Strukturchemie subvalenter Oxo- und Nitridometallate: Chemische Verzwilligung ionischer und metallischer Bausteine

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Constantin Hoch
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 444769550

Subvalente Verbindungen haben eine Sonderstellung in der Festkörperchemie. In ihnen sind ionische und metallische Bindungsanteile auf einzigartige Weise kombiniert. Struktureinheiten, die als Ausschnitte aus der Chemie (inter-)metallischer Phasen bekannt sind, wechseln sich in geordneten Kristallgittern periodisch mit Struktureinheiten ab, die aus der Chemie ionischer Verbindungen entnommen sind. Subvalente Verbindungen sind demgemäß Festkörper, in denen Bereiche mit überwiegend ionischen Bindungen mit solchen koexistieren, in denen die metallischen Wechselwirkungen dominieren. Entsprechend der unterschiedlichen Charaktere der zwei Strukturbausteine kombinieren subvalente Verbindungen das typische Verhalten von Metallen mit demjenigen, das die ionischen Strukturelemente mitbringen. Subvalente Verbindungen zeigen insgesamt metallisches Verhalten, doch die Interaktion der Leitungselektronen mit den lokalen Coulomb-Feldern der ionischen Bereiche führt zu interessanten neuen Effekten. Unerwartete Kombinationen aus metallischen und ionischen Eigenschaften können künftig zu neuartigen Materialien führen. Metallische Leitfähigkeit kombiniert mit z. B. an Übergangsmetallen lokalisierten magnetischen Zentren könnte interessante Materialien für Elektronik oder Datenspeicherung liefern. Oder ein verändertes Volumenverhältnis von ionischen und metallischen Strukturbereichen könnte in niederdimensionalen Metallen oder gar Quantendots aus kleinen, nicht miteinander wechselwirkenden metallischen Bereichen in der Größe weniger Atome resultieren. Auch optische Materialien mit stark anisotropen Eigenschaften sind denkbar.Bislang wurde wenig systematische Forschung auf diese Aspekte der Festkörperchemie subvalenter Verbindungen verwendet. Erste Vertreter dieser Stoffklasse waren die Alkalimetall-Suboxide sowie die Subnitride der schweren Erdalkalimetalle. Mit der Synthese der Alkalimetall-Suboxometallate und erster Erdalkalimetall-Subnitridometallate ist es uns gelungen, die Familie der subvalenten Verbindungen um zahlreiche multinäre Verbindungen mit komplexen, tetraedrischen Oxo- bzw. Nitridometallat-Anionen zu erweitern und neue Strukturfamilien zu charakterisieren.Ziel dieses Projektes ist es, die Verbindungsklassen der Suboxo- und der Subnitridometallate systematisch zu erweitern und Eigenschaften neuer Vertreter zu untersuchen. Durch den Vergleich möglichst vieler individueller Vertreter von subvalenten Metallaten soll schließlich ein tieferes Verständnis für den Einfluss des Wechselspiels ionischer und metallischer Strukturbereiche auf das makroskopische Verhaltenentwickelt werden. Mittels Leitfähigkeits-, Wärmekapazitäts- und Suszeptibilitätsmessungen in Kombination mit quantenchemischen Berechnungen der elektronischen Strukturen soll ein umfassendes Bild der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in subvalenten Verbindungen erarbeitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen