Nye molekyle-baserede materialer til fremtidens elektronik
Øvelsen har til hensigt at fremstille og karakterisere en metal-organisk polymer forbindelse der udviser både høj elektrisk ledningsevne og magnetisk hukommelse, såkaldt magnetisk hysterese. Sådanne molekylebaserede materialer er nogle af de mest lovende komponenter til fremtidens elektronik der både udnytter elektroners ladning og deres kvantemekaniske spin (spintronik).
Hvad går øvelsen ud på?
Øvelsen har til hensigt at fremstille og karakterisere en metal-organisk polymerforbindelse der udviser både høj elektrisk ledningsevne og magnetisk hukommelse, såkaldt magnetisk hysterese.
Sådanne molekylebaserede materialer er nogle af de mest lovende komponenter til fremtidens elektronik der udnytter både elektroners ladning og deres kvantemekaniske spin (spintronik).
Specifikt vil du i øvelsen benytte kemisk syntese til at fremstille mikrokrystaller af polymere materialer der består af både organiske og uorganiske molekylære byggeklodser. Ved brug af røntgendiffraktion vil du bestemme den præcise atomare struktur af disse materialer (se figur). Du vil ligeledes karakterisere renheden af dit materiale med infrarød-spektroskopi og elementaranalyse.
Du vil bestemme den elektriske ledningsevne af materialet og måle det magnetiske moment som funktion af magnetfeltstyrke (op til 9 Tesla) og ned the lav temperatur (2 Kelvin).
Disse eksperimenter vil belyse under hvilke betingelser dette materiale ville kunne inkorporeres i fremtidige elektroniske komponenter.
Hvordan foregår øvelsen?
Øvelsen foregår over to dage på Institut for Kemi, DTU, under vejledning af professor Kasper S. Pederen og en ph.d.-studerende.
På øvelsens første dag vil du udføre den kemiske syntese af materialet i et kemisk laboratorium (3 timer) og i en såkaldt handskeboks hvor de kemiske komponenter ikke kommer i kontakt med hverken dioxygen eller vand.
Derefter vil du optage et røntgendiffraktogram af dit pulveriserede synteseprodukt. Ved at sammenligne med litteraturdata og brug af Braggs lov vil du strukturbestemme materialet og vurdere produktets renhed (2 timer). Renheden bliver efterfølgende yderligere bekræftet ved hjælp af elementaranalyse af prøvens indhold af C, H og N, og ved analyse af prøvens infrarøde absorptionsspektrum (1 time).
På dag 2 vil du måle den elektriske modstand af din prøve ved stuetemperatur, hvilket sammenlignes med literaturværdier (1,5 time). Slutteligt bestemmes det magnetiske moment af prøven som funktion af både påtrykt magnetfelt og af temperatur, ned til tæt på det absolutte nulpunkt (2 Kelvin; 4,5 time).
Hvilke faciliteter kommer du til at bruge?
- Inert-atmosfære handskeboks
- Røntgenpulverdiffraktogram
- IR-spektrometer
- Elementaranalyseinstrument
- Physical Property Measurement System (magnetometer)
Udviklingen af fremtidens magnetiske materialer til elektronik, men også til vindmøller og elektriske biler, hvor magneter er kritisk nødvendige, men dårligt kan fremstilles uden brug af sjældne og dyre grundstoffer.
Øvelsen foregår over to dage på Institut for Kemi, DTU, under vejledning af professor Kasper S. Pederen og en ph.d.-studerende.
På øvelsens første dag vil du udføre den kemiske syntese af materialet i et kemisk laboratorium (3 timer) og i en såkaldt handskeboks hvor de kemiske komponenter ikke kommer i kontakt med hverken dioxygen eller vand.
Derefter vil du optage et røntgendiffraktogram af dit pulveriserede synteseprodukt. Ved at sammenligne med litteraturdata og brug af Braggs lov vil du strukturbestemme materialet og vurdere produktets renhed (2 timer).
Renheden bliver efterfølgende yderligere bekræftet ved hjælp af elementaranalyse af prøvens indhold af C, H og N, og ved analyse af prøvens infrarøde absorptionsspektrum (1 time).
På dag 2 vil du måle den elektriske modstand af din prøve ved stuetemperatur, hvilket sammenlignes med literaturværdier (1,5 time).
Slutteligt bestemmes det magnetiske moment af prøven som funktion af både påtrykt magnetfelt og af temperatur, ned til tæt på det absolutte nulpunkt (2 Kelvin; 4,5 time).
Du får alle optagede data med hjem.
Det indbefatter røntgendiffraktionsdata (intensitet vs spredningsvinkel), elementaranalysedata (masseprocenter af C, H, N), IR-absorptionsspektre (transmittans vs bølgetal), samt magnetisk moment (vs. magnetfeltstyrke, temperatur).
Når du har tilmeldt dig, vil du få besked, hvis der er litteratur, du skal læse som forberedelse til øvelsen.
Relevante gymnasiefag
- Fysik: Røntgendiffraktion, magnetisme, elektrisk ledningsevne, kvantemekanik.
- Kemi: Uorganisk kemi, kemisk syntese, analytisk kemi, spektroskopi.
Kan kombineres med:
- Fysik
- Kemi
- Teknologi
Faglige nøgleord
- Kemisk syntese
- Røntgendiffraktion
- Spektroskopi
- Magnetisme
- Kvantemekanik