Theorie-gestützte Synthese von MXenen mit magnetischer Ordnung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Christina Birkel; Dr. Jochen Rohrer
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501386284

MXene sind zweidimensionale Carbide und Nitride der Formeleinheit Mn+1XnTx (M = frühes Übergangsmetall, X = C, N, C/N, Tx = funktionale Oberflächengruppen, meistens -F, -OH, -O), die aus dreidimensionalen MAX-Phasen (Mn+1AXn, A = Element der Gruppe IIIA oder IVA) chemisch exfoliert werden können und deren Eigenschaften sowohl durch ihre Zusammensetzung wie auch durch ihre Oberflächenfunktionalisierung beeinflusst werden. Diese Variabilität hat zusammen mit ihren besonderen Eigenschaften (z.B. metallisch, hydrophil, mechanisch stabil) zur Demonstration vielfältiger technologischer Anwendungsbeispiele geführt (Energiespeicherung, (Photo-)Katalyse, Sensorik, etc.). Allerdings konnten trotz der vielen prinzipiell möglichen Kombinationen an M und A Elementen und der relativ hohen Anzahl an bekannten Edukt-MAX-Phasen bisher nur rund 30 MXene synthetisiert werden. Das Ziel dieses Vorhabens ist die Herstellung neuartiger und idealerweise magnetischer MXene ausgehend von umfassenden theoretischen Rechnungen zu Stabilität und Exfolierbarkeit der entsprechenden Ausgangsverbindungen (MAX-Phasen). Bisher sind nur wenige Vertreter zweidimensionaler Materialien mit magnetischer Ordnung bekannt, die allerdings höchst interessant sind für Anwendungen in der Spintronik und als Quantenmaterialien. Aufgrund ihrer chemischen Vielfalt (Zusammensetzung und Oberflächenfunktionalisierung), versprechen die erwarteten neuartigen Verbindungen daher diese Materialklasse signifikant zu erweitern, während sie zusätzliche Eigenschaften besitzen, die besonders für ihre Verarbeitung und potentielle Anwendung von Vorteil sind (z.B. bilden stabile kolloidale Lösungen). Um den Raum der chemischen Zusammensetzungen, die zu einer magnetischen Ordnung führen, möglichst umfassend zu untersuchen, sollen im vorliegenden Vorhaben experimentelle und theoretische Methoden kombiniert werden. Hierzu sollen auf Basis von high-throughput Elektronstrukturrechnungen und bestehenden thermodynamischen Modellen systematisch realisierbare MAX-Phasen und deren Exfolierbarkeit vorhergesagt werden. Durch Feedback aus dem experimentellen Teil des Projekts sollen die thermodynamischen Modelle außerdem bei Bedarf zur präziseren Vorhersage sukzessiv verbessert werden. Ausgewählte Verbindungen, die mit hoher Wahrscheinlichkeit synthetisiert und exfoliert werden können, sollen dann weiter experimentell untersucht werden. Dafür werden zunächst die Ausgangs-MAX-Phasen mittels diverser Festkörper- und nasschemischer Methoden hergestellt, z.B. mit Hilfe von Mikrowellenheizen und Sol-Gel-Chemie. Dadurch werden ternäre und quaternäre MAX-Phasen synthetisiert, die dann mit verschiedenen Exfolierungsmitteln behandelt und im Erfolgsfall in ihre zweidimensionalen Analoge überführt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen