Quando um maestro não rege? Mudando uma estrutura metal-orgânica 2D de um isolante para um metal
Variando o ambiente químico da superfície e aplicando campos elétricos da ponta do microscópio de tunelamento de varredura, os autores podem mudar o material de um isolador Mott (com intervalo de energia) para um condutor elétrico (sem intervalo de energia). Crédito:FROTA Um estudo liderado pela Austrália descobriu um comportamento isolante incomum em um novo material atomicamente fino – e a capacidade de ligá-lo e desligá-lo.
Materiais que apresentam fortes interações entre elétrons podem apresentar propriedades incomuns, como a capacidade de atuar como isolantes, mesmo quando se espera que conduzam eletricidade. Esses isoladores, conhecidos como isoladores de Mott, ocorrem quando os elétrons ficam congelados devido à forte repulsão que sentem de outros elétrons próximos, impedindo-os de transportar corrente.
Liderado pela FLEET na Monash University, um novo estudo, publicado esta semana na Nature Communications , demonstrou uma fase isolante de Mott dentro de uma estrutura metal-orgânica (MOF) atomicamente fina e a capacidade de mudar controlavelmente este material de um isolador para um condutor. A capacidade deste material de atuar como um “interruptor” eficiente o torna um candidato promissor para aplicação em novos dispositivos eletrônicos, como transistores.
Interações eletrônicas escritas nas estrelas
O material atomicamente fino (ou 2D) no centro do estudo é um tipo de MOF, uma classe de materiais composta por moléculas orgânicas e átomos metálicos.
"Graças à versatilidade das abordagens da química supramolecular - em particular aplicadas em superfícies como substratos - temos um número quase infinito de combinações para construir materiais de baixo para cima, com precisão em escala atômica", explica o autor correspondente A/Prof Schiffrin. "Nessas abordagens, moléculas orgânicas são usadas como blocos de construção. Ao escolher cuidadosamente os ingredientes certos, podemos ajustar as propriedades dos MOFs."
A importante propriedade personalizada do MOF neste estudo é sua geometria em forma de estrela, conhecida como estrutura kagome. Esta geometria aumenta a influência das interações elétron-elétron, levando diretamente à realização de um isolador Mott.
O material de estrutura metal-orgânica (MOF) usado no estudo revela uma estrutura semelhante a uma estrela (kagome) sob imagens de microscópio de tunelamento de varredura (STM). Crédito:FROTA
O botão liga-desliga:população de elétrons
Os autores construíram o kagome MOF em forma de estrela a partir de uma combinação de átomos de cobre e moléculas de 9,10-dicianoantraceno (DCA). Eles cultivaram o material sobre outro material isolante atomicamente fino, o nitreto de boro hexagonal (hBN), em uma superfície de cobre atomicamente plana, Cu(111).
"Medimos as propriedades estruturais e eletrônicas do MOF em escala atômica usando microscopia de varredura por tunelamento e espectroscopia", explica o autor principal, Dr. Benjamin Lowe, que recentemente concluiu seu doutorado. com FROTA. "Isso nos permitiu medir uma lacuna de energia inesperada - a marca registrada de um isolante."
A suspeita dos autores de que o intervalo de energia medido experimentalmente era uma assinatura de uma fase isolante de Mott foi confirmada pela comparação dos resultados experimentais com cálculos dinâmicos da teoria do campo médio.
"A assinatura eletrônica em nossos cálculos mostrou uma concordância notável com as medições experimentais e forneceu evidências conclusivas de uma fase de isolamento de Mott", explica o ex-aluno do FLEET, Dr. Bernard Field, que realizou os cálculos teóricos em colaboração com pesquisadores da Universidade de Queensland e do Instituto de Okinawa. da Universidade de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia do Japão.
Os autores também conseguiram alterar a população de elétrons no MOF usando variações no ambiente químico do substrato hBN e no campo elétrico sob a ponta do microscópio de tunelamento de varredura.
Quando alguns elétrons são removidos do MOF, a repulsão que os elétrons restantes sentem é reduzida e eles descongelam – permitindo que o material se comporte como um metal. Os autores conseguiram observar esta fase metálica a partir do desaparecimento do intervalo de energia medido quando removeram alguns elétrons do MOF. A população de elétrons é a chave liga-desliga para o isolador Mott controlável para as transições de fase metálica.
O que vem a seguir?
A capacidade deste MOF de alternar entre o isolador de Mott e as fases metálicas, modificando a população de elétrons, é um resultado promissor que poderia ser explorado em novos tipos de dispositivos eletrônicos (por exemplo, transistores). Um próximo passo promissor para tais aplicações seria reproduzir essas descobertas dentro de uma estrutura de dispositivo na qual um campo elétrico é aplicado uniformemente em todo o material.
A observação de um isolador Mott em um MOF que é fácil de sintetizar e contém elementos abundantes também torna esses materiais candidatos atraentes para estudos adicionais de fenômenos fortemente correlacionados - incluindo potencialmente supercondutividade, magnetismo ou líquidos de spin.
