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Internationale Forschungsgruppe erlangt neue Erkenntnisse zu molekularen Grenzflächen

19.10.2021 11:49

Internationale Forschungsgruppe erlangt neue Erkenntnisse zu molekularen Grenzflächen

Molekulare Grenzflächen, die zwischen Metallen und molekularen Verbindungen gebildet werden, bieten ein großes Potenzial als Komponenten für zukünftige opto-elektronische 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.

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.