Elektronische und Quanteneigenschaften von organischen zweidimensionalen Kristallen
In einem in der Zeitschrift Nature Reviews Materials veröffentlichten Artikel geben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik und der TUD Einblicke in die Erforschung organischer 2D-Kristalle für Elektronik- und Quantengemeinschaften und versuchen, Ideen aus Chemie, Materialwissenschaft und Physik miteinander zu verbinden, um innovative Konzepte für die zukünftige Forschung zu entwickeln.
a) Elektromagnetisches Spektrum von repräsentativen O2DCs und ihre atomaren Strukturen. b-e) Form des Grenzbandes am Valenzbandmaximum und Leitungsbandminimum von repräsentativen O2DCs.
Organische 2D-Kristalle (O2DCs) sind eine neue Klasse synthetischer Schichtmaterialien, die aus π-konjugierten Bausteinen bestehen und eine erweiterte π-Konjugation in der 2D-Ebene und/oder elektronische Kopplungen zwischen den Schichten aufweisen. Die π-konjugierten Bausteine sind in der Ebene durch starke Bindungen, in der Regel kovalente oder Koordinationsbindungen verbunden, wobei die Schichten durch nicht-kovalente Wechselwirkungen zusammengehalten werden. Die Kopplungen außerhalb der Ebene zwischen den Schichten, die durch π-π-Stapelwechselwirkungen hervorgerufen werden, beeinflussen die Stabilität und die elektronischen Eigenschaften der Materialien, dieses Phänomen wird als "Proximity-Effekt" bezeichnet. Wie anorganische 2D-Kristalle können O2DCs durch Exfolierung, oder durch direkt Synthese auf Oberflächen oder an Grenzflächen hergestellt werden, wobei ein- oder mehrschichtige Nanoblätter entstehen. Ihre modulare Natur und ihre schichtabhängigen Eigenschaften ermöglichen eine vielseitige Anpassung der Strukturen und Eigenschaften auf molekularer Ebene. Fortschritte bei der Entwicklung der Strukturtopologie, der Bausteine und der Verknüpfungschemie von O2DCs, sowie beim Verständnis ihrer Struktur-Eigenschafts-Beziehungen haben zur Entdeckung neuer Materialien beigetragen, die sich wie Isolatoren, Halbleiter, Halbmetalle oder Metalle verhalten mit direkter oder indirekter ∆E, die vom ultravioletten über den sichtbaren und den infraroten Bereich bis hin zu den Radiofrequenzen reichen. Darüber hinaus haben theoretische und experimentelle Studien das Vorhandensein einzigartiger Quantenzustände in O2DCs nachgewiesen. Diese Eigenschaften machen O2DCs zu einem vielseitigen Werkzeugkasten für die Erforschung faszinierender Elektronischer- und Quantenphänomene, die für potenzielle Anwendungen in der Elektronik, Optoelektronik, Spintronik, Quanteninformatik und Quantensensorik entscheidend sind.
Ein kürzlich in Nature Reviews Materials veröffentlichter Bericht von Forschern des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik und der TUD befasst sich mit den Fortschritten, Herausforderungen und Möglichkeiten auf diesem sich rasch entwickelnden Gebiet.
Die Autoren gehen insbesondere auf die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und die Synthesestrategien von O2DCs ein, wobei der Schwerpunkt besonders auf deren einzigartigen elektronischen Strukturen, Ladungstransporteigenschaften und dem Auftreten von Quantenzuständen liegt, wie zum Beispiel deren topologischen und supraleitenden Phasen, zusammen mit verschiedenen Spinzuständen.
Darüber hinaus werden sich die neu entwickelnden Anwendungen von O2DCs in der Elektronik, Optoelektronik und Spintronik hervorgehoben, gefolgt von einem kritischen Überblick über die künftige Forschung und die anhaltenden Herausforderungen in der synthetischen Chemie, Physik sowie den Materialwissenschaft, die angegangen werden müssen, um dieses Gebiet weiter voranzubringen. Diese Arbeit liefert einen grundlegenden Fahrplan für die Entwicklung von O2DCs und ihre Integration in fortschrittliche elektronische, optoelektronische und Quantentechnologien.
Die Arbeit mit dem Titel "Electronic and quantum properties of organic two-dimensional crystals" von Zhiyong Wang, Mingchao Wang, Thomas Heine und Xinliang Feng ist zu finden unter: : https://www.nature.com/articles/s41578-024-00740-8
