Sensible organische Magnete

  • 22. September 2016

Grenzfläche zwischen organischen Magneten und Metalloxiden reagiert hochempfindlich auf Defekte.

Magnete aus organischen Materialien haben gegenüber klassischen Magneten, die aus Metallen oder Legierungen der sogenannten Seltenerd­metalle bestehen, einige Vorteile: Sie sind chemisch flexibel, preis­günstig herzustellen und lassen sich gut für verschiedene Zwecke an unterschiedliche Designs anpassen. In der Praxis wollen Wissenschaftler beide Arten von Magneten für Anwendungen in der Elektronik benutzen – in sogenannten Spintronik-Elementen, bei denen die Informationen nicht über Ladungen, sondern über den Spin der Moleküle transportiert werden.

Abb.: Ein organisches Radikal näher sich dem Rutilkristallgitter (rot) – hier mit einer idealen Oberfläche ohne Defekte. (Bild: B. Casu / A. Calzolari)

Abb.: Ein organisches Radikal näher sich dem Rutilkristallgitter (rot) – hier mit einer idealen Oberfläche ohne Defekte. (Bild: B. Casu / A. Calzolari)

Reza Kakavandi, Thomas Chassé und Benedetta Casu vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Tübingen haben eine solche magnetische Schnitt­stelle zwischen Rutil­kristallen – Oxiden des Metalls Titan – und einem rein organischen Magneten untersucht. Sie entdeckten, dass der Übergang an der Grenzfläche äußerst empfindlich auf minimale Defekte in der Oberfläche der Materialien reagiert.

Rein organische Radikale bestehen aus leichten Elementen wie Kohlenstoff, Stick­stoff und Sauer­stoff und tragen mindestens ein ungepaartes Elektron, das ein dauer­haftes magnetisches Moment erzeugt. „Sie sind für eine ganze Reihe von Anwendungen interessant“, sagt Benedetta Casu, „sie werden inzwischen für Speicher­elemente, Batterien, Sensoren und für Anwendungen in der Biomedizin genutzt. Grundsätzlich ließen sie sich auch für die Konstruktion eines Quanten­computers einsetzen.“ In ihrer Studie untersuchten die Tübinger Wissenschaftler die Schnittstelle zwischen einem Einzel­kristall des Minerals Rutil und einem organischen Radikal mithilfe eines hoch aufgelösten Röntgen­spektroskopie-Verfahrens und theoretischen Berechnungen, die von Arrigo Calzolari vom Institut für Nano­wissenschaften in Modena (CNR-NANO) durchgeführt wurden. Die Wissenschaftler bezeichnen die Verbindung aus klassischem und organischem Magneten auch als Spinterface – zusammengesetzt aus „Spin“ und „Interface“.

„Im Experiment wurden die organischen Radikale physikalisch festgehalten, das magnetische Moment wurde zwischen den unterschiedlichen Materialien erhalten“, sagt Benedetta Casu. Das habe gut funktioniert. Allerdings habe sich die Situation völlig verkehrt, wenn der Rutil an der Übertragungs­stelle einen winzigen Defekt gehabt habe, eine nicht hundert­prozentig regelmäßige Anordnung der Oberfläche. „In diesem Fall wurde das organische Radikal von der reaktions­freudigen Defekt­stelle chemisch gebunden, sodass sein magnetisches Moment ausgelöscht wurde“, erläutert die Wissenschaftlerin.

Der Ansatz mit der Kombination aus Röntgen­spektroskopie und theoretischen Berechnungen habe sich als besonders geeignet erwiesen, um die Mechanismen an der komplexen Schnitt­stelle zu verstehen. Man müsse sowohl die Ladungs­verhältnisse als auch das Spin­verhalten beschreiben. Zum ersten Mal sei klar geworden, welche wichtigen Einflüsse von den Oberflächen­defekten an einem solchen Spinterface ausgehen. „Das ist ein wichtiges Ergebnis von allgemeiner Gültigkeit von der Chemie bis zur Physik sowie für die Material­wissenschaften“, sagt die Wissenschaftlerin.

U. Tübingen / DE

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