轻量化 | 马克思·普朗克微结构物理研究所调研报告

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更新时间 : 2023-09-21 00:23:44
轻量化|马克思·普朗克微结构物理研究所调研报告

背景    
         中国(德国)研发创新联盟自成立以来,一直努力促进中德两国科技创新交流与合作。在迎来中德两国建交50周年和联盟轻量化专委会成立之际,联盟正式推出《联盟调研》。《联盟调研》通过系统地介绍德国国家科学与工程院(acatech)、马克斯•普朗克学会(MPG)、亥姆霍兹国家研究中心联合会(HGF)、弗劳恩霍夫应用研究促进协会(FhG)和莱布尼茨科学联合会(WGL)五大骨干德国国家科研机构,了解德国创新思维、创新理念、创新技术、创新团队和创新成果,更进一步推进中德两国的科技创新合作。
 
马克思·普朗克微结构物理研究所概览

       马克斯·普朗克微观结构物理研究所成立于1992年,位于德国东部城市哈勒,是德国东部马克斯·普朗克协会的第一个研究所。它部分位于原科学院固体物理与电子显微镜研究所的建筑内。研究所现有两个实验部和一个理论部。
该研究所拥有大量的实验和理论研究项目,重点关注功能新型材料,特别是自旋电子材料和器件、神经形态器件和系统、纳米光子学、拓扑金属和绝缘体。该研究所与来自德国和世界各地(包括欧洲、北美和亚洲)的学术和行业合作伙伴参与了众多合作研究项目。此外,该研究所拥有足够的基础设施,包括最先进的模型车间、电子车间、超级计算机和洁净室,以及各种现代化的实验设施。

 

组织架构      

马克斯·普朗克微观结构物理研究所主要有三个研究部门,分别是:

  1. NISE - Nano-Systems from Ions, Spins and Electrons离子、自旋电子和电子的纳米系统部门

  2. NINIT - Department of Nanophotonics, Integration, and Neural Technology 纳米光子学、集成和神经技术部门

  3. Department of Synthetic Materials and Functional Devices合成材料与功能器件部门

以下是对三个部门的详细介绍:
 

(一)NISE - 离子、自旋电子和电子的纳米系统部门

NISE旨在探索和创造具有奇特特性的材料,这些材料对基础和技术都有影响,特别是那些可以用于新型内存和计算设备和技术的材料。NISE部门项目的一个共同主题是创建具有工程特性的原子工程薄膜材料,重点关注具有涌现特性的界面的异质结构。NISE研究的重点是自旋电子、离子电子和认知材料和设备。这些人造材料是通过使用磁控管和离子束溅射、脉冲激光沉积、分子束外延以及层状二维化合物剥离等技术沉积原子薄膜而制成的。
NISE的研究重点如下:

1.自旋电子学

自旋电子学是一个研究领域,包括在金属、绝缘体和半导体等多种材料中产生、操纵和检测自旋极化电子。最重要的自旋电子材料由人工设计的原子层状磁性薄膜结构组成,具有自旋相关的传输特性。从基础和技术角度来看,使用由电压、温度梯度和/或光学手段产生的自旋极化电荷电流和纯自旋电流来激发和操纵磁矩都具有很大的意义。自旋轨道相互作用是许多热门现象背后的主要驱动机制,包括自旋轨道扭矩、电流驱动的畴壁运动、垂直磁各向异性、自旋霍尔效应、反常和拓扑霍尔效应以及包括斯格明子在内的拓扑磁结构。
2.氧化物及其界面

复杂氧化物表现出各种各样的特性,从绝缘体到金属和超导体,从反铁磁性到铁磁性,从铁电到顺电,等等。通过在不同氧化物的薄膜之间形成异质结构,可以设计出具有单个材料中未见的功能的新型材料。例如磁电现象,其中磁场可以影响铁电行为,或者电场可以控制磁行为。
3.原子工程材料

沉积仅一个原子或一个晶胞厚度的层的实验方法包括物理方法,例如分子束外延、脉冲激光沉积以及磁控管和离子束溅射,以及化学方法,例如原子层沉积和化学气相沉积。模拟此类材料的生长并计算其特性的理论方法足够准确,通过将这些方法与实验结合使用,可能能够让开发具有新颖且与技术相关特性的原子工程材料取得快速进展。原子工程材料支撑着自旋电子学、氧化物电子学、认知设备和室温超导体领域。
4.计算材料发现

从纳米到介观尺度的结构-性能关系的理论建模需要协同使用各种模拟方法。通过电子密度泛函技术的开发和应用,通过量子力学方法研究分子、纳米线或氧化物层等的电子和磁性特性。通过分子动力学和蒙特卡罗技术研究大分子或磁模型系统等较长尺度上的分子排列和性质。更大尺度上的异质结构被映射到场论描述上,并用数值数学工具进行处理。使用不同的技术来连接多个时间和长度尺度,以表征和理解复杂结构的功能。使用此类计算方法来探索和预测新型工程材料的特性是当前备受关注的新兴学科。
5.认知设备和仿生材料

大自然中存在着许多人类尚无法复制的材料,并且具有人类尚无法匹配的特性。这种生物材料和功能本身就为研究制造具有此类特性的材料和制造设备的新方法提供了灵感。该领域中一个非常重要的研究是认知计算设备的开发,该设备可以支持新颖的计算架构,其计算效率比传统的基于充电的设备高一百万倍。

6.拓扑材料

某些具有拓扑特征的材料表现出受对称性保护的新状态。目前研究最多的例子是具有无质量电荷载流子的金属表面或边缘态的拓扑绝缘体。这些状态下载流子的电导率被量子化并免受许多散射机制的影响,否则会降低电导率。利用磁场,新型设备等措施可以控制这些状态。

7.非平衡材料

非平衡条件下材料的性能可能与热平衡条件下材料的性能截然不同。这些“非平衡”材料可以在短时间尺度上通过施加短电场脉冲并使用电或光学探针技术检测其特性来开发。一个典型的例子是皮秒时间尺度上电场对复杂绝缘氧化物的金属化。在较长的时间尺度上,滴流电流可能会导致热效应,从而压倒短时间尺度非平衡态的性质。开发非平衡材料的其他方法包括施加交流偏压、施加冲击波以及使用定时光、电、磁或热脉冲对材料中的特殊模式进行共振激发。

8.室温超导

实现室温超导性有几种可能的途径。例如,类比于铜酸盐族超导体,其母体化合物是一种绝缘材料,当温度降低到尼尔转变温度以下时,该材料显示出向反铁磁态的转变。在一些理论模型中,反铁磁交换耦合的强度与超导态的库珀配对能有关。因此,实现高温超导体的途径之一是复合材料的工程设计,该复合材料表现出大的短程反铁磁交换并且可以支持高密度的超导凝聚体。
 

(二)NINT - 纳米光子学、集成和神经技术部门

NINT的研究将集中于3D多技术微系统。该部门研究的一个主题是将纳米技术引入大脑的设备和系统,以便“将大脑引入纳米技术”。目标是推动计算和神经科学/医学的发展。
NINT主要研究方向是刺激和记录神经元的多技术植入设备、用于3D微显示的集成光子器件以及基于高能效相变材料的电子和光电器件。这些设备可以被视为不同形式的大脑接口和计算组件。代工制造的硅可见光集成光子平台是待开发的核心物理技术。
NINT的研究项目结合了集成光子学、微系统集成、神经生物学和计算的前沿。项目包括了与半导体铸造厂、神经生物学家、工程师、计算机科学家和其他研究人员的多学科和国际合作。

(三)合成材料与功能器件部门

新材料在应对社会挑战和提供新机遇方面发挥着关键作用。例如,清洁能源、清水、环境保护和可持续发展需要新材料的突破性发现和应用。此外,新材料为新兴信息技术、物联网、人工智能等提供了新机遇。
该部门的目标是将基础合成化学与具有新兴现象和特性的精密材料联系起来。研究内容包括新型聚合物的合成方法和设计原理、界面化学和反应、π共轭体系的超分子化学、碳纳米结构和石墨烯纳米带的自下而上合成、二维聚合物和超分子聚合物、二维富碳共轭聚合物、二维晶体、石墨烯和二维材料及其范德华异质结构的电化学剥离。本质上,所有这些奇异的聚合物、碳和混合材料都与电子、离子、自旋和声子强烈耦合,从而能够发现新的化学和物理性质。
该部门另一个研究是解决与可持续信息和能源技术相关的需求和挑战。目标是探索和开发新型多功能电子和光电器件、柔性电子和自旋电子器件。除此以外,该部门也致力于创建新的能量存储和转换设备,特别是通过整合奇异的合成材料和化学。
该部门进行以下研究:

1.合成碳纳米结构

(1)磁性碳(凯库勒与非凯库勒)

由于碳基纳米材料具有比许多无机材料更好的磁性能,例如更低的自旋轨道耦合和更大的自旋相关长度,人们一直致力于在碳基纳米材料中诱导磁性。非凯库勒多环烃(PH)(或纳米石墨烯(NG))属于富碳分子类别,在不留下不成对电子的情况下无法绘制出凯库勒价结构,这使得此类化合物具有固有的磁性,对于探索其基本原理具有吸引力理化性质。该课题组的研究重点是新型非凯库勒分子和开壳层凯库勒PHs及其扩展的0D自旋链和2D自旋晶格的合成,它们表现出独特的电子和磁性特性以及有机电子和自旋电子学的潜在应用。

(2)精密石墨烯纳米带

石墨烯纳米带(GNR)由于其高导电性和可调带隙而被认为是用于制造纳米级电子器件的下一代碳材料。 该课题组关注通过表面辅助或溶液介导的方法合成具有不同拓扑的结构明确的GNR。通过自下而上的有机合成方法对GNR的形状、宽度、长度和边缘结构进行编程,能够对其结构-性能关系获得独特的见解。 溶液的可加工性也是一个重要的考虑因素,需要将它们转移到基板上以实现可靠的器件制造,因此,通过在带状主链中引入曲率/螺旋性或在带状外围安装大体积取代基来合成控制具有增强溶液分散性GNR在考虑范围内。

(3)弯曲/手性纳米石墨烯

弯曲/手性纳米石墨烯(NG)因其特别得分子间堆积、手性光学特性以及由其扭曲构象产生的动态行为而已成为一个重要的研究领域,而这些是传统“平地”所不具备的。 迄今为止,已经建立了两种不同的策略来合成弯曲NG,包括施加非六角环和在分子骨架中引入空间应变。 增加的溶解度、新颖的芳香性、螺旋性、手性和曲率依赖的光电特性是此类纳米碳的关键特征。该研究组研究控制弯曲π共轭体系的几何形状、基态和芳香性,目的是开发用于有机光电子学、手性诱导自旋选择性(CISS)器件和量子计算的新型功能材料。

(4)等电子碳纳米结构

用氮、硼、氧、硫、磷或其组合等杂原子取代sp2-碳框架中的单个或多个碳原子,是在不改变结构骨架的情况下调节其光电性能的有效而独特的途径。此外,所得碳纳米结构的稳定性和芳香性也会受到强烈影响。该研究小组开发新的方法来合成等电子碳纳米结构,并探索其在电子和能源相关领域的新化学和功能。

2.量子手性纳米碳

手性纳米碳由于其奇异的3D结构、固有的手性和有趣的光电特性,特别是其独特的手性诱导自旋选择性(CISS)效应而引起了越来越多的关注。该研究小组研究构建不同的手性纳米碳,例如高阶螺旋烯嵌入纳米石墨烯、扭曲碳纳米带和手性圆柱状碳纳米带,它们可以被视为碳纳米管(CNT)的明确片段。通过开发新型手性纳米碳,来研究手性如何影响有机分子中的光与物质相互作用,以及如何利用这些知识来同时控制电荷、自旋和光。 由于独特的结构可调性和量子传感的特异性,手性纳米碳有潜力成为下一代量子应用的变革性工具。

3.2D 共轭聚合物 (2D CP)

经过数十年对合成线性共轭聚合物的研究,该聚合物在有机场效应晶体管、有机太阳能电池和有机发光二极管等有机电子领域具有显着的应用潜力,二维共轭聚合物(2D CP)最近吸引了越来越多的研究人员研究兴趣为新一代有机半导体材料。2D CPs,以石墨烯和2D p-共轭共价有机骨架为代表,其特征是具有面内π-共轭和规则2D骨架结构的多链线性共轭聚合物。2D CP小组致力于通过有机和聚合物化学合成具有定制光电特性的前所未有的2D共轭聚合物。该课题组致力于建立合理的合成方法,用于在受控反应条件下溶液合成结晶亚乙烯基和芳基连接的2D CP。此外,团队目标是基于各种表征方法探索2D CP前所未有的结构-性能关系。团队还致力于将这些创新材料应用到各种应用中,例如有机电子、自旋电子学、能量存储和转换。

(1)反应方法

亚乙烯基连接的2D CP因其固有的化学稳定性和增强的离域电子结构而引起了越来越多的关注。 然而,结晶亚乙烯基连接的2D CP的合成仍然具有挑战性,因为C=C键形成的可逆性较低,导致动力学控制的无定形多孔聚合物。 所得亚乙烯基连接的2D CP的结晶度还不高,晶粒尺寸仅限于数十纳米。为了实现高度结晶的亚乙烯基连接的二维CP,该课题组深入了解和控制反应动力学以促进可逆性,这对于实现高度结晶的亚乙烯基连接的2D CP至关重要。 课题组还探索了新型二维共轭聚合物的其他合成策略,包括二维聚噻吩、二维聚吡咯等。

(2)2D CP

2D CP的优点是可以通过实施不同的构建块轻松定制结构或拓扑。特别是,具有不同尺寸、对称性、取代基和反应位点的单体的设计极大地影响了2D CP的结构和拓扑。该课题组研究合成具有新型构建块、拓扑或功能的2D CP。

(3)2D CP 的独特属性

线性共轭聚合物已在电子和光电器件中得到了很好的探索。然而,由于电荷的分子间跳跃,它们提供了较低的载流子迁移率。为了克服这些限制,将π共轭扩展到第二维提供了增加其迁移率的合理解决方案。尽管石墨烯具有吸引人的电子特性,但由于缺少能隙,它作为半导体材料仍然无用,因此对于数字电子领域的可能应用来说也是无用的。相比之下,具有完全π共轭结构的合成 2D CP提供了明确的能隙,可以通过有机合成来定制。该课题组研究合成具有定制的氧化还原和/或(光)电子特性的高度共轭的 2D CP,这些特性可以应用于各种应用,例如电子、光电子、自旋电子学、能量存储等。

4.二维聚合物与界面合成

该课题组主要致力于有机二维材料(O2DMs)的开发,是指由共价/非共价键连接的富碳重复单元组成的结晶二维纳米结构,包括合成结晶二维聚合物(2DPs)、二维超分子聚合物( 2DSPs)、单层/多层2D COFs/MOFs等。目的是建立新的化学/合成方法来控制O2DMs的合成,并实现可靠的结构-性能关系和优异的物理和化学性能的描述。

(1)界面合成方法的发展

界面是两种不同物质或一种物质中的两个不同相之间的平坦或弯曲的空间(或相边界)。界面空间的厚度可以从几埃到纳米甚至微米。 这项课题的目标是开发界面作为“自下而上”合成中的关键角色,这有利于指导分子或前体的预组织,以进行后续的O2DM二维聚合。通常,通过键合化学和最重要的控制来探索空气-水(或气-液)、液-液、液-固和气-固(或真空-固)之间界面处的反应,以实现二维聚合。O2DMs的形态和结构。在最新工作中,课题组发现了表面活性剂单层辅助界面合成(SMAIS)方法,用于制备2D聚酰亚胺、2D聚亚胺、2D聚硼酸酯和2D聚吡啶鎓盐等2DP,其厚度和微米可调大小的单个晶域。

(2)O2DMs的合成化学

动态共价反应

探索热力学可逆动态共价反应 (DCR),以在水/液体表面合成结晶 O2DM。DCR允许有机单元的原子精确集成,以创建具有通过共价键连接的长程有序的周期性网络。DCR 的一个关键特征是平衡时热力学控制的产物分布。DCR 的典型例子包括形成亚胺、硼酸酯、酰亚胺和酰胺键。在最近的工作中,通过结合DCR和SMAIS,该课题组成功地实现了域尺寸高达~60μm^2的少层2DP单晶。

不可逆共价反应

目标是探索利用动力学不可逆共价反应(ICR)来合成O2DM。为了实现长程有序和层状晶体,二维聚合将在动力学控制下进行,这依赖于单体在成键之前的预组织。典型的ICR(包含Knoevenagel、Aldol和Horner-Wadsworth-Emmons缩合反应)已经开发出用于溶剂热合成亚乙烯基连接的二维COF的反应,产生具有高化学和热稳定性的完全共轭聚合物材料。另一方面,结构定义的共轭2DP可以通过超高真空条件下的表面乌尔曼耦合来实现。最近,该课题组还通过SMAIS在水表面进行了Katritzky反应和氧化聚合,并分别开发了高结晶带电二维聚吡啶盐和准二维聚苯胺薄膜。

(3)电子、vdWhs和膜的功能

得益于其在分子水平上定制的多孔结构和功能,合成的O2DMs表现出优异的物理和化学性能,使其成为电子、光电子、膜、催化以及能量存储和转换领域最有前途的候选材料。这项课题的目标是设计和合成具有分子精度的新型O2DM,以实现有效的离子/电荷传输。此外,另一个目标是建立结构-性能关系,并探索其在电子(例如场效应晶体管(FET)、传感器、神经形态器件)和光电(例如光电探测器、电致变色器件)器件、范德华器件中的应用异质结构以及电池、燃料电池和渗透发电机中人造皮肤的膜。

5.2D MOFs电子学

二维(2D)π-共轭金属有机框架(2D c -MOFs)是指由具有面内π-延伸共轭的方形平面配合物连接的层状MOFs。它们具有与石墨和其他范德华层堆叠材料相似的结构特征,并且近年来表现出比传统三维(3D)MOFs更高的电导率。根据众多研究表明,2D c -MOFs是一类新兴的层状电子材料。

(1)二维共轭MOFs的化学

首先,该课题组的目标是探索分子设计(配体、金属的类型和几何形状)和材料结构(连接、层堆叠和排列中的氧化还原活性)对二维c-MOFs电荷传输特性的影响。其次,另一个核心问题是如何优化反应条件以追求高结晶度。另一方面,该课题组也探索了多种合成方法来开发2Dc -MOFs,如溶剂热合成、界面辅助合成、表面合成和表面活性剂辅助合成以及CVD合成,使二维c-MOFs具有各种形貌,如块状晶体、超薄纳米片(<5 nm)和单层/多层薄膜。

(2)用于(光)电子学和自旋电子学的2D c-MOFs

自旋电子学可以帮助将基于半导体的信息操作(逻辑)和基于磁性的数据存储(存储器)相结合同一设备中。历史上,自旋相关现象在无机半导体中得到了广泛的研究。然而,由于缺乏配体官能化和结构多样性,完全无机的组合物阻碍了磁性和导电性能的轻松调节。在这方面,(半)导电的2D c-MOFs大有前景,因为可以通过调整其构建块在分子尺度上定制磁性行为,金属中心(自旋载体),甚至填充功能性客体分子或将自由基引入多孔中。为此,该课题的目标是设计和合成用于自旋电子学的2D c-MOFs磁体。

(3)用于电化学能量存储/转换的2D c-MOF

对有效电催化剂的探索推动了电化学能量存储和转换技术的发展,例如燃料电池、水分解和金属空气电池。二维c-MOFs由于独特地结合了同质和异质特征而成为极具吸引力的催化系统:1)将明确且高活性的位点纳入明确且稳定的支架中,确保了优异的催化活性和选择性;2) 多孔指标允许在嵌入的活性位点之间进行充分且可控的质量传递;3)活性位点周围分子定义的催化环境允许通过修饰支架来调整催化反应,并有助于获得对催化机制的基本理解。为了实现高催化性能,本课题的研究重点是设计和合成具有明确活性位点和用于传质的多孔结构的新型2D c-MOFs。

6.能源材料与器件

(1)下一代能源材料

新型碳纳米结构

具有定制结构(例如拓扑缺陷、孔隙率、掺杂剂、形态)的新型碳材料对于各种能源相关应用具有重要意义。该课题组寻求开发结构明确的新型碳纳米结构。研究将探索对碳生长机制的基本理解以及新的物理/化学/电化学特性。

二维氧化还原活性碳富集框架

二维富碳骨架(包括碳共轭金属有机骨架(MOF)和共价有机骨架(COF))由于分子水平上的可设计拓扑、规则的孔隙率、和大的比表面积。这些材料通过将氧化还原活性单体组织成周期性框架结构,为设计和合成新型储能电极提供了绝佳的机会。该课题组研究新框架分子的设计和合成以及对这些分子用于下一代储能技术。

二维材料和范德华异质结构

原子级薄 2D 材料(例如石墨烯、磷烯、MXene、TMD、2D 有机材料)这一大家族共同涵盖了非常广泛的化学和物理性质。不同二维材料之间的范德华相互作用表现出相当大的兼容性,允许灵活组装二维异质结构,从而协同每个构建块的所需特性。该课题组研究开发新型二维材料及其异质结构的可控合成路线、表面/缺陷化学控制、独特/卓越的物理化学性质以及能源应用。

(2)储能

超级电容器和混合离子电容器

超级电容器是一种具有功率功能的储能设备,其功率密度比锂离子电池大一个数量级。混合离子电容器是一种新兴的储能器件,由电池型电极和电容器型电极组成。为了实现高性能超级电容器/混合离子电容器器件,该课题组致力于制造具有大的电化学活化表面、高电导率以及具有高效离子扩散路径的精细器件结构的薄膜电极。

双离子电池

阴离子存储化学提供了使电池阴极具有高电位窗口的可能性(例如,相对于Li + /Li ,平均放电电位> 4.5 V 的阴离子插层石墨)。它为构建大量双离子电池(DIB)开辟了新的应用机会,这与传统的“摇椅”锂离子电池形成鲜明对比。该课题组致力于新型阴离子存储材料的开发、合理的电解质制备和新颖的双离子电池配置设计。

多价金属离子电池

多价金属离子化学为开发具有更高能量密度、更好安全性和更低成本的下一代储能技术提供了可行的途径,因为相应的金属(例如Zn、Mg、Al)可以直接用作理想的多电子氧化还原阳极。多价金属离子电池的主要挑战在于,由于多价金属离子尺寸大且与主体材料的排斥性嵌入强,因此在传统电池材料中存储多价金属离子的难度很大。因此,该课题组的研究工作重点是开发用于容纳多价金属离子的高性能正极材料、缓解缓慢的离子存储动力学问题的创新方法以及高性能电池装置的构建。

功能器件与智能集成

许多尖端技术(例如可穿戴/植入式医疗设备、环境监测、物联网)的发展引发了现代电子产品向小型化、便携式、多功能和高度集成的设备系统发展。传统储能设备(例如,超级电容器和电池)可能不是合适的选择。在这方面,该课题组开发小型化储能器件(微型超级电容器和微型电池)、将多功能性引入储能器件(例如机械灵活性/可拉伸性、传感功能、刺激响应功能)以及构建高度集成的自供电能源系统。

(3)能量转换

电催化氧反应(金属空气电池、燃料电池)

电催化氧反应(OER、ORR)是下一代电化学能量存储和转换技术(例如金属空气电池和燃料电池)的重要过程。由于其地球储量丰富和独特的物理化学性质,富碳纳米材料可以作为催化缓慢氧反应动力学的新型材料和电极。为了在能量存储和转换系统中实现高催化性能,该课题组主要致力于合成新型碳基催化剂,该催化剂具有更高的内在活性和有利于质量传输的多孔结构。

光电化学水分解

由于能量密度高和燃烧产物清洁,氢(H 2)已被普遍认为是未来能量转换和存储装置的有前途的能量载体。共轭聚合物具有可调节的带隙/位置和分子水平上定制的活性中心,是用于能量转换的有吸引力的光电极材料。开发具有小带隙、高光生空穴和电子分离能力以及高活性催化中心的共轭聚合物,为光电化学析氢/析氧反应提供了一条有前途的途径。

纳流体渗透发电

河水和海水之间的渗透能,也称为盐度梯度能或蓝色能,已被认为是有前途的清洁、可再生和不间断的能源。目前,这种全球能源的工业利用主要受到商用离子交换膜性能低下的限制。二维纳米流体通道系统中独特的电解质传输现象开辟了获取渗透能的新途径。该课题组致力于于基于合成二维材料的新型纳米流体膜的设计和构建、离子传输行为的研究以及其在渗透发电中的应用探索。

7.2D 材料剥离和可打印设备

为了评估大块晶体的高质量二维材料,外部刺激控制下的分层至关重要。层状材料的电化学剥离具有高产率、优异的效率、简单的仪器和可扩展性,因此它代表了推进基础研究和工业应用的关键技术。此外,功能化二维材料的溶液加工能力使得能够通过喷墨和3D打印等不同的打印技术。在该部门,研究人员通过在层状晶体中插入离子/分子来探索受控电化学剥离过程、基本物理/化学性质以及新兴二维材料(如黑磷、MXene、半金属和过渡金属二硫属化物)的应用。该部门还旨在为原位功能化建立强大的电化学剥离方法  ,从而通过打印技术增强二维材料的功能及其可加工性。

(四)马克斯·普朗克研究小组/初级研究小组

50 多年来,马克斯·普朗克研究小组一直是支持初级科学家的重要组成部分。他们为博士后提供一流的支持,帮助他们走上科学职业道路。

1.施罗特量子材料与技术实验室

未来量子技术中许多有前景的设备概念都依赖于精心设计的电子接口。该实验室的目标是创建由先进电子光谱引导的此类界面。
该实验室最近的成果有:

  1. 拓扑界面态导致约瑟夫森二极管效应

  2. 手性拓扑半金属中的新费米子

  3. 提取拓扑量子位 InAs/Al 界面处的能带偏移

  4. 假定半金属中的磁性韦尔半金属

      2.Minerva Fast Track Group

Minerva Fast Track Group“自旋轨道电子学”于 2021年10月启动。研究的主要重点是与电子和磁特性相关的自旋轨道驱动输运现象的理论考虑。
自旋电子器件预计比传统半导体器件更节能、更快,并且是非易失性的。该研究团队研究直接在非磁性材料中有效产生自旋电流和自旋极化的机制。这些效应的关键相互作用是自旋轨道耦合,这将自旋电子学的这个子领域命名为自旋轨道电子学。
除了自旋之外,载流子的轨道角动量也有助于磁性。因此,团队还考虑将自旋和轨道矩与电子特性相关的效应,例如埃德尔斯坦效应和手性异常。除了传统的金属和半导体之外,团队还研究拓扑绝缘体和韦尔半金属等拓扑非平凡材料,它们可以表现出独特的自旋轨道电子效应。

预算和收入

马克思·普朗克学会的资金主要来自联邦和州政府的公共资金,2021年这一数字略高于 19.7 亿欧元。还有来自公共或私人赞助商和欧盟的第三方项目资金,以及学会自己从技术转让部门获得的收益。马克斯·普朗克学会的预算补贴由联邦政府和州政府平均分配。

 
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