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Forschung

Motivation

Die Kontrolle und das Verständnis der magnetischen Wechselwirkungen von Spinzentren innerhalb einzelner Moleküle und molekularer Netzwerke – das steht im Zentrum der Forschung im molekularem Magnetismus. Wir gehen in unseren Arbeiten verschiedenen Fragen in diesem Zusammenhang nach, unter anderem:
Welche magnetischen Phänomene lassen sich überhaupt in einzelnen Molekülen (also quasi-nulldimensionalen Spinstrukturen) realisieren? Hierunter fallen statische und dynamische Ordnungsphänomene wie Phasenübergänge, oder Spin-Glas-Übergänge.
Wie reagieren solche Spinstrukturen auf Änderungen wie strukturelle Verzerrungen, Verteilung der Spinzentren, Bruch oder Erweiterung der Konnektivität? Was passiert, wenn wir magnetische Moleküle zu Netzwerken koppeln?

Wie können magnetische Moleküle im Bereich der Spintronik (der gemeinsamen Nutzung von Ladungszuständen und magnetischen Zuständen) eingesetzt werden? Wie können die Moleküle hierzu kontaktiert bzw. an Oberflächen angebunden werden?
Wie wirken sich Ligandenfeldeffekte auf die Spinzentren aus? Welche theoretischen Ansätze eignen sich zur Modellierung all dieser Situationen?

Eng verbunden mit diesem Thema sind unsere Arbeiten mit der Chemie der Polyoxometallate, die in unglaublich vielfältiger Weise funktionalisiert werden können. Polyoxometallate erlauben einen Grad an struktureller und elektronischer Kontrolle, die weit über das in der klassischen Koordinationschemie mögliche hinausgeht. Solche Strukturen können auch zu Oligomeren aggregieren, diese füllen den Bereich zwischen diskreten Molekülen und molekularen Gitterstrukturen – dies erlaubt uns etwa, den Übergang von diskreten zu mehrdimensional ausgedehnten Strukturen im Hinblick auf elektronische und magnetische Eigenschaften zu untersuchen. Auch im Bereich der Polyoxometallate stellen sich noch etliche grundlegende Fragen, etwa nach den genauen Bildungsmechanismen dieser nano-dimensionierten Cluster oder nach rationalen Syntheseansätzen.

Ebenfalls interessieren uns die katalytischen Eigenschaften der dergestalt magnetisch funktionalisierten Polyoxometallate. Hier untersuchen wir diese Systeme im Hinblick auf Oxidationskatalyse, O2-Aktivierung sowie die Integration hydrolytisch stabiler Systeme in photochemische Zellen.



Arbeitsgruppen

Organische Einzelmolekül-Spintronik

Projektleiter:
Dr. Sergio Sanz Calvo

Doktoranden:
Marvin Metzelaars, M.Sc.
Sidra Sarwar, M.Sc.
Tim Secker, M.Sc.
Paul Sieverding, M.Sc.
Forschungsthema:

Synthese und Untersuchung von Lanthanoid-Komplexen mit aromatischen Liganden

Komplexe der Lanthanoidionen können sehr interessante magnetische Eigenschaften besitzen. Sie können zum Beispiel aufgrund ihrer hohen magnetischen Anisotropie potenziell als Quantenbit Anwendung finden. Wir entwickeln neue Familien von aromatischen Liganden, die auf Phthalocyanin- und Cyclopentadienylgruppen basieren. Diese Liganden haben einen großen Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften der komplexierten Ionen. Außerdem eignen sich die Liganden, um auf Oberflächen aufgebracht zu werden, wodurch die Untersuchung von Einzelmoleküleigenschaften mithilfe der Rastertunnelmikroskopie ermöglicht wird. Diese Analysemethode wird in der Gruppe von Prof. C.M. Schneider (Peter Grünberg Institut (PGI-6), Forschungszentrum Jülich) durchgeführt.

S. Fahrendorf, N. Atodiresei, C. Besson, V. Caciuc, F. Matthes, S. Blügel, P. Kögerler, D.E. Bürgler, C.M. Schneider, Nature Commun., 2013, 4, 2425/1-6.


Chemie der Polyoxometallate

Projektleiter:
Dr. Natalya Izarova
Dr. rer. nat. Maria Stuckart

Doktoranden:
Tuba Iftikhar, M.Sc.
Wenyan Wang, M.Sc.

Forschungsthemen:

Polyoxometallate (POMs) sind diskrete, hochnukleare Oxoanionen der frühen Übergangsmetalle – üblicherweise V, Nb, Ta, Mo und W in ihren höchsten und zweithöchsten formalen Oxidationszahlen. Die Eigenschaft von verschiedenen Polyoxomolybdaten und -wolframaten, als mehrzähnige Sauerstoffdonor-Liganden an unterschiedlichste Elektrophile zu koordinieren, führt zu ausgedehnten Spinstrukturen aus vielen magnetischen Übergangsmetallkationen, die hierbei in rein anorganischen Gerüststrukturen integriert werden, was teils neuartige oder ungewöhnliche Strukturtypen oder physikalische Eigenschaften nach sich zieht. Auch die Möglichkeit dieser Substanzklasse zu reversiblen Redoxprozessen ohne signifikante Änderung der Molekülstruktur, die hohe thermische Stabilität, die Möglichkeit zur gezielten Variation der magnetisch relevanten Bestandteile und ihre Größe von oftmals mehreren (1 – 5) Nanometern motiviert die Anwendung im Bereich des molekularen Magnetismus, der Katalyse, molekularer Nanoelektronik und Medizin.
Unsere Arbeiten fokussieren auf die Entwicklung neuer synthetischer Ansätze, die insbesondere die Anbindung von molekularen Elektrodenstrukturen an magnetisch funktionalisierte Polyoxometallate verfolgen, was in Zukunft die gezielte und mehrfache Kontaktierung einzelner magnetischer Moleküle ermöglichen soll.


Magnetochemische Analysen

Projektleiter:
Dr. rer. nat. Helmut Schilder (†)
Dr. rer. nat. Dr.-Ing. Jan van Leusen

Doktoranden:

Forschungsthemen:

• Entwicklung von CONDON 3.0 und wxJFinder.
• Modellierung und Simulation der magnetischen Eigenschaften von einzelnen oder mehreren, miteinander gekoppelten d- und f-Metallen.
• Unterstützung der oben genannten Projekte durch magnetochemische Analysen von Metallkomplexen.


Funktionalisierung von Kohlenstoff-Nanoröhren mit magnetischen Molekülen

Doktoranden:
Henrik Flötotto, M.Sc.
Forschungsthema:

Wir entwerfen und synthetisieren Komplexe, die sowohl interessante magnetische Eigenschaften als auch chemische Funktionen aufweisen. Diese erlauben eine kovalente Verbindung mit Kohlenstoff-Nanoröhren und eröffnen die Möglichkeit, spektroskopische Charakterisierungen des produzierten Materials von der Makro- bis zur Nanoskala vorzunehmen. In Kooperation mit der Gruppe von Dr. C. Meyer (Peter Grünberg Institut, Forschungszentrum Jülich) werden diese Komplexe mit Nanoröhren umgesetzt, die auf verschiedenen Substraten gezüchtet werden. Der Einfluss der Funktionalisierung auf die Ladungs- und Spintransporteigenschaften der Nanoröhren wird im Anschluss von Dr. C. Meyer und ihren Mitarbeitern untersucht.

C. Meyer, C. Besson, R. Frielinghaus, A.-K. Saelhoff, H. Flötotto, L. Houben, P. Kögerler, C.M. Schneider, Phys. Status Solidi B, 2012, 249, 2412-2415.


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