Daten-getriebenes Design von zweidimensionalen nicht van der Waals-Materialien

• Antragsteller: Dr. Rico Friedrich
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 513655797

Zweidimensionale (2D) Materialien haben aufgrund ihrer einzigartigen topologischen, magnetischen und katalytischen Eigenschaften umfangreiches Forschungsinteresse hervorgerufen. Diese Systeme werden traditionell mit den (ultra-)dünnen Schichten in Verbindung gebracht, die aus lagenförmig aufgebauten und durch schwache van der Waals (vdW) Wechselwirkungen gebundenen Kristallen gewonnen werden. Das bekannteste 2D Beispielsystem ist Graphen, abgeleitet von kristallinem Graphit. Die kürzliche überraschende Herstellung von atomar dünnen 2D Schichten aus nicht-vdW gebundenen Oxiden eröffnet eine neue Perspektive für diese diverse Klasse von Nanostrukturen. Nicht-vdW 2D Materialien bilden damit eine neue Klasse von nanoskaligen Verbindungen, die eine Reihe neuartiger Eigenschaften und Funktionalitäten zeigen. Dieses Projekt zielt darauf ab, alle kristallinen Materialien zu identifizieren, die in der Lage sind nicht-vdW 2D Systeme zu bilden, sowie diese zu charakterisieren und zu funktionalisieren. Zu diesem Zweck sind daten-getriebene Methoden – ein Ansatz, der in Deutschland im Vergleich zu den Vereinigten Staaten immer noch unterrepräsentiert ist – ideal geeigent. Im Projekt wird dabei die AFLOW Datenbank genutzt – eine der größten Materialdatenbanken weltweit mit über 3,5 Millionen Einträgen charakterisiert mit über 700 Millionen Eigenschaften. Zunächst werden genaue Exfoliationsenergien, d.h. die Energien, die benötigt werden, um die 2D Schichten von der Kristalloberfläche abzulösen, mit der Methode der coordination corrected enthalpies berechnet. Diese Methode wurde vom Antragsteller vor Kurzem speziell für diese Zwecke entwickelt. Basierend auf den korrigierten Energien kann dann die ab initio Oberflächenfunktionalisierung der Kandidaten realisiert werden. Die Adsorption molekularer Gruppen sowie die Einbettung zwischen Graphen-Schichten stellen umfangreiche Möglichkeiten zur Einstellung der Eigenschaften bereit. Um alle möglichen Kandidaten in der AFLOW Datenbank zu identifizieren, die die Bildung von nicht-vdW 2D Systemen ermöglichen, ist ein rigoroses Filter-Kriterium, d. h. ein geeigneter Deskriptor, erforderlich. Durch Verallgemeinerung zuvor identifizierter struktureller und elektrostatischer Muster, die die Exfoliierbarkeit begünstigen, wird ein universeller Deskriptor entwickelt werden und, in Kollaboration mit den Partnern von der Duke University, in AFLOW implementiert um diesen auf die assoziierte Datenbank anzuwenden. Die erhaltenen neuen Kandidaten - vermutlich mehrere tausend - werden dann zusammen mit geeigneten Heterostrukturen sorgfältig bezüglich ihrer elektronischen, optischen und magnetischen Eigenschaften charakterisiert. Die vielversprechendsten Kandidaten werden den experimentellen Kollaboratoren von der Rice University zur Synthese vorgeschlagen. Somit wird das Projekt durch Nutzung daten-getriebener Forschungsmethoden entscheidend dazu beitragen, das Potential der neuen Klasse nicht-vdW gebundener 2D Materialien zu lüften.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Pulickel Ajayan; Professor Dr. Stefano Curtarolo