Forschungsgebiet
Im Laufe verschiedener Projekte (SPP 1666, SFB 1143, ERANET-Chemistry "Topologische Isolatoren unter Druck") werden innerhalb der Forschungsgruppe "Topologische Materialien" Kandidatverbindungen mit topologisch nicht-trivialien elektronischen Strukturen identifiziert, synthetisiert und charakterisiert. Die Bearbeitung der Projekte erfolgt in enger nationaler und internationaler Kooperation, u.a. mit dem Leibnitz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW), dem Institut für Experimentelle Physik der Universität Würzburg und der staatlichen Universität Tomsk. Aus diesen Zusammenarbeiten sind mehr als 10 neue topologische Materialien entdeckt wurden, welche in mehreren Publikationen veröffentlich wurden (u.a. 4 Publikationen in der Nature Publishing Group).
Lehrtätigkeit
- Co-Betreuung mehrer Abschlussarbeiten
- Betreeung von Forschungspraktika im Rahmen von Modul MA-CH-MRC09
- Praktikumsleitung Modul BA-CHEM-ACII
- Vorlesung-Vertretung „Anorganische Festkörperchemie“, Modul BA-CHEM-ACII, WS 2014-2017
- Pflichtwahlvorlesung und Seminare „Magnetochemie“ bzw. „Metalle und Magnete“, Modul MA-CH-MRC07, SS 2015-2017
Publikationen
Topologische Isolatoren in Bismuth-Halogen und verwandten Systemen: Design, Synthese, Optimierung und Eigenschaften (2. Förderperiode)
Titel (Englisch)
Topological Insulators
Kurzbeschreibung (Deutsch)
Unter Anwendung des Konzepts der "begrenzten Metalle" konnten wir eine zielgerichtete Suche nach neuen topologischen Isolatoren (TI) auf Basis von Kristallstrukturmerkmalen etablieren. Ein 2D-TI-Fragment als niedrigdimensionales Strukturfragment in einer Bismut-reichen Metallsalz-Hybridstruktur verleiht der gesamten Verbindung schwache 3D topologische Eigenschaften. Der salzartige Teil kann aus hochpolaren Iodidanion aufgebaut sein, welche fehlordnungsfreie und stöchiometrische Verbindungen begünstigen. Die Gültigkeit unseres Ansatzes konnten wir an zwei schwachen 3D-topologischen Isolatoren (Bi14Rh3I9, Bi2TeI) und einem starken 3D-topologischen Isolator, beta-Bi4I4, dessen elektronische Struktur sowohl in der Nähe der schwache 3D-TI-Phase als auch der trivialen Isolatorphase ist, zeigen. Die genannten Materialien werden von zwei verschiedenen 2D-TI-Fragmenten aufgebaut: Einer graphenähnlichen, intermetallischen Wabenschicht und einer Bismut-Doppelschicht mit Baueinheiten aus der Struktur des elementarem Bismuts. Bi14Rh3I9 ist der bislang einzig bekannte schwache 3D topologische Isolator, für den das Auftreten von topologischen Kantenzuständen experimentell bestätigt wurde. beta-Bi4I4 ist der einzige Vertreter der starken topologische Klasse Z2 = 1;(1,1,0) und zeichnet sich durch einen stark anisotropen Dirac-Kegel aus. Unsere theoretische Betrachtung der elektronischen Struktur von Bi2TeI prognostiziert für diese Verbindung exotische topologische Oberflächenzustände jenseits des Z2-Formalismus. Unser Ziel in der zweiten Förderperiode des Schwerpunktprogramms ist es, ausgehend von den genannten Verbindungen, neue Familien von TIs zu synthetisieren, zu charakterisieren und zu funktionalisieren. Die Verfügbarkeit von tatsächlichen Materialien wird theoretische und experimentelle Fortschritte bei der Beschreibung schwacher 3D TI fördern. Das Forschungsprogramm umfasst folgende wesentliche Schritte zur Realisierung dieser Ziele: 1) Vorbereitung der verfügbaren Bi14Rh3I9-Einkristalle für elektronischen und magneto-elektronischen Transport mittels Iod-Dotierung. Experimentelle und theoretische Arbeiten zu Exfolierung, Gating und Kontaktierung von dünnen Bi14Rh3I9 Schichten, um Zugang zu ersten einfache Bauteilen auf der Basis eines 3D schwachen TI zu erhalten. 2) Exploration einer nächsten Generation von beta-Bi4I4 abgeleiteter starker TI durch Synthese sowie DFT-basierte Berechnungen der elektronischen Struktur und der topologische Invarianten. 3) Verstärkte Bemühungen zur Einkristallzüchtung von Bi2TeI um die mögliche Koexistenz der schwachen 3D TI Phase und der durch die kristallographische Spiegelsymmetrie geschützte, topologisch-kristallinen-Isolatorphase zu untersuchen. 4) Identifizierung neuer TI-Kandidaten mit unterschiedlichen Strukturtypen durch Anwendung des o. g. Konzepts; von Synthese und Kristallstruktur über DFT-Berechnungen der elektronischen Struktur zu direkten Berechnung der topologische Invarianten.
Zeitraum
01.01.2017 - 30.09.2020
Art der Finanzierung
Drittmittel
Projektleiter
- Herr Prof. Dr. rer. nat. Thomas Doert
- Herr Prof. Dr. rer. nat. Michael Ruck
- Frau Dr. Anna Isaeva
Projektmitarbeiter
- Herr Dr. rer. nat. Alexander Zeugner
- Herr M. Sc. Paul Gebauer
- Frau Michaela Münch
Finanzierungseinrichtungen
Kooperationspartnerschaft
international
Externe Kooperationspartner
- K. Koepernik, IFW Dresden (Deutschland)
- J. van den Brink, IFW Dresden (Deutschland)
Zugeordnete Profillinie
Intelligente Werkstoffe und Strukturen
Relevant für den Umweltschutz
Ja
Relevant für Multimedia
Nein
Relevant für den Technologietransfer
Ja
Schlagwörter
Topologische Isolatoren