Ab initio investigations of π-conjugated-molecule-metal interfaces for molecular electronics and spintronics

Der stete Wunsch nach Miniaturisierung stellt die konventionelle Elektronik vor eine enorme Herausforderung. Elektronische Bauelemente nach der „bottom up“ Strategie zu entwerfen, ist eine viel versprechende Alternative zur weiteren Verkleinerung der bereits etablierten, Silizium basierten Technologie. Als derzeit kleinste vorstellbare Elemente elektronischer Bauteile sind auf Oberflächen adsorbierte Atome und Moleküle im Fokus aktueller Forschung auf dem Gebiet der Molekularelektronik. Weitere Vorteile gegenüber konventioneller Elektronik, wie z. B. ein geringerer Energieverbrauch, verspricht das schnell wachsende Feld der Molekularspintronik, in dem der Ladungsstrom durch einen Spinstrom ersetzt wird. Um neue Bauteile zu entwickeln, ist sowohl für die Molekularelektronik als auch für die Molekularspintronik eine realistische theoretische Modellierung unverzichtbar. Wenn es um die mikroskopische Beschreibung von Grenzflächen zwischen Molekülen und Oberflächen geht, ist Dichtefunktionaltheorie die Methode der Wahl. Für eine realistische Simulation der betrachteten Systeme muss eine angemessene Näherung für das Austausch-Korrelations-Funktional gemacht werden. Gerade bei schwach gebundenen, auf Oberflächen adsorbierten organischen Molekülen, für welche die van der Waals Wechselwirkungen der dominierende Beitrag zur Bindung sind, gelangen verbreitete Näherungen für das Austausch-Korrelations-Funktional an ihre Grenzen. Eine Lösung für dieses Problem zu finden, ist Gegenstand aktueller Forschung. In dieser Arbeit untersuchen wir die Adsorption konjugierter Moleküle auf Metall- Oberflächen. Thiophen chemisorbiert schwach auf der Cu(111) Oberfläche, während Cyclooctatetraen auf der Au(111) Oberfläche physisorbiert und auf den (100) Oberflächen von Au, Ag und Cu chemisorbiert. Für all diese Bereiche der Bindungsstärke testen wir neuartige semi-empirische und ab initio Formulierungen der bis dato unzureichenden Beschreibung von van der Waals Wechselwirkungen in Dichtefunktionaltheorie. Basierend auf den dabei gewonnenen Erkenntnissen über die Schnittstelle zwischen organischen Molekülen und Metall-Oberflächen bei verschiedenen Bindungsstärken, schlagen wir zwei viel versprechende magnetische Systeme für Anwendungen in der Molekularspintronik vor. Die elektronische Struktur von Cyclooctatetraen adsorbiert auf Übergangsmetall-Adatomen auf der Au(111) Oberfläche zeigt scharfe, Austausch aufgespaltene, Molekülorbital ähnliche Merkmale, welche die Charakteristiken eines Spinfilters erfüllen. Paracyclophan adsorbiert auf der ferromagnetischen Fe/W(110) und der antiferromagnetischen Fe/W(100) Oberfläche ist neben seiner Eigenschaft als Spinfilter ein Beispiel für die Modifikation magnetischer Eigenschaften von Oberflächen durch die Adsorption organischer Moleküle. Insbesondere wird die magnetische Austauschwechselwirkung unter den direkt mit dem Molekül wechselwirkenden Fe Atomen verstärkt, was zu einer Erhöhung des Koerzivitätsfeldes und der Curie-Temperatur führt.