Elektron/Spin-korrelationen in Nanokohlenstoffmetallhybriden

Nanometalle und Nanomagnete wurden in den letzten Jahren intensiv untersucht wegen Ihrem Beitrag zum grundlegenden Verständnis physikalischer Eigenschaften in reduzierten Dimensionen, als auch wegen Ihrem Anwendungspotential in der Nanoelektronik z.B. als Interconnects, in der Spintronik und als magnetische Speicher hoher Dichte. Ziel dieses Projektes ist die Kontrolle der niedrig- dimensionalen elektronischen und magnetischen Eigenschaften via Nanostrukturierung von Metallen innerhalb von Templaten aus Kohlenstoffnanostrukturen im Volumenmaßstab. In unserem Forschungsansatz streben wir nach einem grundlegendes Verständnis von Elektronenkorrelation, Spindynamik und deren Einflusses auf die Grundzustandseigenschaften, wie z.B. ein Tomonaga Luttinger liquid (TLL) in 1D metallischen Quantendrähten. Wir werden einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT) und Graphen als Designertemplate zur Inkorporation von Metallen und magnetischen Molekülen benutzen. Durch eine anschließende Reaktion innerhalb dieser eingeschränkten Umgebung werden wir neue 1D Quantendrähte, sowie 2D Quantennetzwerke, herstellen. Der aktuelle Fortschritt in der Herstellung von chiralitätsselektiven oder orientierten Proben von SWCNT, sowie im Wachstum von Graphen, mittels Methoden der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), sowie in Ihrer Reinigung und Separation, erlaubt es Volumenproben von 1D und 2D Kohlenstoffnanotemplaten unterschiedlicher Eigenschaften herzustellen. Dies beinhaltet saubere metallische und halbleitende, monochirale SWCNT, sowie orientierte SWCNT und quasi-freistehendes Graphen, die als Template verwendet werden. Wir werden z.B. Hybride von Metallen in verschiedenen Umgebungen analysieren. Dies erlaubt es Metalldrähte in halbleitenden und metallischen SWCNT zu untersuchen um einen reinen 1D Metall- Quantendraht von dem eines Leiters von zwei gekoppelten 1D Metallen zu unterscheiden. Diese 1D Metallhybride mit unterschiedlichen Umgebungen erlauben es uns auch die korrelierten elektronischen und magnetischen Eigenschaften, wie das Wechselspiel zwischen dem TLL Grundzustand und die Peierls Instabilität, sowie die magnetische Ordnung und ihren Einfluss auf den korrelierten Grundzustand, spektroskopisch zu analysieren. Diese Resultate werden für ausgewählte Metalle mit jenen an 2D Metall-Graphennetzwerkhybriden verglichen. Für diesen Teil werden wir verschiedene spektroskopische Methoden (Raman, Optik, Röntgenabsorption, XMCD, Photoemission, ESR und NMR) sowie SQUID verwenden. Als weiteren Punkt sind die Volumenproben der Nanokohlenstoffmetallhybride mittels van der Waals Wechselwirkung gestapelt. Die Zwischengitterplätze können zusätzlich mit Elektronendonatoren und Elektronenakzeptoren besetzt werden. Dies erlaubt es uns die elektronische und magnetische Struktur durch Interkalation mit Alkalimetallen oder Eisendreichlorid zusätzlich zu verändern und das Wechselspiel zwischen Ladungstransfer und Hybridisierung sowie Änderung der chemischen Bindungsverhältnisse kontrolliert zu analysieren. Dies dient als weiterer Ansatz, um die Umgebung in- situ im Ultrahochvakuum maßzuschneidern und erlaubt es z.B. den Übergang von einem 1D zu einem 3D Grundzustand direkt zu beobachten. Zusammenfassend wird dieser kombinierte Ansatz aus gezielter Synthese von neuartigen Nanokohlenstoffmetallhybriden und ihrer spektroskopischen Analyse wichtige neue Einblicke in die Spin und Ladungswechselwirkungen in niederdimensionalen Systemen zulassen. Diese Ergebnisse sind der Schlüssel für das Verständnis, wie sich ihre Eigenschaften gezielt verändern lassen um Ihr Anwendungspotential in Nanoelektronik sowie Spintronik und als magnetische Speicher auszuschöpfen.

Nanometalle und Nanomagnete sind in den letzten Jahren intensive untersucht worden wegen Ihrem Beitrag zum grundlegenden Verständnis physikalischen Eigenschaften in reduzierten Dimensionen, als auch wegen Ihrem Anwendungspotential in der Nanoelektronik z.B. als Interconnects, in der Spintronik und als magnetische Speicher hoher Dichte. Ziel dieses Projektes "Elektron und Spinkorrelationen in Nanokohlenstoffmetallhybriden" war die Kontrolle der niedrigdimensionalen elektronischen und magnetischen Eigenschaften via Nanostrukturierung von Metallen innerhalb von Templaten aus Kohlenstoffnanostrukturen im Volumenmaßstab. Dies erlaubte uns ein grundlegendes Vertändnis von Elektronenkorrelation, Spindynamik und ihren Einfluss auf die Grundzustandseigenschaften für maßgeschneiderte Hybridsysteme aus Kohlenstoff und Metallen zu entwickeln. Wir haben dazu erfolgreich einwandige Kohlenstoffnanoröhren(SWCNT) und Graphene als Designertemplate zur Inkorporation von Metallen und magnetischen organischen Molekülen benutzen. Durch eine anschließende Reaktion innerhalb dieser eingeschränkten Umgebung werden wir neue 1D Quantumdrähte aus Kohlenstoff (Carbyne) oder Metall (e.g. Ni), sowie 2D Quantumnetzwerke (e.g. Graphene, Übergangsmetalldichalcegenoide (TMDC)) herstellen. Dieses Forschungsprojekt hat durch seinem kombinierten Ansatz aus gezielter Synthese von maßgeschneiderten neuartigen Nanokohlenstoffmetallhybriden in Verbindung mit der kombinierten Bestimmung ihrer Nanostruktur und der spektroskopischen Analyse Ihrer elektronischen und magnetischen Eigenschaften wichtige neue Einblicke in die Spin und Ladungswechselwirkungen in niederdimensionalen Systemen zugelassen. Es war äußerst erfolgreich und führte zu 32 referierten Publikationen inklusive 16 highlights (3 AcsNano, 4 Nanoletters, 1 Physical Review Letters, 1 Angewandte Chemie, 4 Nanoscale, 1 Jornal of materials chemistry, 1 2D Materials and 1 Nature). Diese Ergebnisse sind der Schlüssel für das Verständnis, wie sich die Eigenschaften von Nanokohlenstoffmetallhybriden gezielt verändern lassen um als Endziel Ihr Anwendungspotential in Nanoelektronik sowie Spintronik und als magnetische Speicher auszuschöpfen. Darüber hinaus ergab sich während der Projektlaufzeit die wissenschaftliche Notwendigkeit neuartige Messtechnik zur Analyse des elektronischen Anregungsspektrums und jenes der Gitterschwingungen an einzelnen Nanokohlen-stoffmetallhybriden weiterzuentwickeln. Dies führte zu einer neu erweiterten sehr erfolgreichen Kooperation mit Prof. Kazu Suenaga's Gruppe über Elektronenenergieverlustspektroskopie an einzelnen Kohlenstoffnanostrukturen die teilweise durch das Projekt unterstützt wurde. Dies führte zu mehreren wissenschaftlichen Glanzlichtern unter anderem in Nature wo wir erstmals die Phononen-dispersion von freistehenden Graphene bestimmen konnten. Letztgenannte Publikation ist auch eine Schlüsselpublikation und wissenschaftliche Vorarbeit zu einem neuen gerade bewilligten von Prof. Pichler geleiteten ERC-Synergy Projekt MORE-TEM, das im Mai 2021 starten wird.