Oberflächen nach Maß
Molekulare Metallkomplexe und Cluster
Bausteine für schaltbare Funktionen auf Oberflächen
Wir designen molekulare Metallkomplexe und Cluster mit gezielt einstellbaren elektronischen und chemischen Eigenschaften. Diese dienen als funktionale Bausteine für die Gestaltung schaltbarer Oberflächen und zukünftiger Materialsysteme.
Synthese funktionaler molekularer Bausteine
- Herstellung von Metallkomplexen mit maßgeschneiderten Ligandenstrukturen
- Synthese von molekularen Oxid- und Metallclustern
- Einsatz moderner Methoden wie Schlenk-Technik und Mikrowellensynthese
- Entwicklung definierter Molekülarchitekturen für spezifische Funktionen
Strukturdesign und gezielte Funktionalität
- Einführung von funktionellen Strukturfragmenten
- Feinabstimmung von intramolekularen Wechselwirkungen
- Aufbau von Molekülen als Bausteine für funktionalisierte Oberflächen
- Kontrolle von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen auf molekularer Ebene
Charakterisierung und schaltbare Eigenschaften
- Strukturaufklärung mittels NMR, Massenspektrometrie und Röntgenkristallographie
- Untersuchung von elektrochemischen und spektroskopischen Eigenschaften
- Analyse von (photo-)redoxaktiven Prozessen
- Entwicklung von Molekülen mit schaltbaren Funktionen unter externen Reizen
Beitrag zu schaltbaren Oberflächen und zukünftigen Technologien
- Bereitstellung molekularer Funktionsbausteine für intelligente Materialien
- Grundlage für schaltbare und adaptive Oberflächen
- Verbindung von Chemie, Physik und Materialdesign
- Beitrag zur Entwicklung neuer Ansätze in Computing und Sensorik
Projekte
Entwicklung von Heteropolyvanadat-Spincluster als Kandidaten für zukünftige redox-basierte Speicherbausteine
Die zunehmende Bedeutung von Quanteneffekten wird die weitere Miniaturisierung konventioneller mikroelektronischer Bauelemente künftig stark begrenzen. Das Projekt schlägt daher vor, das Prinzip des resistiven Schalters (Memristor) erstmals auf die Ebene eines einzelnen Moleküls zu übertragen, indem redoxaktive Polyoxovanadat-Cluster als Einzelmolekül-Speicher auf Metalloberflächen untersucht werden. Ziel ist es, durch experimentelle und theoretische Studien die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen dieser Moleküle zu verstehen und sie als molekulare Memristoren für zukünftige Speicher-, neuromorphe und quantentechnologische Anwendungen zu entwickeln.
Gefördert durch DFG (Emmy Noether-Programm)
Phthalocyaninato-Übergangsmetall/Lanthanoid-Komplexe eingebettet in Polyoxometallate zur Untersuchung von großflächigen molekularen Ladungstransporteigenschaften
Das Projekt untersucht die Koordinationschemie und physikalisch-chemischen Eigenschaften neuer Polyoxometallat-(POM)-Hybride mit Phthalocyaninato-Komplexen von Übergangsmetallen und Lanthanoiden. Im Mittelpunkt steht die direkte Anbindung der Pc-Metalleinheiten an lakunäre POM-Strukturen, wodurch neuartige elektronische, redoxaktive und magnetische Eigenschaften sowohl in Einzelmolekülen als auch in selbstorganisierten Monoschichten entstehen können. Durch kombinierte strukturelle, spektroskopische, magnetische und theoretische Untersuchungen sollen Ladungstransportprozesse in molekularen Tunnelkontakten besser verstanden und für zukünftige funktionale Materialien nutzbar gemacht werden.
Gefördert durch DFG (Sachbeihilfen)
Bioinspirierte „DNA–Polyoxometallat/Oberfläche“-Materialien für nanoelektronische Anwendungen
Das Projekt erforscht die Kombination von DNA-Strukturen mit funktionalisierten Polyoxometallaten (POMs) zur gezielten Anordnung auf Oberflächen. Ziel ist es, molekular adressierbare Arrays zu erzeugen, die als Bausteine für nanoelektronische Bauelemente dienen können. Durch die Nutzung der programmierbaren Selbstorganisation von DNA-Origami sollen neue Konzepte für skalierbare und funktionalisierbare nanoelektronische Systeme entwickelt werden.
Gefördert durch Boehringer Ingelheim Stiftung (Exploration Grant)
Photoinduziertes Multilevelschalten von Polyoxometallat-Chromophor-Hybridverbindungen: Ladungs- vs. Widerstands-basierte Datenspeicherung
Das interdisziplinäre Projekt PhotOcellMatrix untersucht Ladungsspeicherung, Ladungstransfer und Schaltprozesse in Polyoxometallat-Verbindungen, die mit porphyrinoiden Chromophoren funktionalisiert sind. Diese organisch-anorganischen Donor-Akzeptor-Hybride werden synthetisiert und ihre lichtinduzierten Schaltmechanismen in Lösung sowie auf leitenden und halbleitenden Oberflächen mithilfe spektroskopischer und rastersondenmikroskopischer Methoden analysiert. Ziel ist die Entwicklung lichtgesteuerter molekularer Multilevel-Schalter als Grundlage für energieeffiziente memristive Bauelemente in neuromorphen Computersystemen und IoT-Anwendungen.
Gefördert durch DFG (Sachbeihilfen)
Unterdrückung der Kernspin-Relaxation durch lichtabhängiges Schalten von Multi-Spin-DNP-Agenzien
Bei der dynamischen Kernpolarisation (DNP) können paramagnetische Metallionen wie Gd(III) als polarisierende Agenzien wirken, deren Spinpolarisation auf die umgebenden Kerne übertragen wird. In allen bisher untersuchten Systemen führt jedoch die langsame Elektronenspin-Relaxation dieser Metallionen zu einer Signalverbreiterung, so dass die umgebenden Kerne für die NMR-Detektion unsichtbar sind. Die Induktion einer ultraschnellen Spindynamik in einem polarisierenden Agenz kann dieses Problem umgehen. Dazu haben wir Mischmetallkomplexe mit einem photoschaltbaren, schnell relaxierenden paramagnetischen 3d-Zentrum entwickelt, das an das DNP-aktive Ion gekoppelt ist.
Gefördert durch DFG (Sonderforschungsbereich; TRR 386: HYP*MOL – Hyperpolarisation in molekularen Systemen)
Aufbau kovalenter Polyoxometallat-Netzwerke (CPNs) auf Oberflächen als alternative Datenspeichermaterialien
Das interdisziplinäre Projekt CovPOMNet untersucht die Bildung kovalenter Polyoxometallat-Netzwerke (CPNs) auf Oberflächen durch dynamische kovalente Chemie und Selbstorganisation. Hierbei werden funktionalisierte Hexavanadat-Derivate als Bausteine genutzt, um hochgeordnete ein- und zweidimensionale molekulare Arrays mit schaltbaren Einheiten zu erzeugen und ihre Struktur sowie elektronischen Eigenschaften mittels mikroskopischer und spektroskopischer Methoden zu analysieren. Ziel ist es, grundlegende Zusammenhänge zwischen Netzwerkstruktur und Schaltverhalten einzelner Moleküleinheiten aufzuklären und damit neue Konzepte für großflächige, molekular adressierbare Elektronik zu entwickeln.
Gefördert durch DFG
Entwicklung von Heteropolyvanadat-Spincluster als Kandidaten für zukünftige redox-basierte Speicherbausteine
Die zunehmende Bedeutung von Quanteneffekten wird die weitere Miniaturisierung konventioneller mikroelektronischer Bauelemente künftig stark begrenzen. Das Projekt schlägt daher vor, das Prinzip des resistiven Schalters (Memristor) erstmals auf die Ebene eines einzelnen Moleküls zu übertragen, indem redoxaktive Polyoxovanadat-Cluster als Einzelmolekül-Speicher auf Metalloberflächen untersucht werden. Ziel ist es, durch experimentelle und theoretische Studien die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen dieser Moleküle zu verstehen und sie als molekulare Memristoren für zukünftige Speicher-, neuromorphe und quantentechnologische Anwendungen zu entwickeln.
Gefördert durch DFG (Emmy Noether-Programm)
Publikationshighlights
S. K. Petrovskii, J. Lorenz, A. Petrovskaia, K. Monakhov
Hexavanadate Functionalization with Methacrylic Moieties via ‘Click’ Chemistry: An Elegant Route to Metalorganic Vinyl Monomers
Eur. J. Inorg. Chem. (2026), Accepted manuscript, 10.1002/ejic.202500606
Die kupfer(I)-katalysierte Azid–Alkin-Cycloadditionsreaktion (CuAAC) wurde als effizienter Ansatz zur Herstellung von Lindqvist-Typ-Hexavanadat-basierten organisch–anorganischen Hybridstrukturen mit kovalent gebundenen Vinylmonomer-Seitengruppen demonstriert. Als „Click“-Baustein wurde N-(4-Ethinylphenyl)methacrylamid synthetisiert, das eine einfache und selektive Postfunktionalisierung von Metallorganika ermöglicht und mit einem Azid-funktionalisierten Hexavanadat zu einem entsprechenden kovalenten Konjugat reagiert. Die hohe Ausbeute und der glatte Reaktionsverlauf zeigen, dass diese Strategie ein leistungsfähiger Zugang zu POM-basierten Vinylmonomeren ist und neue Möglichkeiten für die Entwicklung funktioneller (Co-)Polymere, Verbundmaterialien und geordneter polymerbasierter Strukturen eröffnet.
S. K. Petrovskii, E. V. Grachova, K. Y. Monakhov
Bioorthogonal Chemistry of Polyoxometalates – Challenges and Prospects
Chem. Sci. 15 (2024) 4202–4221, 10.1039/d3sc06284h
Die bioorthogonale Chemie ermöglicht kontrollierte chemische Reaktionen in biologischen Systemen mit hoher Ausbeute und minimalen Nebenwirkungen. Eine Übertragung dieser Konzepte auf Polyoxometallate (POMs) könnte neue Anwendungen in molekularer Elektronik, Sensorik und Katalyse eröffnen – auch in lebenden Zellen. Der Beitrag diskutiert Strategien, wie POMs durch supramolekulare Chemie, Click-Chemie und Oberflächenfunktionalisierung bioverträglicher gemacht und gezielt für bioorthogonale Reaktionen nutzbar gemacht werden können.
S. K. Petrovskii, M. Moors, D. Fuhrmann, J. Lorenz, K. Y. Monakhov
Using Coordination Chemistry to Control "Click" Reactions: The Selective Formation of Asymmetrically Ligated Polyoxometalates
Inorg. Chem. 63 (2024) 13785–13792, 10.1021/acs.inorgchem.4c02209
Die Cu(I)-katalysierte Azid–Alkin-Cycloaddition eines azidfunktionalisierten Hexavanadats (V6) mit 3-Ethinylpyridin führte zu Verbindungen, die mit Übergangsmetallionen schwerlösliche Koordinationskomplexe bilden. Diese Eigenschaft ermöglichte die gezielte Synthese symmetrischer und asymmetrischer Pyridyltriazolyl-Derivate sowie anschließend eines kovalent gebundenen V6–V6-Dimers. Rastersondenmikroskopische Untersuchungen auf Goldoberflächen zeigten keine elektronische Kopplung zwischen den Hexavanadat-Einheiten, was das Potenzial solcher POM-Dimere als molekulare Speicher- oder Memristorbausteine für zukünftige Datenspeichertechnologien unterstreicht.
M. Seiß, J. Lorenz, S. Schmitz, M. Moors, M. Börner, K. Y. Monakhov
Synthesis and Structures of Cobalt-Expanded Zirconium- and Cerium-Oxo Clusters as Precursors for Mixed-Metal Oxide Thin Films
Dalton Trans. 53 (2024) 8454–8462, 10.1039/d4dt00328d
Zur Entwicklung umweltfreundlicherer Alternativen zur CMOS-Technologie werden neue Materialien für energie- und ressourceneffizienten Elektronentransport und Schaltprozesse benötigt. In dieser Arbeit wurden erstmals stimuliresponsive Mischmetalloxid-Dünnfilme aus lösungsprozessierten molekularen Vorstufen unter vergleichsweise milden Bedingungen hergestellt. Heterometallische Koordinationskomplexe mit Zr–Co- bzw. Ce–Co-Kernen zeigen geeignete Stabilität und können auf Gold- und Siliziumoberflächen abgeschieden werden, wodurch sie als molekulare Präkursoren für atomar präzise Mischmetalloxid-Dünnfilme in zukünftigen elektronischen Materialien dienen könnten.
I. Werner, J. Griebel, A. Masip-Sánchez, X. López, K. Załęski, P. Kozłowski, A. Kahnt, M. Boerner, Z. Warneke, J. Warneke, K. Y. Monakhov
Hybrid Molecular Magnets with Lanthanide- and Countercation-Mediated Interfacial Electron Transfer between Phthalocyanine and Polyoxovanadate
Inorg. Chem. 62 (2023) 3761–3775, 10.1021/acs.inorgchem.2c03599
Eine Serie von {V12}-Polyoxovanadat-Käfigen, kovalent funktionalisiert mit ein oder zwei Phthalocyaninato-Lanthanid-Einheiten, wurde synthetisiert und umfassend charakterisiert. Experimente und Berechnungen zeigen Lanthanid-abhängige intra- und intermolekulare Elektronentransferprozesse, die teilweise zu einer Reduktion der Vanadiumzentren führen und unterschiedliche Ladungstransfermechanismen innerhalb und zwischen Molekülen ermöglichen. Diese modularen molekularen Nanokomposite eröffnen neue Perspektiven für Einzelmolekülmagnete sowie funktionelle Materialien für Sensorik, Datenspeicherung und neuromorphe bzw. quantentechnologische Anwendungen.
Cover Pages
Ausstattung
Rigaku Einkristallröntgenbeugung für kristalline Proben zwischen 77 K und Raumtemperatur
Avantes modulares Glasfaser UV-vis Photodiodenspektrometer mit zur Charakterisierung von verdünnten Lösungen
BioLogic SP-50e Potentiostat zur (spectro-)elektrochemischen Charakterisierung von molekularen Metallkomplexen und Dünnschichten
CEM Discoverer 2.0 Mikrowellenreaktor zur Synthese unter atmospherischen und Schutzgasbedingungen im Labormaßstab, typischerweise im Mikroscale Bereich
Themen Promotions- Master- und Bachelorarbeiten
Synthese von nachhaltigen molekularen Metallkomplex-Vorstufen zur Nutzung in neuartiger molekular-basierter Mikroelektronik
Steuerung der photochemischen Eigenschaften von polynuklearen Metallkomplexen durch Liganden-Variation
Ansprechpartner:
