Arbeitsgruppe Locmelis

MOLEKÜLCHEMIE UND CHEMISCHE TRANSPORTREAKTIONEN

Die Arbeitsgruppe Locmelis beschäftigt sich mit der kontrollierten Synthese von Schichtmaterialien wie Übergangsmetallchalkogenide, Metallthio und -selenophosphate mit Hilfe der Festkörpersynthese und des chemischen Transports. Ferner liegt die Forschung in der Präparation derer festen Lösungen und der Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften.

CHEMISCHER TRANSPORT

Schematische Darstellung einer Transportampulle

Chemische Transportreaktionen haben sich in der anorganischen Festkörperchemie seit Jahrzehnten als sehr nützliches Verfahren zur Präparation kristalliner Feststoffe etabliert. Vertreter einer großen Anzahl chemischer Gruppen sind auf diese Weise zugänglich: Metalle und Halbmetalle, intermetallische Verbindungen, Oxide und Chalkogenide, Oxidhalogenide, Pniktide, Halogenide, Salze wie Sulfate, Phosphate und mehr. Das Präzipitat reagiert reversibel in der Quelle bei einer bestimmten Temperatur T mit dem Transportmittel und bildet nur gasförmige Reaktionsprodukte.

Es wird auch als Auflösung des Präzipitats in der Gasphase bezeichnet. Der Gleichgewichtsort dieser Reaktion(en) wird durch die Temperatur, die freie Reaktionsenthalpie ΔRG0T (oder die Gleichgewichtskonstante k) und die Versuchsbedingungen bestimmt und ist prinzipiell genau berechenbar. Ein sehr effektiver Materialtransfer von T2 zu T1 wird erreicht, wenn die Gleichgewichtskonstante nahe eins liegt. Auf diese Weise stehen auch feste Lösungen zur Verfügung. Insbesondere bei dieser Gruppe von Unterverbindungen hat sich die Abscheidung aus der Gasphase als vorteilhaft erwiesen, da es Kristalle der Zielverbindung ohne nennenswerte Konzentrationsgradienten liefert, sofern einige Grundprinzipien beachtet werden. Für reine Festkörperreaktionen wird dieses Ziel nur mit sehr langen Reaktionszeiten erreicht. Überdies gelingt es nur in Ausnahmefällen, größere Kristalle zu erhalten.

Wir erforschen, welche experimentellen Parameter wie Druck in der Ampulle, Transportmittel, Dauer des Versuchs, Temperaturrichtung und –gradient eingestellt werden müssen, um die Größe der Kristalle und Produktmenge zu beeinflussen. Unsere Arbeit trägt dazu bei, Verunreinigungen und unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden und die Ursachen für ein unerwünschtes nichtstöchiometrisches Produkt zu benennen.

HALBLEITERMATERIALIEN MIT SCHICHTSTRUKTUR

Das Schema der ZrTe5-Kristallstruktur entlang von Projektionen in a-, b- und c-Richtung. Die roten Rechtecke markieren die untere Zelle von ZrTe5. TeI und TeII repräsentieren das Te-Atom an der trigonal-prismatischen Stelle von ZrTe3 bzw. an der Stelle zwischen den Ketten. (Y.-Y. lv et al., Journal of Crystal Growth 2017, 457, 250-254.)

Schichtphasen sind sehr attraktive Verbindungen, da sie viele physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen, die in dreidimensionalen Materialien üblicherweise nicht vorkommen. Bemerkenswert sind beispielsweise das Auftreten von Ladungsdichtewellen, das anisotrope zweidimensionale magnetische Verhalten und die starke Anisotropie der Leitfähigkeit. Diese spezifischen Eigenschaften sind die Folge von raumbezogenen und hauptsächlich kovalenten Bindungen in den Schichten, aus denen sich die Struktur zusammensetzt.

Wie unterscheiden sich die elektrischen Leitfähigkeiten und optischen Bandlücken zwischen viel und wenig geschichteten Halbleitern? Mit welcher Zusammensetzung einer festen Lösung lässt sich eine vorgegebene optische Bandlücke oder elektrische Leitfähigkeit einstellen? Welcher Halbleiter eignet sich für die Interkalation eines Metalls in deren Van-der-Waals-Lücken ohne Volumenänderung?

Die M-X-Bindungen innerhalb der Schicht sind überwiegend kovalent, wohingegen die Sandwichschichten durch schwache Van-der-Waals-Kräfte gekoppelt sind, wodurch der Kristall leicht entlang der Oberfläche der Schicht mittels Scotch-Tape-Methode gespalten werden kann.

Übergangsmetallchalkogenide stellen eine bedeutende und bekannte Reihe von Schichtmaterialien dar. Die zweidimensionalen Verbindungen können Interkalationsreaktionen eingehen, an denen Wirt-Gast-Redoxprozesse beteiligt sind. Diese Art ansprechender chemischer Eigenschaften beruht nicht nur auf den schwachen Van-der-Waals-Kräften, die die Schichten miteinander verbinden, sondern auch und hauptsächlich auf dem Vorhandensein von Oxidationszentren in der Struktur.

Metallthiophosphate und -selenophosphate stellen eine große Familie von Schichtverbindungen dar, deren Eigenschaften äußerst vielfältig sind. Unter Stabilitätsgesichtspunkten und im Gegensatz zu geschichteten Übergangsmetallchalkogeniden, die hauptsächlich mit den Übergangselementen der 4., 5. und 6. Gruppe auftreten, existieren die Thiophosphate und Selenophosphate mit den meisten Elementen der Gruppen 1 und 2, den Übergangsmetallen der vierten Periode und einigen Schwereren wie Pd, Ag und Cd. Die Synthese der Metallthiophosphate und -selenophosphate aus den Elementen ist sehr einfach und führt zu Phasen mit sehr guter Stöchiometrie.

Feste Lösungen spielen in der jüngsten Forschung und Technologie eine wichtige Rolle. In der Halbleitertechnologie werden sowohl reine Verbindungen als auch die Substitution im Wirtsgitter verwendet, um bestimmte elektrische Eigenschaften zu erzeugen. Zusätzlich können die optischen Eigenschaften von Festkörpern durch Substitution verändert werden.  

KOOPERATIONEN

  • Leibniz Universität Hannover

LEITUNG

Dr. Sonja Locmelis
Adresse
Callinstraße 3-9
30167 Hannover
Gebäude
Raum
027
Adresse
Callinstraße 3-9
30167 Hannover
Gebäude
Raum
027