Status und Perspektiven - SNI-Portal
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I(+)<br />
I(+)+I(-)<br />
X<br />
I(-)<br />
I(+)-I(-)<br />
Methode der Wahl<br />
Neutronenstreuung ist die Methode der Wahl – ja oft<br />
sogar konkurrenzlos die einzige Methode – um atomarmikroskopische<br />
Information über den Magnetismus<br />
dieser Verbindungen zu erhalten, die direkt mit ab-initio<br />
Rechnungen verglichen werden kann. Ursprünglich<br />
liegen die Substanzen oft in polykristalliner Form vor.<br />
Dann erlaubt nur die Neutronenstreuung eine magnetische<br />
Strukturbestimmung, die Gr<strong>und</strong>lage jeder weiteren<br />
Untersuchung ist (s. Abb. 2.36). Bei rein organischen<br />
Molekülen erhebt sich die ganz gr<strong>und</strong>sätzliche Frage,<br />
wo die ungepaarten Elektronen lokalisiert sind. Nur mit<br />
der Streuung polarisierter Neutronen kann diese Frage<br />
quantitativ beantwortet werden, indem die Spindichteverteilung<br />
bestimmt wird (s. Abb. 2.37).<br />
Abb 2.37. Strukturformel<br />
<strong>und</strong> projizierte<br />
Spindichteverteilung<br />
eines rein organischen<br />
molekularen Magneten.<br />
<br />
Å-Konturlinien<br />
X<br />
Abb 2.35. Kleinwinkelstreuung polarisierter Neutronen<br />
an Ferrofluiden aus Co-Nanoteilchen (oben: Polarisation<br />
parallel <strong>und</strong> antiparallel zum horizontalen Magnetfeld;<br />
unten: Intensitätsverteilung im unpolarisierten Strahl <strong>und</strong><br />
Interferenzterm aus Kern- <strong>und</strong> magnetischer Streuung).<br />
Die scharfen Reflexe belegen eine hexagonale Nahordnung<br />
der Co-Teilchen.<br />
Molekularer Magnetismus<br />
Die Bezeichnung „Molekularer Magnetismus“ steht für<br />
ein neues interdisziplinäres Forschungsgebiet, bei dem<br />
Methoden der molekularen Chemie genutzt werden,<br />
um neue Klassen von magnetischen Materialien zu<br />
entwickeln <strong>und</strong> zu synthetisieren. Dabei kann es sich<br />
um rein organische Materialien handeln, die Bindungen<br />
mit ungepaarten Elektronen enthalten, oder um<br />
metall-organische Komplexverbindungen, bei denen<br />
organische Liganden effektive Austauschpfade für<br />
Übergangsmetallionen bereitstellen. Der Reiz dieser<br />
neuen Klasse magnetischer Materialien liegt darin, dass<br />
es die moderne Chemie gestattet, aus völlig identischen<br />
molekularen Bausteinen Materialien mit verschiedenen<br />
Topologien herzustellen, von nulldimensionalen<br />
Objekten, etwa Dimeren, über eindimensionale Ketten<br />
bis hin zu zwei- <strong>und</strong> dreidimensionalen Netzwerken.<br />
Laut einer VDI-Studie zur Technologiefrüherkennung<br />
aus dem Jahr 1999 haben diese neuen Werkstoffe aus<br />
dem Grenzbereich von Festkörperphysik <strong>und</strong> supramolekularer<br />
Chemie ein enormes Anwendungspotential.<br />
So könnten etwa in Zukunft Austausch-gekoppelte<br />
zweidimensionale Netzwerke molekularer Magnete auf<br />
Substraten in der Quanteninformationsverarbeitung<br />
eine wesentliche Rolle spielen.<br />
Fe 4,4’-bpy N 3<br />
c<br />
a<br />
a<br />
a<br />
F<br />
= 0,7<br />
Abb 2.36. Kristall <strong>und</strong> Magnet- Struktur eines chiralen<br />
molekularen Magneten Fe(N 3<br />
) 2<br />
(4,4’-bpy), der eine ausgeprägte<br />
Kantung der magnetischen Momente aufweist.<br />
B<br />
Schließlich lassen sich mit inelastischer Neutronenspektroskopie<br />
die Wechselwirkungsparameter (Anisotropie,<br />
Austausch) absolut bestimmen. Damit legt die<br />
Neutronenstreuung die Gr<strong>und</strong>lage für ein detailliertes<br />
mikroskopisches Verständnis dieser aufregenden Materialklasse<br />
<strong>und</strong> kann den Weg zu möglichen Anwendungen<br />
ebnen.<br />
Molekülstruktur Anregungsspektren Energieschema<br />
Neutroneninstensität<br />
0,4<br />
0,2<br />
-5<br />
2,10 1 cm 3,10-5 cm 1<br />
-5<br />
4,10 cm 1<br />
0,0<br />
-0,5 0,0 0,5<br />
0,0<br />
-0,5 0,0<br />
0,0<br />
0,5 -0,5 0,0 0,5<br />
1,0<br />
0,5<br />
T=23,8K<br />
0,4<br />
0,2<br />
4<br />
-5<br />
B 3,10 cm -1<br />
4 = h (meV)<br />
0,0<br />
-1,4 -1,0 -0,6 -0,2 0,2 0,6 1,0 1,4<br />
Abb 2.38. Beispiel für die Bestimmung von Wechselwirkungsparametern mit Hilfe von inelastischer Neutronenstreuung<br />
am Mn 12<br />
-Acetat.<br />
0,4<br />
0,2<br />
Energie<br />
M-Werte<br />
Eingeschränkte Dimensionalität:<br />
42 43<br />
Molekularer Magnetismus