Ferrovskite: Halbleiter mit anpassbaren Eigenschaften

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Annika Bande; Professorin Dr. Carolin König; Professor Dr. Sebastian Polarz
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 575062610

Halbleiter, die aus einer Blei-Halogenid Struktur mit interkalierten, organischen Kationen (sogenannte Hybride Perowskite) bestehen, weisen zahlreiche, vorteilhafte Eigenschaften in der Optoelektronik auf. Anders als im Falle der allermeisten, alternativen Halbleiterklassen ist es nicht nur möglich die externen Oberflächen mit funktionellen, organischen Molekülen zu dekorieren, sondern man kann sie als integrale Bestandteile des Kristallgitters installieren. Nimmt man an, dass diese Konstituenten in zwei Zuständen existieren, sie also zur Klasse der molekularen Schalter gehören, ist vorstellbar, dass die erhaltenen Hybridmaterialien adaptive Halbleiter repräsentieren. Deren Eigenschaften hängen dann vom Schaltungsgrad der Moleküle ab. Das Projekt fokussiert sich auf 2-dimensionale Perowskite (Ruddlesden-Popper and Dion-Jacobson Phasen), die Ammonium-Endgruppen an Ferrocen-Derivaten in den Zwischenschichten aufweisen. Wir werden maßgeschneiderte Ferrocenverbindungen präparieren und mit diesen die hybriden Perowskite herstellen. Deren Kristallstruktur wird durch Methoden wie die dreidimensionale Elektronenmikrodiffraktion aufgeklärt. Unterschiedliche Quantentopf-Szenarien werden durch die Anpassung der Position der Ferrocen-Grenzorbitale in Bezug zum Valenz- und Leitungsband der Perowskit-Phase realisiert. Wir erwarten, dass sich nicht nur die energetische Übereinstimmung auf den Transport der Ladungsträger im Material auswirkt, sondern auch der Abstand der Ferrocene zu den Perowskitschichten und die gegenseitige Ausrichtung. Optoelektronische Eigenschaften und der Ladungstransport innerhalb und zwischen den Schichten werden experimentell untersucht und durch fortgeschrittene, theoretische Methoden aufgeklärt. Der interessanteste Aspekt der beschriebenen Ferrovskitmaterialien ist, dass man zwischen unterschiedlichen Oxidationszuständen der vorhandenen Eisenzentren (FeII/III) reversibel hin- und herschalten kann. Für die daraus resultierenden Ferroceniumeinheiten wird erwartet, dass sie bei niedriger Konzentration als Akzeptorzustände für eine (adaptive) p-Dotierung fungieren. Bei höherer Dichte hingegen ermöglicht der Ladungstransport in der Organometallschicht die Ausbildung von leitfähigen Pfaden und somit Memristor-Eigenschaften.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen