Korrelation und Spindynamik in Kohlenstoff Nanoröhren

Einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) sind wegen ihren herausragenden, schon alleine durch die lokale Anordnung ihrer sp2 hybridisierten Kohlenstoffatome bestimmten, mechanischen und elektronischen Eigenschaften seit mehreren Jahren im Fokus der wissenschaftlichen und technologischen Entwicklung. Ihr Transportcharakter reicht vom Isolator über Halbleiter bis zum Metall. Diese Metalle sind ideale eindimensionale (1D) Drähte und zeigen ballistischen Transport. Halbleitende SWCNT sind sehr viel-versprechende Systeme für die Nanoelektronik. Hierzu wurde 2013 der erste, auf SWCNT basierende, Computer gebaut. Auf der anderen Seite besitzen die SWCNT die archetypischen Eigenschaften von 1D Quantensystemen mit Elektronen und Spin-Korrelationen mir Potential als künftige aus Spin basierende Quantencomputer sowie in biomedizinischen Anwendungen. Im Projekt über „Korrelation und Spindynamik in Kohlenstoffnanoröhren“ wurde das unterschiedliche Verhalten von SWCNTs in Bezug auf eine kontrollierte Modifikationen des Transportcharakters und der magnetischen Eigenschaften an nach metallischem Charakter separierten Proben, sowie an Proben, die durch Füllen, oder durch Substitution dotiert wurden, untersucht.

Herausragende Ergebnisse des Projektes beinhalten, unter anderem, das erstmalige Bestimmen des korrelierten 1D elektronischen und magnetischen Zustandes als Funktion des metallischen Charakters. Bezüglich gefüllten Nanoröhren ist es für Ferrocene Füllung gelungen, den exakten Wert des lokalen Ladungstransfers, sowie des lokalen magnetischen Momentes zu bestimmen. Diese Füllung erlaubte es auch, die Photolumineszenz-Quantenausbeute zu optimieren, was den Schlüssel für die Anwendung von SWCNTs als biokompatible Nahinfrarot-Sensoren darstellt. Zusätzlich wurde eine detaillierte Analyse von in SWCNTs eingeschlossenen 1D Nano-drähten aus Gd, Eu and ErCl3 bezüglich Änderungen Ihrer Eigenschaften durch die räumliche Einschränkung durchgeführt. In Bezug auf, durch Substitution dotierte SWCNTs; konnte für B und N Dotierung eine Kontrolle der Bindungsumgebung und des Dotierungsgrades erreicht werden. Zusätzlich konnte der Adsorptionsmechansimuns von Stickoxiden an sauberen separierten SWCNTs bestimmt werden. Der gefundene Physisorptionsmechanismus bedingt eine neuartige Reaktionskinetik und ist ein Schlüssel für das Anwendungspotential von SWCNTs als Umweltsensoren.

Zusammenfassend hat unser Projekt wesentlich dazu beigetragen, die grundlegenden 1D Elektronen und Spin-Wechselwirkungen in diesen korrelierten Systemen von funktionalisierten reinen metallischen bzw. reinen halbleitenden Nanoröhren zu verstehen. Die erzielten Resultate stellen wesentliche Schlüsselergebnisse bezüglich des Potentials von SWCNTs in der Nanoelektronik, in biomedizinische Anwendungen sowie in der Umweltsensorik dar.