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DFG Forschergruppe 412




Spin- und Ladungsträgerkorrelationen in niedrigdimensionalen metallorganischen Festkörpern

Die Forschergruppe hat die Entwicklung und das Studium metallorganischer Materialsysteme mit interessanten elektrischen und magnetischen Eigenschaften zum Ziel.

Die Forschergruppe bringt neun Arbeitsgruppen der Fachbereiche Chemie und Physik zusammen. Auf seiten der Chemie sind dies vier Arbeitsgruppen aus dem Institut für Anorganische Chemie (Prof. Auner, Prof. Kolbesen, Prof. Dr. Schmidt, Prof. Wagner), auf seiten der Physik vier Arbeitsgruppen des Physikalischen Institutes (Prof. Aßmus, Prof. Dr. Huth, Prof. Lang, Prof. Roskos,Dr. Wolf) sowie die Gruppen von Prof. Dr. Kopietz und Prof. Dr. Valenti vom Institut für Theoretische Physik und die Gruppe von Prof. Dr. Winkler aus der Kristallographie. Bei der Berufung einiger der mitarbeitenden Professoren spielte die Thematik der Forschergruppe bereits eine zentrale Rolle.

Die Entwicklung neuer Materialien ist heute eines der wichtigsten naturwissenschaftlich-technischen Arbeitsfelder, zu denen die Disziplinen Chemie und Physik bedeutende Beiträge leisten. Die Forschungsarbeiten sind durch die Suche nach neuen physikalischen und chemischen Effekten und durch deren systematische Charakterisierung und Optimierung gekennzeichnet. Voraussetzung für eine erfolgreiche, grundlagenorientierte materialwissenschaftliche Forschung ist die Ermittlung allgemeiner Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Nur so werden Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften zugänglich.

Da die auf dem Gebiet der Materialwissenschaften zu bewältigenden Probleme immer komplexer werden, ist eine intensive Kooperation von Chemikern, Analytikern und Festkörperphysikern notwendig. Diese Anforderungen an interdisziplinäres Arbeiten lassen sich im Rahmen eines Forschungsverbundes effizient realisieren. An der Universität Frankfurt ist auf Seiten der Chemie ein wissenschaftliches Umfeld entstanden, in dem die Entwicklung solcher Materialien, deren optische, elektrische und magnetische Eigenschaften gezielt beeinflußt werden können, besonders erfolgversprechend ist. Die Herstellung und Spektroskopie niedrigdimensionaler anorganischer Spinsysteme ist seit langem ein herausragendes und verbindendes Arbeitsgebiet Frankfurter Physiker (Sonderforschungsbereich 252; Schwerpunktprogramm " Kollektive Quantenzustände in elektronisch eindimensionalen Übergangsmetallverbindungen"). Die Verbindung von Teilen der Fachbereiche Chemie und Physik zu einem interdisziplinären Forscherverbund, welcher sich den elektrischen und magnetischen Eigenschaften neuartiger Materialien widmet, eröffnet deutlich erweiterte Forschungsmöglichkeiten.

Das grundlegende Konzept, dem die zukünftigen Forschungsarbeiten folgen werden, läßt sich zutreffend mit der Formel " vom Molekül zum Material" beschreiben: Durch gezieltes Design werden molekulare Bausteine erzeugt, die sich durch einfache chemische Transformationen zu neuartigen Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften zusammenführen lassen. Die Vorteile eines molekularen Baukastensystems liegen darin, dass durch gezielte Variation einzelner Bausteine das physikalische und chemische Verhalten des Makrosystems beeinflußt werden kann, ohne dass jedesmal die zeitraubende Entwicklung einer neuen Festkörpersynthese erforderlich ist. Damit lassen sich diejenigen Parameter herausarbeiten, die für die angestrebten Materialeigenschaften ausschlaggebend sind. Aus den optimierten Bausteinen lassen sich dann durch "Crystal Engineering" Feststoffe mit den gewünschten Eigenschaften und vorhersagbarer Raumstruktur erzeugen.

Diese Bausteine müssen drei wesentliche Elemente enthalten: (i) den Funktionsträger (redoxaktive Gruppe mit ungepaartem Elektron bzw. Spin), (ii) Substituenten, durch die der Funktionsträger beeinflußbar ist, und (iii) Substituenten, die der Verknüpfung der Bausteine dienen.

Die im Forschungsverbund nach obigem Konzept herstellbaren Substanzen bilden eine vielversprechende Materialklasse, die den Festkörperphysikern bisher kaum zugänglich war. Durch die Einstellbarkeit von Abständen und Wechselwirkungsstärken der Funktionsträger besteht die große Chance, grundlegende physikalische Effekte bei gezielter Variation der Dimensionalität und Kopplungsstärke zu studieren. Das Anliegen der Forschergruppe bewegt sich auf einem Neuland, auf dem sich die in den genannten Themenbereichen führende japanische und amerikanische Physik noch nicht stark gemacht hat.

Das langfristige Anwendungspotential für derartige Materialien reicht von der Entwicklung effizienter Informationsspeichermedien (" molekulare Magnete") bis hin zum Einsatz im Bereich der multifunktionalen Mikro- und Nanoelektronik (Synthese leitender Polymere als "molekulare Drähte", Quantenschalter, molekulare Transistoren, Chemosensoren).



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Druckversion: 12. Juli 2005, 08:26