Steuerung magneto-optischer Eigenschaften in Schichtkristallen durch spannungsgesteuerte molekulare Interkalation

• Antragsteller: Dr. Kevin Synnatschke
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566939844

Das vorliegende Forschungsprojekt untersucht neue, fundamentale Aspekte der kathodischen Interkalationschemie an mikromechanisch exfolierten van-der-Waals (vdW) Materialien. Das Ziel ist es, deren elektronische, optische und magnetische Eigenschaften durch die Interkalation organischer Moleküle (Kationen) in die vdW-Lücken gezielt zu steuern. Dadurch werden die Wechselwirkungen zwischen den Lagen gezielt geschwächt, wodurch sich die strukturellen, elektronischen und optischen Eigenschaften der Materialien ohne Beeinträchtigung ihrer Integrität anpassen lassen. Der Schwerpunkt des Projekts liegt auf W-basierten Übergangsmetall-Dichalcogeniden (TMDs), WS₂, WSe₂ und WTe₂, die aufgrund ihrer starken Spin-Bahn-Kopplung, chemischen Vielseitigkeit und strukturellen Stabilität eine geeignete Modellplattform darstellen. Mehrlagige mikromechanisch exfolierte Nanomaterialien werden als Startmaterialien verwendet, da sie eine präzise Untersuchung von Interkalationsprozessen ermöglichen. Ziel ist es, Effekte wie elektronische Entkopplung, chemisch induzierte Quanteneffekte und interkalationsbedingte Symmetrieänderungen zu untersuchen und durch Modifikation des Interkalanten systematisch anzupassen. Zusätzlich werden die optischen Eigenschaften dieser Materialien durch die Interkalation optisch aktiver Moleküle, wie perylenbasierte oder dynamisch isomerisierbare Verbindungen, gezielt gesteuert. Dies umfasst das Einstellen der Photolumineszenz, die Untersuchung von Exzitondynamiken und Licht-Materie-Kopplung. Nachdem die Interkalationchemie an TMDs umfassend untersucht wurde sollen Interkalationsexperimente auf antiferromagnetische vdW-Materialien, darunter Metallthiophosphate (FePS₃, NiPS₃, MnPS₃) und CrSBr, übertragen werden. Diese Materialplattform eignet sich um magnetische Phasen wie antiferromagnetische und ferromagnetische Kopplungen durch Interkalation gezielt zu beeinflussen. Besonders CrSBr ist spannend, da es sowohl optische als auch magnetische Übergänge aufweist, die durch interkalation potentiell signifikant beeinflusst werden können. Abschließend werden komplexere Heterostrukturen untersucht, die TMDs mit magnetischen vdW-Materialien kombinieren. Diese Systeme ermöglichen es, gekoppelte optische und magnetische Eigenschaften zu analysieren und durch Interkalation gezielt zu modifizieren. Die Erforschung von Systemen mit zunehmender Komplexität, einschließlich der Kombination von TMDs mit Thiophosphaten oder mit CrSBr, bildet eine vielversprechende Grundlage für das Design zukünftiger Funktionsmaterialien. Das Projekt kombiniert fortschrittliche Methoden der Nanomaterialsynthese, präzise elektrochemische Messtechniken und moderne Charakterisierungsverfahren wie Raman-Spektroskopie, Photolumineszenz, Magnetooptik und Elektronenmikroskopie. Ziel ist es ein tiefes Verständnis der Interkalationschemie und den Einfluss auf Symmetrieänderungen zu generieren, um neue Anwendungen in Optoelektronik, Spintronik und Quantenmaterialien zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen