Profil
Die Popularität zweidimensionaler Materialien (2DMs) hat aufgrund ihres Anwendungspotentails in den letzten Jahrzehnten stark zugenommen, wobei sich die Anwendung von elektronischen Geräten bis hin zur Katalyse und von der Informationstechnologie bis hin zur Medizin erstreckt. 2DMs repräsentieren eine Klasse von niederdimensionalen Nanomaterialien (Schichdicke ≤ 10 Schichten) mit hoher struktureller Definition auf atomarer/molekularer Ebene. Sie zeichnen sich durch nanoskalige Dicke in einer Dimension und "unendliche" Größe in den beiden anderen Dimensionen aus.
Graphen als bekanntestes 2DM besitzt erstaunliche Eigenschaften, wie hohe Ladungsträgerbeweglichkeit, Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit. Inspiriert durch den Erfolg von Graphen wurde ein enormes Interesse an der Entwicklung neuer 2DMs ausgelöst. Eine der wichtigsten Herausforderungen, mit denen die wissenschaftliche Gemeinschaft bisher konfrontiert ist, besteht darin, über die Grenzen von Graphen inauszugehen und 2DMs mit hoher Strukturkontrolle zu synthetisieren.
Der Sonderforschungsbereich (SFB) 1415 "Chemie der synthetischen zweidimensionalen Materialien" fokussiert sich auf die kontrollierte "Bottom-up"-Synthese und die Entwicklung neuartiger synthetischer 2DMs mit hoher struktureller Präzision. Hierbei widmet sich das Forschungsziel vorallem methodologie-/struktur- und eigenschaftsgetriebene Themen. Die nachfolgende Abbildung veranschaulicht das gesamtheitlich SFB Konzept einschließlich der drei beteiligten Forschungsbereiche.
Für die Synthese von 2DMs wird die "Bottom-up"-Synthese von kristallinen Schichtmaterialien mit anschließender Exfolierierung sowie die Direktsynthese von ein- oder mehrschichtigen 2DMs über die löungsmittelbasierte Konstruktion aus molekularen Vorläufern oder die oberflächen- und grenzflächenunterstützte Synthese genutzt werden. Unter Ausnutzung der Vielseitigkeit der Chemie werden neuartige organische und anorganische 2DMs sowie deren Hybridüberstrukturen entwickelt werden. Des Weiteren wird sich der SFB auf die Entwicklung von in-situ- und ex-situ-spektroskopischen, mikroskopischen und diffraktiven Charakterisierungsmethoden konzentrieren, die es ermöglichen, die Morphologien, Zusammensetzungen, Strukturen, Kristallinität, Defekte und Korngrenzen zu analysieren, die Reaktionsmechanismen der synthetischen 2DMs zu überwachen sowie ihre Oberflächen-/Eckfunktionalisierung und physikalisch-chemischen Eigenschaften zu untersuchen. Der dritte Forschungsschwerpunkt ist die theoretische Auseinandersetzung mit den chemischen und physikalischen Phänomenen der 2DMs unter Verwendung fortschrittlicher theoretischer Methoden und Modelle sowie die Vorhersage der Bildung der 2DMs und ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften. In Kombination mit den experimentellen Untersuchungen ist der theoretische Beitrag essentiell, um ein vertieftes Verständnis der Struktur von 2DMs, der molekularen Anordnung und Wechselwirkung in Lösung oder auf der Oberfläche (oder an der Grenzfläche), der Wachstumsmechanismen von 2DMs und des Einflusses von Gittertopologien, Defekten und Dehnungseffekten auf die optischen, elektronischen, mechanischen, katalytischen und Transporteigenschaften zu erhalten.
Folglich werden in diesem SFB drei übergeordnete Forschungsbereiche eingerichtet, die eine Brücke schlagen zwischen A) Materialsynthese, B) Charakterisierung und C) Theorie. Forschungsgruppen mit Expertenwissen in chemischer Synthese und Funktionalisierung, Charakterisierung, Modellierung und Bewertung von Strukturen und Eigenschaften von 2DMs und ihren Analoga werden ihre Kräfte unter der Vision des SFB bündeln.