SFB 1772/1: Heterostrukturen aus Molekülen und zweidimensionalen Materialien

Der Sonderforschungsbereich 1772 will mit Heterostrukturen aus organischen und anorganischen Molekülen und zweidimensionalen (2D) Materialien neue kollektive Phänomene und Grundzustände in Nanostrukturen realisieren, untersuchen und nutzen. Solche mol2Dmat Heterostrukturen kombinieren die Charakteristika von 2D-Materialien wie kristalline Ordnung und delokalisierte Anregungen mit der Möglichkeit, Moleküle gezielt maßzuschneidern und ihre starke Lichtemission und chemische Reaktivität zu nutzen. SFB 1772 fokussiert auf neue emergente Zustände, die sich durch die Kopplung von Molekülen und 2D-Material in mol2Dmat Heterostrukturen bilden. So synchronisieren sich die Anregungen von Molekülen durch ihre Wechselwirkung in kollektive Zustände und koppeln an wellengeleitete Photonen in 2D-Materialien, was zu hybridisierten Licht-Materie Zuständen führt. Ein anderes Beispiel sind Ladungstransferexzitonen von mol2Dmat Heterostrukturen, d.h. gekoppelte Elektron-Loch-Paare zwischen Molekülen und 2D-Material. Ihre Energie kann durch gezielte Synthese und elektrische Felder verändert werden. Dadurch wollen wir Ladungstransferexzitonen mit verschwindende Anregungsenergie herstellen, die in den makroskopischen Quantenzustand eines exzitonischen Isolators kondensieren. Wir werden solche Zustände realisieren und mit elektronischen und optischen Methoden, auf Femtosekunden bis statischen Zeitskalen, auf atomaren bis Mikrometer Längenskalen und mit theoretischen Methoden von modellbasierten Hamiltonoperatoren bis zu numerischen Simulationen untersuchen. Die emergenten Zustände von mol2Dmat Heterostrukturen können nur durch präzise Nanofabrikation und Kontrolle über die molekularen Komponenten realisiert werden. Wir wollen maßgeschneiderte Donor-, Akzeptor-, Farbstoff- und photoschaltbare Moleküle an einer oder beiden Seiten eines 2D-Materials anbinden, wobei ihre Ausrichtung und der Abstand zur 2D-Ebene gezielt eingestellt werden. Wir werden ein grundlegendes Verständnis der für mol2Dmat Heterostrukturen zentralen Konzepte entwickeln, insbesondere des Ladungs- und Anregungstransfers und der Änderung chemischer Eigenschaften. Die Struktur der Heterostrukturen wird mit groß-skaligen Simulationen vorhergesagt und mikroskopisch verifiziert. Langfristig wollen wir Bauelemente konzipieren, die durch emergente Zustände neuartige Materiephasen realisieren und durch veränderte Reaktionswege in zwei Dimensionen neue Materialien synthetisieren. Der SFB 1772 passt mit seinem stark interdisziplinären Ansatz und seiner zukunftsorientierten Ausrichtung ausgezeichnet zur DFG Förderlinie Sonderforschungsbereiche. Er baut auf dem starken Schwerpunkt der Freien Universität Berlin in den Molekular-, Oberflächen- und Nanowissenschaften auf. Zusammen mit unseren drei Partnerinstitutionen werden wir Physik und Chemie noch stärker vernetzen und Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in frühen Karrierephasen in einem aufstrebenden interdisziplinären Forschungsfeld fördern.