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B.Sc.-Projekt
Betreuer: Alexander Allgaier

Ziel: Spektroskopische Charakterisierung von Chrom basierten Katalysatoren zur Oligomerisierung von Ethylen. Aufklärung der elektronischen Struktur in der inaktiven Form sowie während des katalytischen Prozesses.

Methoden:

• Hochfeld ESR bei tiefkalten Temperaturen
• X-Band ESR bei Raumtemperatur und tiefkalten Temperaturen
• Weitere Spektroskopische und magnetometrische Methoden
• Datenauswertung mit Python und Matlab (keine Vorkenntnisse nötig)

Hintergrund:

Katalytische Prozesse sind in der modernen chemischen Industrie allgegenwertig. Einer dieser Prozesse ist die Oligomerisierung von Ethylen zu 1-Hexen und 1-Octen. Dabei sind sowohl die Effizienz als auch die Selektivität immernoch Themen der aktuellen Forschung. Um diese voranzutreiben, ist es entscheidend den Mechanismus der Katalyse aufzuklären.

Als Katalysatoren werden im Rahmen des Projektes Chromkomplexe genutzt. In ihrer inaktiven stabilen Form ist Chrom in der Oxidationsstufe +3. Nach der Aktivierung mit Methylalumoxan (MAO) ist der Katalysator instabil und die Oxidationsstufe nicht eindeutig aufgeklärt. Auch während des katalytischen Prozesses ist die elektronische Struktur in den Übergangszuständen nicht geklärt. Elektronen Spin Resonanz (ESR) ist eine spektroskopische Methode, um die Oxidationsstufe und elektronische Umgebung während der Reaktion aufzuklären.

Im Rahmen des SFB1333 – „Molecular Heterogeneous Catalysis in Confined Geometries“ werden neue Cr-Katalysatoren zur heterogenen Katalyse in porösen Strukturen entwickelt. Die elektronische Struktur dieser Katalysatoren wird mithilfe von ESR und anderen spektroskopischen Methoden aufgeklärt.

Im Rahmen der Bachelorarbeit werden Cr-Katalysatoren mithilfe von Hochfeld ESR analysiert. Dabei soll sowohl die inaktive- als auch die aktivierte Spezies charakterisiert werden. Als weiterer Schritt soll der Katalysator während des katalytischen Prozesses gemessen und charakterisiert werden. 

B.Sc./M.Sc.-Projekt
Betreuer: Alexander Allgaier

Ziel: Spektroskopische Charakterisierung eines kupferbasierten Katalysatorsystems zur asymmetrischen Katalyse. Aufklärung der aktiven Spezies sowie die Untersuchung der Reaktionkinetiken unter verschiedenen Reaktionsbedingungen mittels ESR.  

Methoden:

• X-Band ESR bei Raumtemperatur
• Entwicklung eines Setups zum Messen unter Fluss am X-Band ESR
• Weitere Spektroskopische und magnetometrische Methoden
• Datenauswertung mit Python und Matlab (keine Vorkenntnisse nötig)

Hintergrund:

Asymmetrische Katalyse mit hoher Stereo- und Enantioselektivität sind von zentraler Bedeutung für pharmazeutische Anwendungen. Die Bestimmung der Reaktionsmechanismen solcher Reaktionen ist schwierig und oft von theoretischen Rechnungen abhängig. Spektroskopische Methoden können eine wichtige zusätzliche Perspektive geben und zur mechanistischen Aufklärung beitragen.

In diesem Projekt wird ein organometallischer Katalysator mit Kupfer (II) Zentrum aus der Peters Gruppe untersucht. Der Grundzustand des Katalysators ist bereits charakterisiert. Im kommenden Schritt soll die Reaktion mittels ESR verfolgt werden. Dabei sollen die Kinetik der Reaktion sowie die elektronische Struktur der aktiven Spezies untersucht werden.   

Im Rahmen des SFB1333 – „Molecular Heterogeneous Catalysis in Confined Geometries“ ist es das Ziel diese Reaktion mit immobilisiertem Katalysator durchzuführen. Dazu muss ein angepasstes Setup für die Messungen entwickelt werden um Unterschiede im Reaktionsverlauf zwischen homogener und heterogener Katalyse zu Untersuchen.  

M.Sc./FP-Projekt
Betreuer: Valentin Bayer

Ziel: Entwicklung und Untersuchung neuer Komplexsysteme basierend auf dem stabilen Verdazylradikal zur Verwendung als Baustein in Quantenbit Systemen

Methoden:

• Syntheseplanung von Verdazyl-Metall Systemen und anderen Liganden
• Synthese der Verbindungen unter Verwendung von Schlenktechnik
• Charakterisierung der Verbindungen mittels gebräuchlichen Analytikmethoden (1H und Heterokern-NMR, Massenspektrometrie, Elementaranalyse, UV/Vis, ggf. Röntgenbeugung)
• Analyse der magnetischen Eigenschaften durch Verwendung moderner spektroskopischer Methoden (continuous wave-ESR, gepulstes ESR, SQUID Magnetometrie, ggf. Fern-Infrarot)
• Gegebenenfalls Untersuchung der Elektrochemischen Eigenschaften mittels Cyclovoltammetrie und Charakterisierung der oxidierten oder reduzierten Spezies mittels Spektroelektrochemie
• Auswertung der Messdaten mittels Python, MatLab und ähnlichem

Hintergrund:

Quantenbits, auch bekannt als Qubits, sind das quantenmechanische Äquivalent des klassischen Bits. Doch um damit Quantencomputer, welche viele verschiedene Rechenoperationen beschleunigen können, aufzubauen werden zusätzlich zu den viel bekannten und charakterisierten 1-Qubit Systemen auch 2-Qubit Systemen benötigt. Ein Weg dafür ist die Verwendung von molekularen Qubits: Kurz gesagt, molekulare Systeme mit mindestens einem paramagnetischen Zentrum. Relevant dafür ist der durch Mikrowellen Strahlung erzeugte Superpositionszustand des paramagnetischen Zentrums und dessen Lebenszeit.

Diese Masterarbeit, Bachelorarbeit bzw. dieses Forschungspraktikum enthält viele Schnittstellen der Anorganischen und Physikalischen Chemie: Einerseits beinhaltet dieses Projekt das Design, sowohl als Synthese von Liganden und verschiedenen Verdazyl-Metallkomplexen, als auch deren Charakterisierung mittels moderner spektroskopischen Methoden. Hierbei soll der Einfluss verschiedener Metalle bzw. Liganden auf das Verdazyl-Metall-System untersucht und charakterisiert werden. Auch können zusätzliche Liganden entwickelt werden, welche ermöglichen zwei dieser Verdazylkomplexe miteinander zu verknüpfen. Studenten sollten für dieses Projekt Interesse an der Synthese und spektroskopischen Auswertung der resultierenden paramagnetischen Komplexe mitbringen.

Frühester Zeitpunkt: Sommer 2024

FP-Project
Betreuer: Sally Eickmeier

Ziel: Neu entwickelte Transistoren testen, verbessern und vergleichen mittels einer neuen Probe Station.

Methoden:

• Transportmessungen mit einer neuen Probestation
• Moleküle aufbringen, per Spin Coater, drop casting, aufdampfen mit dem MPI
• Glue bonding um tief Temperatur Transportmessungen durchzuführen
• Entwicklung vom Glue bonder mit 3D Drucker (keine Vorkenntnisse nötig)
• Datenauswertung mit Python oder Matlab (keine Vorkenntnisse nötig)
• Entwicklung von Transistoren mit Klayout (keine Vorkenntnisse nötig)

Hintergrund:

Transistoren sind ein wichtiger Bestandteil vieler Projekte im Arbeitskreis um die elektrischen Eigenschaften der Moleküle auszulesen. Flexible Substrate erleichtern das Handling und die weiter Verwendbarkeit immens. Dafür sind funktionierende Transistoren, die auch bei niedrigen Temperaturen noch ihre Leistung bringen notwendig.

In diesem Forschungspraktikum wird unsere neue Probestation dein neues Spielzeug an dem du dich komplett austoben kannst. Transistoren auf flexiblen Substraten sind aktuell schon in der Entwicklung, man müsste diese also auf Herz und Nieren testen und mögliche Verbesserungen vornehmen. Als Halbleiter werden die Moleküle aus dem Arbeitskreis genutzt. Dieses Praktikum bietet die Chance sich mit den Methoden zur elektrischen Leitfähigkeitscharakterisierung auseinander zu setzten und Raumtemperatur als auch low-temperature Transportmessungen durchzuführen.

M.Sc./FP-Projekt
Betreuer: Sally Eickmeier

Ziel: Aufdampfen von organischen Radikalen und organischen Halbleitern nacheinander und untersuchen des Films auf Interaktion der beiden Komponenten

Methoden:

• Aufdampfen von organischer Materie unter Ultrahochvakuum
• Untersuchung der Morphologie mittels Rasterkraftmikroskop (AFM)
• Untersuchung der Filme mit Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), ESR-Methoden und Leitfähigkeitsmessungen
• Auswertung und Interpretation der Messdaten (Origin, Python, MatLab)

Hintergrund:

Die Quantentechnik ist die Schlüsseltechnologie der nächsten Jahrzehnte. Jedoch ist das Auslesen von Quanteninformationen immer noch sehr kompliziert, obwohl Prototypen von Quantencomputern bereits existieren. Das Auslesen ist meistens optisch oder magnetisch woraufhin die Signale dann noch in elektrische umgewandelt werden müssen. Einfacher wäre es daher, die Signale gleich elektrisch auszulesen. Halbleiter Moleküle, die Quanteneigenschaften wiederspiegeln werden können auf einer Oberfläche aufgebracht und verwendet werden. Eine der saubersten Möglichkeiten zum Herstellen von dünnen Filmen mit organischen Molekülen ist das Aufdampfen mit der vor allem Moleküle die nicht löslich sind hervorragend auf eine Oberfläche gebracht werden können.

Dieses Forschungspraktikum oder Masterarbeit beinhaltet das Herstellen der entsprechenden Proben, in dem Fall das Aufdampfen des organischen Radikals und des organischen Halbleiters. Zur Analyse werden morphologische Untersuchungen mittles AFM sowie verschiedene Messungen auf die Funktionalität der Probe mittels ESR-Methoden und Transportmessungen für die Leitfähigkeit ausgeführt. Für interessierte Studenten bietet sich hier die Möglichkeit moderne spektroskopische Methoden sowie Ultrahochvakuum-Systeme kennen zu lernen und auch über die im bisherigen Studium besprochenen Analysemethoden hinauszugehen.

B.Sc./FP-Project
Betreuer: Jonathan Wischnat

Ziel: Design und Synthese von organischen Radikalen mit photoaktiven Funktionalitäten als potenziell schaltbare Quantenbitsysteme. Untersuchung der magnetischen und optischen Eigenschaften und gegebenenfalls geeignete strukturelle Variation zum Feintuning der Eigenschaften.

Methoden:

• Retrosynthese/Syntheseplanung von Zielradikalen
• Synthese organischer, photoaktiver Radikale
• Charakterisierung der synthetisierten End- und Zwischenstufen mit konventionellen Methoden wie ¹H/¹³C-NMR, MS, IR, EA
• Untersuchung der magnetischen und optischen Eigenschaften der synthetisierten Radikale via continuous wave EPR, pulsed EPR, SQUID, UV/Vis, Luminescence
• Auswertung und Interpretation der erhaltenen Messdaten

Hintergrund:

Seit der Entwicklung der Quantentheorie Anfang der 1920er Jahre kam die Frage nach anschaulichen makroskopischen Anwendungen außerhalb der „Quantenwelt“ auf. Besonders prominent sind die Anwendungen in Quantencomputern oder für die Informations­verarbeitung (z. B. Quantenverschlüsselung, Suche in umfangreichen, unsortierten Datenbanken). Eine weitere, bisher weniger erforschte Anwendung ist die der Quantensensorik von verschiedenen physikalischen Größen wie Licht, magnetischer oder elektrischer Felder, Temperatur oder sogar chemischer Verbindungen. Dabei wird die Veränderung von charakteristischen Eigenschaften des Quantensystems unter Einfluss der zu messenden Größe ausgenutzt.

Während dieser Bachelorarbeit bzw. dieses Forschungspraktikums kann die organische Synthese mit Charakterisierung mittels physikalischer Messmethoden kombiniert werden. Es gilt die Synthese neuer Verbindungen zu planen, durchzuführen und die Eigenschaften der erhaltenen Verbindungen zu untersuchen. Außerdem kann der Einfluss der chemischen Struktur auf die optischen und magnetischen Eigenschaften der jeweiligen Verbindung verstanden und Rückschlüsse auf mögliche Variationen der chemischen Struktur gewonnen werden. Studenten sollten für dieses Projekt Interesse für organische Synthese und die Motivation zum näheren Verständnis der Eigenschaften von Verbindungen mitbringen.

B.Sc./M.Sc./FP-Project
Supervisor: Jake McGuire

Goal: Investigation of spin-electric coupling in highly-tunable molecular spin qubit architectures. The influence of spin-state, spin-orbit coupling, and delocalization and symmetry on spin-electric coupling.

Methods:

• Electrochemistry (cyclic voltammetry and EIS)
• Spectroelectrochemistry
• Cw X-band EPR Spectroscopy
• Cw spin-electric X-band EPR Spectroscopy
• Pulsed Q-band EPR
• Electronic Spectroscopy
• Simulation

Background:

Molecular quantum bits (MQBs) are promising candidates as the hardware of a quantum computer. As these devices are being physically realized with super-conducting bits or nitrogen-centered vacancies in diamond, the addressability of the quantum bits (qubits) poses a severe bottleneck, that is, the ability to write and read data to these qubits. Magnetic fields are intrinsically difficult to control and change in the precise regime required for operation of a quantum computer is incredibly limiting with current technology. In contrast, electric field generation and control is trivial. Paramagnetic molecules, with specific geometries among other conditions, can couple with electric fields, dubbed spin-electric coupling. However, this effect is conventionally quite weak. Using the high tunability of molecular systems we look to develop design principles to maximize spin-electric coupling, while preserving the properties required for MQBs; long coherence times.

It is known that spin-electric coupling is operative locally in paramagnetic molecules without inversion centers. N2S2 tetradentate fused bis(aminothiolate)s have been known since the 60s and exhibit coordination to a wide range of metals. They can, in some cases, undergo reduction to form radical ligands. A slight caveat is that their tunability has not been fully explored. In-group, some methodology has been developed towards customizing these to fully capitalize on this system.

Known transition metal complexes, such as those in figures 1 (Examples of fused bis(aminothiolate) complexes with varied symmetry and, therefore, electron distribution where M is Ni, Pd, or Pt) and 2 (A series of S,S′-ethyl-N,N′-benzyl-bis(benzeneaminothiolate) (ebbbat) complexes with varying spin state. [Cu(ebbbat)Cl₂], [Cr(ebbbat)Cl₂], and [Mn(ebbbat)Cl₂] with S = 1/2, 3/2, and 5/2 respectively), form convenient series to explore the influence of spin-orbit coupling or spin state. With these we look to fully investigate and characterize the magnetic and electronic properties of these complexes and further develop experimental methodology to investigate spin-electric coupling, which at present consists of connection of the sample between two electrodes and sweeping the field.

This project has wide scope and can be tailored to the interests of the student, whether that be measurement, synthesis, simulation, or development.

B.Sc./M.Sc./FP-Projekt
Betreuer: Dominik Bloos

Ziel: Synthese und Funktionalisierung des neuartigen 2D-Materials Graphdiin

Methoden:

• Synthese von Graphdiin mittels chemischer Gasphasenabscheidung.
• Funktionalisierung von Graphdiin mit interessanten funktionellen Zentren (beispielsweise Einzelmolekülmagnete).
• Spektroskopische Charakterisierung von Graphdiin und Bestimmung seiner physikalische Eigenschaften, beispielweise durch sub-THz-Spektroskopie, Raman-Spektroskopie & -mikroskopie, elektrischer Kontaktmessungen, …
• Softwaregestützte Auswertung und Aufnahme von Messdaten und Interpretation derselben (Python, Matlab, …).

Hintergrund: Niedrigdimensionale, kohlenstoffbasierte Materie vermag aufgrund der besonderen Hybridisierungszustände des Kohlenstoffs in vielen verschiedenen Modifikationen mit interessanten Eigenschaften vorzuliegen. Interessante Beispiele sind z. B. die Fullerene, Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphen und Graphdiin. Gegenüber dem Prototyp der 2D-Materialien, dem Semi-Metall Graphen, wurde für Graphdiin eine Bandlücke vorhergesagt, bei ähnlich überragenden Ladungsträgermobilitäten. Damit ist es für schnelle Transistoren und schnelle Halbleiter der Zukunft ein sehr vielversprechender Kandidat. Darüber hinaus eröffnet sich im Gegensatz zum weitgehend inerten Graphen eine große Bandbreite an Modifizierungsmöglichkeiten, um für Applikationen wichtige Eigenschaften maßzuschneidern. So lassen sich beispielweise funktionelle Zentren in das Gerüst des Graphdiin einführen und elektronische und spintronische Bauelemente auf molekularer Ebene verwirklichen.

Diese Bachelor-/Masterarbeit bzw. dieses Forschungspraktikum verortet sich an der Schnittstelle von organischer Chemie, physikalischer Chemie, sowie der Festkörperphysik. Die Arbeit beinhaltet die Synthese des neuartigen Materials Graphdiin durch chemische Gasphasenabscheidung und die Charakterisierung vornehmlich durch Raman-Spektroskopie. Darüber hinaus werden die elektrischen Transporteigenschaften vermessen und magneto-optische Messungen an Graphdiin durchgeführt. Ziel ist die Herstellung von Monolagen Graphdiin und die Bestimmung seiner physikalische Eigenschaften. Durch Funktionalisierung des erhaltenen Graphdiins lassen sich die für Anwendungen wichtigen Eigenschaften wie beispielsweise die Bandlücke maßschneidern. Motivation ist die Herstellung von schnellen elektronischen und spintronischen Transistoren für eine Elektronik/Spintronik der Zukunft die sich über die Limitierungen des Mooreschen Gesetzes erhebt.