25.06.2024
LMU-Chemikern gelang erstmals die Synthese von Nitriden vom Ruddlesden-Popper-Typ. Dies öffnet Türen zu neuen Materialien mit einzigartigen Eigenschaften.
Ruddlesden-Popper-Verbindungen sind eine Materialklasse deren besondere Schichtstruktur sie für zahlreiche Anwendung interessant machen – etwa als Supraleiter, in der Photovoltaik oder als Katalysatoren. Bisher gab es zahlreiche Halogenide und Oxide dieses Strukturtyps, aber keine Nitride. Trotzdem lassen Ruddlesden-Popper-Nitride herausragende Materialeigenschaften erwarten– allerdings war es bisher nicht möglich, solche Nitride tatsächlich herzustellen.
Jetzt haben Forschende um Dr. Simon Kloß vom Department Chemie der LMU einen speziellen Syntheseweg entwickelt, mit dem sie erstmals Nitrid-Materialien herstellen konnten, die im Ruddelsden-Popper-Strukturtyp kristallisieren, wie sie im Fachmagazin Nature Chemistry berichten.
Die große Stabilität der molekularen Dreifachbindung im Stickstoffmolekül (N2) und die geringe Elektronenaffinität des Elements stellten die Chemiker vor große Herausforderungen, die Stickstoff-reichen Ruddelsden-Popper Nitride herzustellen. Den Durchbruch schafften sie, indem sie Synthesen unter extremen Bedingungen durchführten; mithilfe von Großvolumenpressen komprimierten sie ihre Proben mit Drücken von acht Gigapascal, was 80.000 bar entspricht. Unter Verwendung einer aktiven Stickstoffquelle wie Natriumazid gelang es ihnen auf diese Weise, erfolgreich die Seltenerd-Übergangsmetallnitrid-Verbindungen herzustellen.
„Wir gehen davon aus, dass wir die neue Materialklasse der nitridischen Ruddelsden-Popper Verbindungen mit unserer neuen Synthesestrategie systematisch untersuchen können“, sagt Kloß. Dies zeigten die Wissenschaftler, indem sie drei neue Verbindungen dieser Materialklasse untersuchten, ein Cer-Tantal-Nitrid (Ce2TaN4) und Praseodym- beziehungsweise Neodym-Rhenium-Nitrid (Ln2ReN4 (Ln = Pr, Nd)). „Diese drei ersten Materialien weisen bereits eine reiche Vielfalt an strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften auf“, sagt Kloß.
Die Praseodym- und der Neodym-Verbindung wiesen spannende magnetische Eigenschaften auf, so ist die Neodym-Verbindung ein bemerkenswerter Hartferromagnet mit irreversiblem magnetischem Verhalten. Die Tantalverbindung ist ein Halbleiter, dessen Eigenschaften ihn für Anwendungen im Energy-Conversion Bereich oder als Ferroelektrikum spannend macht. „Die gleiche synthetische Methode wird wahrscheinlich zu anderen Ruddlesden-Popper-Nitrid-Zusammensetzungen und deren Derivaten führen“, erklärt Kloß. „Somit wartet eine große neue Klasse von Nitriden auf ihre Erforschung.“
M. Weidemann, D. Werhahn, C. Mayer, S. Kläger, C. Ritter, P. Manuel, J. P. Attfield & Simon D. Kloß: High-pressure synthesis of Ruddlesden–Popper nitrides. Nature Chemistry (2024)