Variation der magnetischen und Transporteigenschaften zweidimensionaler Verbindungen durch Substitution
Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Forschungsvorhaben konnten durch Syntheseoptimierungen übergangsmetallhaltige Dichalkogenideinkristalle mit hervorragender Qualität dargestellt und umfassend mit verschiedenen analytischen Methoden charakterisiert werden. Die Qualität der Kristalle wurde über das elektrische Restwiderstandsverhältnis und mit Rocking Kurven ermittelt. Mit Röntgenbeugungsexperimenten konnte auch die Ausbildung von Überstrukturen nachgewiesen werden. Im Mittelpunkt standen Untersuchungen zu den Magnetotransporteigenschaften in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung, wobei die experimentellen Arbeiten mit theoretischen Rechnungen ergänzt wurden. Für Fe1/3TaS2 konnte ein sehr großer negativer Magnetwiderstand von -70 % nachgewiesen werden. Zusammensetzungsabhängige Untersuchungen an Co xNbS2 belegen die außerordentliche Notwendigkeit Kristalle mit hervorragend eingestellter Stöchiometrie herzustellen. Schon geringe Änderungen von x führen zu signifikanten Änderungen des AHE. Für die analoge Ta-Verbindung konnten Ähnlichkeiten der physikalischen Eigenschaften nachgewiesen werden, im Detail treten jedoch interessante Unterschiede auf. Mit den ersten Arbeiten zu quaternären Verbindungen, in denen eine partielle Substitution im Anionenteilgitter erfolgt, haben wir synthetisches Neuland betreten. Obwohl die Kontrolle der Stöchiometrie extrem schwierig ist, konnten Kristalle der Reihe Co1/3NbSxSe2-x erhalten werden. Deren umfangreiche Charakterisierungen sind Gegenstand der laufenden Arbeiten. Zusätzlich wurde eine neue Syntheseroute entwickelt, mit der phasenreines Co1/3NbS2 durch simultane thermische Zersetzung von Nb2S4(CS2NH2)4 und Co(CS2NH2)3 synthetisiert werden kann. Die Ergebnisse der theoretischen Untersuchungen, welche mit der vollrelativistischen KKR-Methode im Rahmen der LSDA der Dichtefunktionaltheorie unter Berücksichtigung der Korrelationseffekte durchgeführt wurden, unterstützen die experimentellen Ergebnisse. So konnten z.B. die experimentell ermittelten magnetischen Momente sehr gut reproduziert werden. Analog gelang die Reproduktion der experimentell bestimmten magnetischen Übergangstemperaturen unter Einsatz von MC Simulationen. Für Mn14NbS2 konnte ein großer negativer Magnetwiderstand mit zunehmendem Druck beobachtet werden, welcher mit theoretischen Rechnungen einer druckinduzierten Änderung der magnetischen Ordnung erklärt werden konnte. Ramanspektren zeigen keinen strukturellen Phasenübergang bis 20 GPa. In einer selbst entwickelten Hochdruckzelle konnten die Transporteigenschaften an Einkristallen entweder als Funktion von der Temperatur (2-300 K) oder des magnetischen Feldes (9T) bis zu 100 GPa gemessen werden. Die Messung des gewöhnlichen Hall-Effekts für Mn14NbS2 zeigt bei Druckzunahme von 5.5 auf 7.1 GPa einen Vorzeichenwechsel von positiv zu negativ. Messungen des MR bei T = 2 K ergeben eine drastische Abnahme bei p > 10 GPa und es werden sehr kleine positive Werte erhalten. Für ReSe2 wurde mit Ramanspektren ein isostrukturelle Phasenübergang bei ~ 7 GPa beobachtet, welcher mit dem Gleiten der ReSe2-Schichten verbunden ist und bei p = 35 GPa wird ein Übergang in den metallischen Zustand gefunden. Hinweise auf den Übergang in den supraleitenden Zustand wurden bei p ≈ 45 GPa erhalten. Druckuntersuchungen an PdSe2 ergaben eine druckinduzierte Metallisierung bei ca. 3 GPa, wobei die PdS2-Struktur erhalten bleibt. Nach dem strukturellen Phasenübergang in die Pyritstruktur (ca. 6 GPa) wird Supraleitung gefunden mit T C = 13.1 K bei p = 23 GPa. Begleitenden Ramanuntersuchungen legen den Schluss nahe, dass unter Druck die Se-Se- Bindung geschwächt wird und ein Ladungstransfer auftritt, der mit einer Erhöhung des Oxidationszustandes von Pd begleitet wird. Weitere Ergebnisse, welche an PdS 2 erhalten wurden, deuten darauf hin, dass keine einfache Korrelation zwischen der Bindungsstärke in den Chalkogendimeren und dem Auftreten von Supraleitung besteht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2017). Large nonsaturating magnetoresistance and pressure-induced phase transition in the layered semimetal HfTe 2. Physical Review B, 96(20), 205148
Mangelsen, P. G. Naumov, O. I. Barkalov, S. A. Medvedev, W. Schnelle, M. Bobnar, S. Mankovsky, S. Polesya, C. Näther, H. Ebert, W. Bensch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevb.96.205148) - (2017). Pressure-induced metallization in layered ReSe2. Journal of Physics: Condensed Matter, 30(3), 035401
P. G. Naumov, M. A. ElGhazali, H. Mirhosseini, V. Süß, E. Morosan, C. Felser, S. A. Medvedev
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-648x/aa9f52) - (2017). Pressure-induced superconductivity up to 13.1 K in the pyrite phase of palladium diselenide PdS e 2. Physical Review B, 96(6), 060509
M. A. ElGhazali, P. G. Naumov, H. Mirhosseini, V. Süß, L. Müchler, W. Schnelle, C. Felser, S. A. Medvedev
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevb.96.060509) - (2019). Electronic and magnetic properties of the 2H-NbS2 intercalated by 3d transition metal atoms. Zeitschrift für Naturforschung B, 74(1), 91-98
S. Polesya, S. Mankovsky, H. Ebert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/znb-2018-0173) - (2019). HfTe2: Enhancing Magnetoresistance Properties by Improvement of the Crystal Growth Method. Inorganic Chemistry, 59(2), 1117-1124
S. Mangelsen, W. Bensch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.9b02734) - (2019). Pressure-induced metallization, transition to the pyrite-type structure, and superconductivity in palladium disulfide Pd S 2. Physical Review B, 100(1), 014507
M. A. ElGhazali, P. G. Naumov, Q. Mu, V. Süß, A. O. Baskakov, C. Felser, S. A. Medvedev
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevb.100.014507) - (2020). Large Anomalous Hall Effect and Slow Relaxation of the Magnetization in Fe1/3TaS2. The Journal of Physical Chemistry C, 124(45), 24984-24994
S. Mangelsen, J. Hansen, P. Adler, W. Schnelle, W. Bensch, S. Mankovsky, S. Polesya, H. Ebert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c07711) - (2020). Mn 1/4 Nb S 2: Magnetic and magnetotransport properties at ambient pressure and ferro-to antiferromagnetic transition under pressure. Physical Review B, 102(17), 174423
S. Polesya, S. Mankovsky, H. Ebert, P. G. Naumov, M. A. ElGhazali, W. Schnelle, S. Medvedev, S. Mangelsen, W. Bensch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevb.102.174423) - (2021). Interplay of sample composition and anomalous Hall effect in Co x Nb S 2. Physical Review B, 103(18), 184408
Mangelsen, P. Zimmer, C. Näther, S. Mankovsky, S. Polesya, H. Ebert, W. Bensch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevb.103.184408)
