Vorhersage, Synthese und Charakterisierung neuartiger ferroelektrischer Metallfluoride

• Antragsteller: Professor Dr. Florian Kraus
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 533629173

Ferroelektrika sind Isolatoren mit einer spontanen elektrischen Polarisation, die durch ein äußeres elektrisches Feld umgekehrt werden kann. Ihre Eigenschaften machen sie zu begehrten Funktionsmaterialien mit breitem Anwendungspotential, das vom Energiewandler oder Sensor bis zum Random-Access-Memory in der Informationstechnologie reicht. Das Auftreten von Ferroelektrizität ist an strikte strukturelle Anforderungen geknüpft. Eine spontane Polarisation ist nur in polaren Raumgruppen möglich, die zu den zehn pyroelektrischen Kristallklassen gehören. Außerdem muss die Umpolung der Polarisationsrichtung über eine paraelektrische Isotropieübergruppe erfolgen. Diese strukturellen Voraussetzungen wurden von Abrahams zu empirischen Regeln zusammengefasst und sind noch heute die Basis zur Vorhersage bislang unbekannter Ferroelektrika. Historisch liegt der Fokus der Forschung auf oxidischen Ferroelektrika. Heutzutage sind eine Vielzahl oxidischer ferroelektrischer Strukturtypen bekannt, jedoch nur wenige Fluoride mit dieser Eigenschaft. Im vorliegenden Projekt wollen wir neuartige ferroelektrische Fluoride vorhersagen. Dazu werden wir eine Übersicht polarer Metallfluoride erstellen, die wir mit den erfolgreichen kristallographischen Kriterien nach Abrahams in Kombination mit modernen quantenchemischen Methoden auf ihr Potential als Ferroelektrika untersuchen. Aussichtsreiche Kandidaten dieser Übersicht werden wir synthetisieren und charakterisieren, um ihre strukturellen Vorrausetzungen für Ferroelektrizität nachzuweisen. Über ein erstes Screening der Pearson-Datenbank ist uns die Identifikation von 105 verschiedenen polaren Strukturtypen für Metallfluoride gelungen. Nur neun dieser Strukturtypen besitzen mindestens einen Vertreter, der nachgewiesen ferroelektrisch ist. Somit existiert hier ein hohes Potential für bislang unbekannte Ferroelektrika. Wir haben bislang mit β-MnF4 (R3c, hR360), Mn3F8 (P21, mS22) und RbCrF5 (Pmc21, oP28) schon drei aussichtsreiche Kandidaten für neue potentiell ferroelektrische Strukturtypen identifiziert, mit denen wir unsere Arbeiten beginnen können. Unser Screening ergibt weiterhin, dass kontroverse Strukturvorschläge für etwa 30 % der Strukturtypen vorliegen. Denn gerade bei polaren Verbindungen ist die Zuordnung der Raumgruppe im Beugungsexperiment nicht immer zweifelsfrei möglich. Dies erschwert automatische Zusammenstellungen von Datensätzen, die für Hochdurchsatz-DFT-Rechnungen oder maschinelles Lernen benötigt werden. Dieser Aspekt zeigt den großen Bedarf für eine eindeutige strukturchemische Datengrundlage für polare Verbindungen. Mit dem kristallographischen, strukturchemischen und experimentellen Erfahrungswissen unseres Arbeitskreises wollen wir diese Aufgabe für die Materialklasse der Metallfluoride angehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Finnland, Österreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Hubert Huppertz; Professor Dr. Antti Karttunen