Funktionelle Übergangsmetallnitride

• Antragsteller: Dr. Simon David Kloß
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518384167

Übergangsmetallnitride spielen eine zentrale Rolle in der modernen Festkörperchemie und Materialwissenschaft, da sie über zahlreiche wichtige Eigenschaften und Anwendungen verfügen, wie z. B. harte keramische Schleifmittel, Katalysatoren, Magnetismus, Dielektrizität und Ferroelektrizität sowie Transporteigenschaften von Halbleitern, Supraleitern und Li-Ionen-Leitern. Die Entdeckung neuer Materialien stagniert jedoch aufgrund der schwierigen Nitrid-Thermodynamik. Wir haben eine Lösung für die präparativen Schwierigkeiten gefunden und konnten in Vorarbeiten durch Hochdruck-Synthese neuartige Nitride wie den Perovskiten LaReN3 und dem hochoxidierten Nitridoferrat Ca4FeN4 herstellen. In diesem Emmy-Noether-Programm, Funktionelle Übergangsmetallnitride, erforschen wir aufbauend auf unseren Vorarbeiten systematisch Nitridometallate und Nitridperovskite mit Synthesemethoden bei Normaldruck und Hochdruck. Wir verwenden Großvolumenpressen für die direkte Synthese von stickstoffreichen nitridischen Perovskiten und Ruddelsden-Popper-Phasen sowie hoch oxidierten Nitridometallaten. Die Erforschung stickstoffarmer Systeme wird mit Umgebungsdruckmethoden fortgesetzt, wobei der Schwerpunkt auf Defekt-Perovskiten und -Ruddelsden-Popper-Phasen liegt. Diese Defektphasen werden in Diamantstempelzellen unter extremen Stickstoffdrücken topotaktisch weiter nitridiert. Da die elektronischen Eigenschaften von Übergangsmetallnitriden von der Kovalenz der Metall-Stickstoff-Bindungen abhängen, erwarten wir eine einzigartige Materialchemie, die sich deutlich von Oxiden unterscheidet. Nitridperovskite bieten große Flexibilität in ihrer Zusammensetzung, so dass unter Anderem Transport-Eigenschaften und Magnetismus gezielt erforscht werden können. Insbesondere untersuchen wir das Zusammenspiel von Spin-Bahn-Kopplung, Elektron-Phonon-Kopplung und Gitterfreiheitsgraden und deren Auswirkungen auf Struktur und Eigenschaften. Chemische Substitutionen werden zur Steuerung der Valenzelektronenkonfiguration eingesetzt, um die Physik der Nitride am Metall-Isolator-Übergang zu untersuchen. Bei den Nitridometallaten verfolgen wir die Stabilisierung neuer hoher Oxidationsstufen und untersuchen auftretende Strukturen und Eigenschaften. Es wird erwartet, dass Systeme mit offener Valenzschale ein interessantes magnetisches Verhalten mit delokalisierten oder lokalisierten Elektronen zeigen, während Systeme mit geschlossenen Valenzschalen in der Regel Halbleiter sind, die für Anwendungen als Energiewandler nützlich sein können. Dieses Emmy-Noether-Projekt kombiniert anspruchsvolle anorganische Synthese mit modernen Analysemethoden aus der Festkörperphysik, um ein neues interdisziplinäres Nitrid-Forschungsgebiet zu schaffen. Hochoxidierte Nitridometallate und nitridische Perovskite bieten die einzigartige Gelegenheit, das grundlegende Verständnis von Nitriden zu verbessern, und sind so für alle Bereiche der anorganischen Chemie, der Materialwissenschaft und der Festkörperphysik von Interesse.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Kooperationspartner: Professor Dr. J. Paul Attfield