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I(+)
I(+)+I(-)
X
I(-)
I(+)-I(-)
Methode der Wahl
Neutronenstreuung ist die Methode der Wahl – ja oft
sogar konkurrenzlos die einzige Methode – um atomarmikroskopische
Information über den Magnetismus
dieser Verbindungen zu erhalten, die direkt mit ab-initio
Rechnungen verglichen werden kann. Ursprünglich
liegen die Substanzen oft in polykristalliner Form vor.
Dann erlaubt nur die Neutronenstreuung eine magnetische
Strukturbestimmung, die Grundlage jeder weiteren
Untersuchung ist (s. Abb. 2.36). Bei rein organischen
Molekülen erhebt sich die ganz grundsätzliche Frage,
wo die ungepaarten Elektronen lokalisiert sind. Nur mit
der Streuung polarisierter Neutronen kann diese Frage
quantitativ beantwortet werden, indem die Spindichteverteilung
bestimmt wird (s. Abb. 2.37).
Abb 2.37. Strukturformel
und projizierte
Spindichteverteilung
eines rein organischen
molekularen Magneten.
Å-Konturlinien
X
Abb 2.35. Kleinwinkelstreuung polarisierter Neutronen
an Ferrofluiden aus Co-Nanoteilchen (oben: Polarisation
parallel und antiparallel zum horizontalen Magnetfeld;
unten: Intensitätsverteilung im unpolarisierten Strahl und
Interferenzterm aus Kern- und magnetischer Streuung).
Die scharfen Reflexe belegen eine hexagonale Nahordnung
der Co-Teilchen.
Molekularer Magnetismus
Die Bezeichnung „Molekularer Magnetismus“ steht für
ein neues interdisziplinäres Forschungsgebiet, bei dem
Methoden der molekularen Chemie genutzt werden,
um neue Klassen von magnetischen Materialien zu
entwickeln und zu synthetisieren. Dabei kann es sich
um rein organische Materialien handeln, die Bindungen
mit ungepaarten Elektronen enthalten, oder um
metall-organische Komplexverbindungen, bei denen
organische Liganden effektive Austauschpfade für
Übergangsmetallionen bereitstellen. Der Reiz dieser
neuen Klasse magnetischer Materialien liegt darin, dass
es die moderne Chemie gestattet, aus völlig identischen
molekularen Bausteinen Materialien mit verschiedenen
Topologien herzustellen, von nulldimensionalen
Objekten, etwa Dimeren, über eindimensionale Ketten
bis hin zu zwei- und dreidimensionalen Netzwerken.
Laut einer VDI-Studie zur Technologiefrüherkennung
aus dem Jahr 1999 haben diese neuen Werkstoffe aus
dem Grenzbereich von Festkörperphysik und supramolekularer
Chemie ein enormes Anwendungspotential.
So könnten etwa in Zukunft Austausch-gekoppelte
zweidimensionale Netzwerke molekularer Magnete auf
Substraten in der Quanteninformationsverarbeitung
eine wesentliche Rolle spielen.
Fe 4,4’-bpy N 3
c
a
a
a
F
= 0,7
Abb 2.36. Kristall und Magnet- Struktur eines chiralen
molekularen Magneten Fe(N 3
) 2
(4,4’-bpy), der eine ausgeprägte
Kantung der magnetischen Momente aufweist.
B
Schließlich lassen sich mit inelastischer Neutronenspektroskopie
die Wechselwirkungsparameter (Anisotropie,
Austausch) absolut bestimmen. Damit legt die
Neutronenstreuung die Grundlage für ein detailliertes
mikroskopisches Verständnis dieser aufregenden Materialklasse
und kann den Weg zu möglichen Anwendungen
ebnen.
Molekülstruktur Anregungsspektren Energieschema
Neutroneninstensität
0,4
0,2
-5
2,10 1 cm 3,10-5 cm 1
-5
4,10 cm 1
0,0
-0,5 0,0 0,5
0,0
-0,5 0,0
0,0
0,5 -0,5 0,0 0,5
1,0
0,5
T=23,8K
0,4
0,2
4
-5
B 3,10 cm -1
4 = h (meV)
0,0
-1,4 -1,0 -0,6 -0,2 0,2 0,6 1,0 1,4
Abb 2.38. Beispiel für die Bestimmung von Wechselwirkungsparametern mit Hilfe von inelastischer Neutronenstreuung
am Mn 12
-Acetat.
0,4
0,2
Energie
M-Werte
Eingeschränkte Dimensionalität:
42 43
Molekularer Magnetismus