radikalsubstituenten direkt mit Goldelektroden wechselwirken können, was zu magnetfeldabhängigen Grenzflächenmodifikationen führt, die dann die Transporteigenschaften beeinflussen. Solche Substituenten-Elektroden-Wechselwirkungen könnten auch Elektronentransport durch den Radikal-Substituenten zur Folge haben. Dies könnte zu Kondo-Signaturen führen und damit zur Klärung beitragen, ob das Fehlen dieser Signaturen im Experiment auf das Fehlen solcher Transportwege durch den Radikalsubstituenten hinweist. Daher müssen wir die Kondo-Eigenschaften dieser Radikale beschreiben. Dazu gehört auch die Implementierung und Verbesserung der Berechnungsmethodik. Schließlich wollen wir neue Erkenntnisse über allgemeine Struktur-Eigenschafts-Beziehungen für organische Radikale und deren Wechselwirkungen mit Metalloberflächen und Elektroden gewinnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Ignacio Franco