Hvornår dirigerer en dirigent ikke? Skift af en 2D metal-organisk ramme fra en isolator til et metal
En australsk ledet undersøgelse har fundet usædvanlig isoleringsadfærd i et nyt atomisk tyndt materiale – og evnen til at tænde og slukke for det.
Materialer, der har stærke interaktioner mellem elektroner, kan vise usædvanlige egenskaber, såsom evnen til at fungere som isolatorer, selv når de forventes at lede elektricitet. Disse isolatorer, kendt som Mott-isolatorer, opstår, når elektroner bliver frosset på grund af stærk frastødning, de føler fra andre elektroner i nærheden, hvilket forhindrer dem i at føre en strøm.
Ledet af FLEET ved Monash University, en ny undersøgelse, offentliggjort i denne uge i Nature Communications , har demonstreret en Mott-isoleringsfase inden for en atomisk tynd metal-organisk ramme (MOF), og evnen til kontrollerbart at skifte dette materiale fra en isolator til en leder. Dette materiales evne til at fungere som en effektiv "switch" gør det til en lovende kandidat til anvendelse i nye elektroniske enheder såsom transistorer.
Elektroninteraktioner skrevet i stjernerne
Det atomare tynde (eller 2D) materiale i hjertet af undersøgelsen er en type MOF, en klasse af materialer sammensat af organiske molekyler og metalatomer.
"Takket være alsidigheden af supramolekylær kemi tilgange - især anvendt på overflader som substrater - har vi et næsten uendeligt antal kombinationer til at konstruere materialer nedefra og op med atomær skala præcision," forklarer den tilsvarende forfatter A/Prof Schiffrin. "I disse tilgange bruges organiske molekyler som byggesten. Ved omhyggeligt at vælge de rigtige ingredienser kan vi justere MOF'ernes egenskaber."
Den vigtige skræddersyede egenskab ved MOF i denne undersøgelse er dens stjerneformede geometri, kendt som en kagome-struktur. Denne geometri øger indflydelsen af elektron-elektron-interaktioner, hvilket direkte fører til realiseringen af en Mott-isolator.
Tænd-sluk-kontakten:Elektronpopulation
Forfatterne konstruerede den stjerneformede kagome MOF ud fra en kombination af kobberatomer og 9,10-dicyanoanthracene (DCA) molekyler. De dyrkede materialet på et andet atomisk tyndt isolerende materiale, hexagonal bornitrid (hBN), på en atomisk flad kobberoverflade, Cu(111).
"Vi målte de strukturelle og elektroniske egenskaber af MOF på atomskala ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi og spektroskopi," forklarer hovedforfatter Dr. Benjamin Lowe, som for nylig afsluttede sin Ph.D. med FLÅDE. "Dette gjorde det muligt for os at måle et uventet energigab - kendetegnende for en isolator."
Forfatternes mistanke om, at det eksperimentelt målte energigab var en signatur af en Mott-isoleringsfase, blev bekræftet ved at sammenligne eksperimentelle resultater med dynamiske middelfeltteori-beregninger.
"Den elektroniske signatur i vores beregninger viste bemærkelsesværdig overensstemmelse med eksperimentelle målinger og gav afgørende bevis for en Mott-isoleringsfase," forklarer FLEET-alun Dr. Bernard Field, som udførte de teoretiske beregninger i samarbejde med forskere fra University of Queensland og Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University i Japan.
Forfatterne var også i stand til at ændre elektronpopulationen i MOF ved at bruge variationer i det kemiske miljø af hBN-substratet og det elektriske felt under scanningstunnelmikroskopspidsen.
Når nogle elektroner fjernes fra MOF'en, reduceres den frastødning, som de resterende elektroner føler, og de bliver ufrosne - hvilket tillader materialet at opføre sig som et metal. Forfatterne var i stand til at observere denne metalliske fase fra en forsvinden af det målte energigab, når de fjernede nogle elektroner fra MOF. Elektronpopulation er tænd-sluk-kontakten for kontrollerbar Mott-isolator til metalfaseovergange.
Hvad er det næste?
Denne MOF's evne til at skifte mellem Mott-isolator- og metalfaser ved at modificere elektronpopulationen er et lovende resultat, der kunne udnyttes i nye typer elektroniske enheder (for eksempel transistorer). Et lovende næste skridt hen imod sådanne applikationer ville være at gengive disse resultater i en enhedsstruktur, hvor et elektrisk felt påføres ensartet over hele materialet.
Observationen af en Mott-isolator i en MOF, som er let at syntetisere og indeholder rigelige elementer, gør også disse materialer attraktive kandidater til yderligere undersøgelser af stærkt korrelerede fænomener – potentielt inklusive superledning, magnetisme eller spin-væsker.
Flere oplysninger: Benjamin Lowe et al., Local gate control of Mott metal-isolator transition in a 2D metal-organic framework, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47766-8
Journaloplysninger: Nature Communications
Leveret af FLEET
Varme artikler
-
Dip-coating:Hvordan forudsiges tykkelsen af tynde film?Selv med chokolade, det er muligt at måle belægningstykkelsen på en stang, eller på en finger. Kredit:ESPCI Paris Nedsænkningsmetoden til påføring af en belægning på et objekt udgør en central udf -
Skær gennem tågen med laserfokusDr. Mickael Mounaix og Dr. Joel Carpenter. Kredit:University of Queensland Forskning fra University of Queensland har til formål at kontrollere lys i spredningsmaterialer, såsom tåge eller biologi -
Metode til at kontrollere magnetisk adfærd i kvantematerialeFonon-anomalier på tværs af magnetiske faseovergange i MnBi2 Te4 . a Krystalstruktur af MnBi2 Te4 . b Egenforskydninger af A1g (1) og A1g (2) tilstande, med pile, der angiver forskydning af ioner. c, -
Ny metode til at kontrollere qubits kunne fremme kvantecomputereKvantehukommelser lavet af elektron- eller nitrogenspin i NV-centre i diamant, der kan tilgås individuelt af lys og præcist manipuleret af mikrobølger. Kredit:Yokohama National University Kvanteber
- At gå med kaffe er en lidt forstået bedrift af fysik
- En grav med udsigt:Egyptologist genskaber en oplevelse efter døden i VR
- Iransk hackingangreb ramte hospitaler, andre enheder i 43 amerikanske stater
- Forekomst af back-to-back varmebølger, der sandsynligvis vil accelerere med klimaændringer
- Hvordan producerer cheetahs?
- Rene jernkorn er sjældne i universet