Ruddlesden-Popper-Verbindungen sind eine Materialklasse mit einer speziellen Schichtstruktur, die sie für zahlreiche Anwendungen interessant macht – etwa als Supraleiter oder Katalysatoren oder für den Einsatz in der Photovoltaik. Halogenide und Oxide dieses Strukturtyps gibt es bislang viele, Nitride jedoch nicht. Obwohl Wissenschaftler von Ruddlesden-Popper-Nitriden herausragende Materialeigenschaften erwarteten, gelang es ihnen nicht, diese herzustellen.
Nun haben Forscher um Dr. Simon Kloß vom Department Chemie der LMU einen speziellen Syntheseweg entwickelt, mit dem sie Nitridmaterialien herstellen konnten, die im Ruddlesden-Popper-Strukturtyp kristallisieren. Die Studie ist veröffentlicht im Journal Naturchemie.
Stabilität des Stickstoffs stellte eine Herausforderung dar
Die Stabilität der Dreifachbindung im Stickstoffmolekül (N2) und die geringe Elektronenaffinität des Elements machten es für die Chemiker zu einer großen Herausforderung, die stickstoffreichen Ruddlesden-Popper-Nitride herzustellen. Der Durchbruch gelang ihnen, indem sie die Synthesen unter extremen Bedingungen durchführten.
Mithilfe großvolumiger Pressen komprimierten sie ihre Proben bei einem Druck von 8 Gigapascal, was 80.000 Bar entspricht. Anschließend verwendeten sie eine aktive Stickstoffquelle wie Natriumazid, um die Seltenerd-Übergangsmetallnitridverbindungen herzustellen.
„Wir glauben, dass wir mit unserer neuen Synthesestrategie Ruddlesden-Popper-Nitride systematisch untersuchen können“, sagt Kloß. Das zeigten die Wissenschaftler anhand von drei neuen Verbindungen dieser Materialklasse – einem Cer-Tantal-Nitrid (Ce2TaN4) sowie Praseodym- und Neodym-Rhenium-Nitriden (Ln2ReN4 (Ln = Pr, Nd)).
„Bereits diese drei Ausgangsmaterialien weisen eine große Vielfalt an strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften auf“, sagt Kloß.
Die Praseodym- und Neodymverbindungen zeigten spannende magnetische Eigenschaften. So ist die Neodymverbindung beispielsweise ein bemerkenswert harter Ferromagnet mit irreversiblem magnetischem Verhalten. Darüber hinaus ist die Tantalverbindung ein Halbleiter mit Eigenschaften, die sie für Anwendungen im Bereich der Energieumwandlung oder als ferroelektrisches Material interessant machen.
„Mit der gleichen Synthesemethode lassen sich vermutlich auch weitere Ruddlesden-Popper-Nitridverbindungen und deren Derivate herstellen“, erklärt Kloß. „Damit wartet eine große neue Klasse von Nitriden darauf, erforscht zu werden.“
Mehr Informationen:
M. Weidemann et al, Hochdrucksynthese von Ruddlesden–Popper Nitriden, Naturchemie (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01558-1