Ab initio investigations of π-conjugatedmolecule- 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.