Magnetische und elektronische Eigenschaften von Graphene/MOFene-Supergittern

• Antragsteller: Professor Dr. Xinliang Feng; Professor Dr. Thomas Heine; Professor Dr. R. Thomas Weitz
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443405902

In der ersten Förderperiode stellten wir Heterostrukturen (HS) aus vertikal gestapentem Graphen mit einem kristallinen 2D-Polymer her. Wir haben deren Struktur und elektronische Struktur mit theoretischen und experimentellen Methoden gründlich charakterisiert und verstanden. Wir untersuchten in silico die HS in An- und Abwesenheit typischer Substrate, und die Auswirkung der entsprechenden Korrugation auf die Bandstruktur. In einer 2DPI/Graphen-HS zeigten wir einen starken Interlagen-Ladungstransfer, eine Verbesserung der spektralen Eigenschaften sowie erste Hinweise auf eine Öffnung der Bandlücke in Graphen aufgrund der Interlagen-Wechselwirkung. Nachdem wir die den Zugang zu den nanoskaligen elektronischen Eigenschaften solcher HS sowohl theoretisch als auch experimentell etabliert haben, konzentrierenwir uns in der zweiten Förderperiode auf die subtileren magnetischen Wechselwirkungen zwischen 2D metallorganischen Gerüstverbindungen, sogenanntem MOFen, und verschiedenen Graphen-Systemen (Graphen und gated Bernal-stacked bilayer graphene, gBLG). MOFene enthalten Metallzentren als Knoten, die durch organische Liganden verbunden sind, wobei die Metallzentren Ladungs- und/oder Spinzentren tragen. MOFene mit einem charakteristischen Gitter erzwingen somit ein isostrukturelles Ladungs-/ magnetisches Übergitter auf beliebigen 2D-Materialien wie Graphen oder gBLG. In solchen HS können wir die Auswirkungen der Gittertopologie und verschiedener Metallzentren auf den resultierenden Magnetismus der HS analysieren. Wir werden die magnetische und elektronische Intralagen-Kopplung in MOFen mit Honigwaben-, Kagome- und rhombischer Gittertopologie experimentell und theoretisch untersuchen. Dadurch können wir die magnetische Kopplung zwischen den einzelnen Schichten und die daraus resultierenden makroskopischen magnetischen Eigenschaften beeinflussen. Besonders interessant ist, dass wir die Auswirkungen des Magnetismus und der Intralagen Spin-Bahn-Kopplung des MOFens auf die komplizierten korrelierten Zustände untersuchen können, die wir kürzlich in gBLG nahe seiner abstimmbaren van-Hove-Singularität identifiziert haben. Ein zentrales Ziel dieser Untersuchungen ist das Verständnis von Übergittereffekten unterschiedlicher Topologie. Während bei allen Gittern eine ferromagnetische und antiferromagnetische Ordnung der magnetischen Zentren möglich ist, sollte die Spinfrustration im Kagome-Gitter entweder zur ferromagnetischen Ordnung oder zu einer Spinflüssigkeit führen. Da die Wechselwirkungen durch die Wahl der magnetischen Zentren und Liganden eingestellt werden können, werden solche faszinierenden 2D-Spin-Flüssigkeits-Systeme realisierbar sein. In diesem Antrag wird eine breite Palette experimenteller und theoretischer Methoden eingesetzt, darunter fortgeschrittene Materialtransfertechniken, Quantentransport, Rasternahfeldmikroskopie, Rasterspektroskopie auf der Nanoskala, orthogonale Tight-Binding-Hamiltonians, Dichtefunktionaltheorie und Quasiteilchenmethoden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2244: 2D Materialien – die Physik von van der Waals [Hetero-]Strukturen (2DMP)