Magnetische Funktionsmaterialien für die molekulare Spinelektronik und magnetische Sensorik (SpinFun)

Forschungsprojekt im Rahmenprogramm "Vom Material zur Innovation" im Bereich Förderung der Materialforschung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung

• Vom Material zur Innovation (BMBF)
• Neue Werkstoffe und Materialien (BMBF)

Projektträger: VDI Technologiezentrum GmbH

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Neue Materialien sind die Grundvoraussetzung für neue Funktionalitäten und damit für neue Anwendungen. Das Projekt SpinFun beschäftigt sich mit neuen magnetischen und magnetisch funktionalisierten Materialien und den Möglichkeiten, die sich aus dem Zusammenspiel zwischen deren elektronischen und magnetischen Eigenschaften ergeben. Diese Kombination von Materialeigenschaften ist von essentieller Bedeutung für mikroelektronische Anwendungen, was sich z.B. in der Bedeutung magneto­elektronischer Bauelemente, magnetischer Datenspeicher oder von magnetischen Sensoren wider­spiegelt. Darüber hinaus führt das Zusammenwirken magnetischer und Ladungs­freiheits­grade zu neuen physikalischen Phänomenen wie Hochtemperatur­supraleitung, Magnet­wider­­­stands­effekten oder Multiferroizität und eröffnet damit den Weg zu neuen Funktionali­täten und Materialeigenschaften, die neue Anwendungen eröffnen.

Die Heidelberger Fakultäten für Physik und Chemie erforschen sowohl diese Zusammenhänge zwischen elektronischen und magne­ti­schen Eigenschaften und die sich daraus ergebenden Funktionalitäten als auch die sich aus diesem Zusammenspiel entwickelnden emergenten Phänomene mit einem breiten material­basierten Ansatz, bei dem auch völlig neue, auf quanten­mechanischen Effekten beruhende Material­eigen­schaften untersucht und hinsichtlich ihrer Anwendung erforscht werden. Das Projekt SpinFun zielt dabei konkret auf die Erforschung und Weiterentwicklung neuer magne­ti­scher bzw. magnetoelektrischer Materialien für dieSpinelektronik, Sensorik und Aktorik. Leitendes Prinzip von SpinFun ist die Nutzung der magnetischen Freiheitsgrade („Spin“) in innovativen Materialien für konkrete elektronische Anwendungen („Funktion“), die durch das Verständnis der magnetischen Eigenschaften und deren Optimierung erreicht wird. Die Schwer­punkte sind molekulare Materialien für die Spinelektronik, sowie funktionale magnetische/supraleitende Materialien, die in zwei Teilprojekten untersucht werden.

Molekulare Materialien für die Spinelektronik und Quanteninformationstechnologie.

In Teilprojekt 1 werden Materialien für die molekulare Spinelektronik bearbeitet. Dies beinhaltet Einzel­molekül­magnete, die im Projekt hergestellt und deren rele­vante Eigen­schaften durch quantenchemische Rechnungen in Kombination mit der experimen­tellen Bestimmung der Strukturen und der wichtigen elektronischen Parameter (Spin-Hamilton Parameter, magneti­scher Austausch, magnetische Anisotro­pie) bestimmt werden. Eine zweite untersuchte Klasse von Materialien für die Spin­elektronik sind Graphen­nano­streifen (GNRs), welche die hohe Ladungs­träger­beweg­lich­keit des Graphens mit einer geöffneten Bandlücke verbinden. Konkret werden arm-chair-GNRs untersucht, an welche stabile Spin-tragende Gruppen angeheftet sind. Darüber hinaus ist die Untersuchung neuartiger nicht-klassischer Halbleiter (Kohlen­stoff­nanoröhren, orga­nische Einkristalle, Ladungstransfer­komplexe und mono­lagige Übergangs­metall­­­di­chalko­genide) Gegenstand des Projektes. Die dazu not­wendigen Aussagen über temperaturabhängige Ladungsträgerbeweglichkeiten werden u.a. an Feld­effekt­strukturen untersucht, die eine Variation der Ladungs­trägerkon­zentration ermöglichen.

Magnetische Filme, funktionale Materialien und supraleitende Bauelemente für die magnetische Sensorik und Aktorik

Teilprojekt 2 beschäftigt sich mit Materialien für die magnetische Sensorik und Aktorik, wobei insbesondere paramagnetische Sensoren und supraleitende Elektronik im Fokus stehen, welche die Basis für moderne hochauflösende Röntgendetektoren bilden. Im Projekt werden derartige Strukturen produ­ziert und hinsichtlich ihrer grundlegenden Eigenschaften untersucht, um sie in magneti­schen Sensoren, Kalorimetern und Detektoren einzusetzen. Die Basis des Projektes bildet die Suche nach neuen und optimierten Materialien. Des Weiteren werden neue Materialien hergestellt und untersucht, bei denen die intrinsische Kopplung zwischen Magnetismus und Struktur bzw. Magnetismus und ferroelektrischen Eigenschaften einen neuen Zugang zu Sensoren und Aktoren versprechen. Darüber hinaus liefern die magnetischen Eigenschaften und die Effekte externer Magnetfelder auf Materialeigenschaften wichtige Informationen über funktionelle Materialien über dieses Forschungsfeld hinaus, z.B. für die Batterieforschung.