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Mögliche An­wen­dung in innovativer Tech­nik

Inter­natio­nales Team erzielt neue Er­kennt­nis­se zu mo­le­ku­la­ren Grenzflächen

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Drei Männer stehen draußen auf einer Wiese vor Bäumen in einer Reihe. © Felix Schmale​/​TU Dort­mund
Dr. Giovanni Zamborlini, Henning Sturmeit und Prof. Mirko Cinchetti forschen an der Fa­kul­tät für Physik der TU Dort­mund.

Molekulare Grenzflächen, die zwischen Metallen und mo­le­ku­la­ren Verbindungen gebildet wer­den, bieten ein großes Potenzial als Komponenten für zukünftige optoelektronische und spin­elek­tro­nische Geräte. Porphyrin-Mo­le­kü­le sind ein viel­ver­spre­chender Baustein für solche Grenzflächen. Prof. Mirko Cinchetti, Dr. Giovanni Zamborlini und Henning Sturmeit von der Fa­kul­tät Physik der TU Dort­mund haben nun in einer inter­natio­nalen Forschungs­gruppe wich­ti­ge Ei­gen­schaf­ten des Moleküls er­forscht und es somit einer praktischen An­wen­dung nähergebracht. Ihre Er­geb­nisse präsentierten sie jüngst in der re­nom­mier­ten Fach­zeitschrift „Small“.

Die Menge der Daten wächst und wächst – und damit der Bedarf nach neuen Mög­lich­keiten, diese Daten speichern zu kön­nen. Eine Mög­lich­keit ist es, In­for­ma­ti­onen in Molekülen zu speichern. Die haben den Vorteil, dass sie stets dieselbe Struk­tur haben und deswegen sehr zuverlässig sind – wenn es gelingt, die In­for­ma­ti­onen nach­hal­tig in die Mo­le­kü­le hineinzutragen. Daran ar­bei­ten For­sche­r*innen im Be­reich der Spinelektronik, ei­nem For­schungs­ge­biet in der Nanoelektronik.

Eine in­ter­na­ti­o­na­le Forschungs­gruppe um Prof. Mirko Cinchetti und Dr. Giovanni Zamborlini von der TU Dort­mund konnte nun wich­ti­ge Er­kennt­nis­se zu einer interessanten Porphyrin-Metall-Grenzfläche ge­win­nen. Porphyrine tragen zu wich­ti­gen Funktionen in le­ben­den Systemen bei: So kom­men sie im pflanzlichen Chlorophyll vor, welches die Photosynthese er­mög­licht, oder im Hämoglobin im mensch­li­chen Blut. Im For­schungs­pro­jekt dampften die Wis­sen­schaft­ler*innen nickelhaltige Porphyrin-Mo­le­kü­le – in dessen Zen­trum sich also ein Nickel-Atom befindet – auf eine Kupferoberfläche auf. Anschließend setzten sie die Porphyrin-Kupfer-Grenzfläche dem Gas Stickstoffdioxid aus. Dabei beobachteten sie, dass das Nickelatom im Porphyrin reversibel in einen höheren Spinzustand geschaltet wer­den kann, was bei Raumtemperatur noch nie beobachtet wer­den konnte. Dieser Mechanismus kann künftig genutzt wer­den, um In­for­ma­ti­onen in Porphyrinen zu speichern oder um extrem sensible Sensoren zur Erkennung des giftigen Stickstoffdioxids zu ent­wi­ckeln.

Porphyrin-Kupfer-Grenzfläche für künftige tech­ni­sche An­wen­dungen in­te­res­sant

Die For­sche­r*innen haben zudem einen wei­te­ren nützlichen Effekt entdeckt: Bei einer zukünftigen An­wen­dung in elek­tri­schen Bauteilen würde durch die Porphyrin-Kupfer-Grenzfläche Strom fließen. Im Ex­peri­ment wurde nun deutlich, dass die Zu­stän­de, die für den Stromfluss ver­ant­wort­lich sind, von dem Spinschaltprozess nicht be­ein­flusst wer­den – eine wich­ti­ge Bedingung, um multifunktionale Bauteile herstellen zu kön­nen, die eine Vielzahl von phy­si­ka­lischen Ei­gen­schaf­ten gezielt durch die An­wen­dung von externen Stimuli verändern. „All dies macht die Porphyrin-Kupfer-Grenzfläche für künftige tech­ni­sche An­wen­dungen äußerst in­te­res­sant“, sagt Prof. Mirko Cinchetti.

Die Ar­beit ist das Ergebnis einer inter­natio­nalen Ko­ope­ra­ti­on zwischen der Technischen Uni­ver­si­tät Dort­mund, dem For­schungs­zen­trum Jülich, der Uni­ver­si­tät Triest, dem italienischen Nationalen Forschungsrat, der Uni­ver­si­tät Erlangen und der Uni­ver­si­tät Graz. Die Experimente wurden haupt­säch­lich an den Synchrotronanlagen ELETTRA in Triest (Italien) und der Schweizer Lichtquelle in Villigen (Schweiz) durch­ge­führt. Die Teams unter der Leitung von Prof. Mirko Cinchetti und Dr. Giovanni Zamborlini (TU Dort­mund) sowie Dr. Vitaly Feyer und Prof. Claus M. Schneider (For­schungs­zen­trum Jülich) waren für die Durchführung und Auswertung der Messungen ver­ant­wort­lich, wäh­rend Prof. Peter Puschnig (Uni­ver­si­tät Graz) Theoriearbeit leistete. Prof. Cinchetti forscht im Rah­men seines ERC Consolidator Grants in dem Pro­jekt mit. Er hatte die mit zwei Mil­lio­nen Euro dotierte EU-För­de­rung im Jahr 2016 er­hal­ten.
 

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