SFB 658:  Elementarprozesse in molekularen Schaltern auf Oberflächen

Fachliche Zuordnung Physik
Chemie
Förderung Förderung von 2005 bis 2017
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 12489635
 

Projektergebnisse

Erstellungsjahr 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Spätestens seit der Verleihung des Nobelpreises für Chemie im Jahr 2016 für das Design und die Synthese molekularer Maschinen an Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart und Ben Feringa sind molekulare Schalter auch der breiten Öffentlichkeit bekannt. Schaltermoleküle ändern unter dem Einfluss eines externen Stimulus ihre Konformation bzw. Konfiguration und können im Wechselspiel mit ihrer Umgebung komplexe Funktionen auf kürzesten Längenskalen und mit höchster Reproduzierbarkeit ausführen. In der Natur beruht beispielsweise der Sehprozess auf der Isomerisierung eines Moleküls, des Retinal, zwischen mikroskopisch unterschiedlichen cis- und trans-Zuständen. Der Sonderforschungsbereich 658 „Elementarprozesse in molekularen Schaltern an Oberflächen“ hatte es sich zur Aufgabe gemacht, molekulare Schalter an Oberflächen zu verankern und dadurch neue Wege zur Kontrolle ihrer funktionellen Eigenschaften zu beschreiten. Eine zentrale Herausforderung bestand darin, dass die Schalteigenschaften durch die Oberfläche erheblich modifiziert werden bis hin zum Unterdrücken des Schaltvorgangs. Daher wurden Strategien entwickelt, die Kopplung der Schaltermoleküle an die Oberfläche zu optimieren. So wurden neue Schaltermoleküle mit verschiedenen Abstandshaltern synthetisiert, die es erlauben, die Wechselwirkung zwischen Molekül und Oberfläche in planarer oder vertikaler Adsorptionsgeometrie gezielt einzustellen. Durch die intensive Kooperation von Synthesechemie und Oberflächenphysik konnte eine Vielzahl von Schaltprozessen auf Oberflächen realisiert werden. Dazu gehören trans-cis-Isomerisierungs-, Tautomerisierungs- und Ringöffnung/Ringschluss-Schaltprozesse sowie das Schalten magnetischer Moleküle angekoppelt sowohl an Metall- und Halbleiteroberflächen, als auch an Graphen und Kohlenstoffnanoröhren. Nach dem Überwinden nicht unerheblicher experimenteller Schwierigkeiten, ist das Schalten an Oberflächen heute Routine. So konnten die dem Schaltvorgang zu Grunde liegenden Elementarprozesse am Einzelmolekül und im Ensemble durch die intensive Zusammenarbeit von Experiment und Theorie im Detail analysiert und optimiert werden. Manipulation auf atomarer Ebene erlaubte spezifische Geometrien herzustellen, dabei Moleküle auf der Oberfläche zu stabilisieren und nicht nur vertikal, sondern auch lateral zu kontaktieren. Unter anderem gelang die Entwicklung eines Einzelmolekültransistors. Über Selbstorganisation wurden molekulare Schichten hergestellt, deren optische und elektrische Eigenschaften durch Licht extrem effektiv und ermüdungsarm geschaltet werden können. In Netzwerken molekularer Schalter wurde Verstärkung durch Kooperativität erzielt. Der Spinzustand magnetischer Moleküle konnte durch die Kopplung an das Substrat stabilisiert und geschaltet werden. Darüber hinaus konnten die physikalischchemischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren wie Löslichkeit, Biokompatibilität, Lichtemission und Ladungsträgerdichte durch Schaltprozesse manipuliert werden. Entscheidend für den Erfolg des Sfb 658 war die über alle Förderperioden bestehende intensive fachübergreifende Zusammenarbeit der Teilprojekte. Von den insgesamt ca. 430 Veröffentlichungen in referierten Zeitschriften wurden mehr als 25 % von zwei oder mehr Teilprojekten gemeinsam publiziert. Die Attraktivität und Tragfähigkeit des Forschungsthemas wird auch durch die Wegberufung von 7 Teilprojektleitenden belegt. Wir sind stolz auf 85 abgeschlossene Promotionen, die die Qualifizierung unserer Studierenden auf einem hochaktuellen Forschungsgebiet belegen. Mit 5 strategischen Berufungen hat der Sfb zur Weiterentwicklung des Fokus Area Nanoscale an der Freie Universität Berlin maßgeblich beigetragen und die Berliner Forschungslandschaft nachhaltig mitgeprägt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

DFG-Verfahren Sonderforschungsbereiche

Abgeschlossene Projekte

Antragstellende Institution Freie Universität Berlin
Beteiligte Hochschule Humboldt-Universität zu Berlin; Technische Universität Berlin; Universität Potsdam
Beteiligte Institution Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (FHI); Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI)
Sprecher Professor Dr. Felix von Oppen, bis 7/2015; Professor Dr. Martin Weinelt, seit 7/2015