Hybride Molekulare Magnete

Die Forschung an hybriden molekularen Magneten (HMM) ist ein Teilgebiet der molekularen Spintronik, welche die vielseitigen Eigenschaften von Molekülen zur Entwicklung verbesserter aber auch neuartiger Bauelemente in der Spintronik einsetzt. Als prominente Anwendung sei an die sehr erfolgreiche Herstellung organischen LEDs erinnert. Das Konzept der HMM basiert auf der komplexen Wechselwirkung von organischen Molekülen mit anorganischen Substraten, lokalisiert an organisch-anorganischen Zwischenschichten, welche bei der Abscheidung von molekularen Funktionselementen auf Oberflächen zur Herstellung von Bauelementen notwendigerweise entstehen. Auf atomaren Längenskalen kommt es hierbei zur räumlichen Überlappung und elektronischen Wechselwirkung von Ladungsverteilungen, dem Absorptionsprozess, welcher letztlich die funktionellen Eigenschaften des fertigen Bauelements bestimmt. Bei der Herstellung von HMMs setzt man bewusst auf eine sehr starke Wechselwirkung der Ladungsverteilungen zwischen Molekülen und magnetischen Oberflächenatomen, der Chemisorption. Hierbei kommt es zur Ausbildung neuer chemischer Bindungen zwischen Molekül- und Oberflächenatomen mit der Absicht hybride Funktionselemente zu erzeugen, welche magnetische Eigenschaften besitzen, die sich von denen der Oberflächenatome unterscheiden und dabei auf die räumliche Ausdehnung der Moleküle beschränkt sind. HMMs sollen die Herstellung von Bauelementen mit höherer Speicherdichte bei gleichzeitig verbesserter Energieeffizienz ermöglichen. Zum besseren Verständnis dieser komplexen Wechselwirkung bedarf es idealer Randbedingungen, welche nur mit Experimenten im Ultrahochvakuum an reinen Oberflächen ohne Fremdatome kontrolliert eingestellt werden können. Das PGI-6 betreibt mehrere experimentelle Anlagen, die die notwendigen Untersuchungen der strukturellen, magnetischen und elektronischen Eigenschaften solcher organisch-anorganischen Zwischenschichten erlauben. Für die Erforschung dieser Eigenschaften auf mikroskopischen Längenskalen bis hinab auf atomarer Ebene eignet sich insbesondere die Rastertunnelmikroskopie (RTM) und -spektroskopie (RTS). Die hohe räumliche Auflösung beruht auf einem quantenmechanischen Effekt und kann im Nano-Spintronics-Cluster-Tool als auch im Joule-Thompson RTM realisiert werden.

Neben der notwendigen experimentellen Expertise stützt sich die Untersuchung an hybriden molekularen Magneten auf zwei weitere komplementäre Forschungsgebiete, der chemischen Synthese von Molekülen als auch der theoretischen Modellierung von organisch-anorganischen Zwischenschichten. Alle drei Gebiete werden im Forschungszentrum intensiv vorangetrieben und arbeiten eng zusammen, um so den möglichen Einsatz von HMMs in der molekularen Spintronik zu realisieren.

Ergebnisse:

1. Cyclophane with eclipsed pyrene units enables construction of spin interfaces with chemical accuracy
2. Ultra-High Vacuum Deposition of Pyrene Molecules on Metal Surfaces
3. Magnetic subunits within a single molecule–surface hybrid
4. Adsorption phenomena of cubane-type tetranuclear Ni(II) complexes with neutral, thioether-functionalized ligands on Au(111)
5. Structural integrity of single bis(phthalocyaninato)-Neodymium(III) molecules on metal surfaces with different reactivity
6. Accessing 4f-states in single-molecule spintronics