Teknik til fremstilling af funktionelle materialer baseret på polymerer af metalklynger

Forskere ved universiteterne i Jyvaskyla (Finland) og Xiamen (Kina) har opdaget en ny måde at lave funktionelle makroskopiske krystallinske materialer ud af nanometer-størrelse 34-atom sølv-guld intermetalliske klynger. Klyngematerialet har en stærkt anisotropisk elektrisk ledningsevne, være en halvleder i én retning og en elektrisk isolator i andre retninger. Syntese af materialet og dets elektriske egenskaber blev undersøgt i Xiamen, og den teoretiske karakterisering af materialet blev udført i Jyvaskyla. Undersøgelsen blev offentliggjort online i Naturkommunikation den 6. maj, 2020.

Metalklyngerne blev syntetiseret ved hjælp af våd kemi, tilsætning af guld- og sølvsalte og ethynyladamantan-molekyler i en blanding af methanol og enten chloroform eller dichlormethan. Alle synteser producerede de samme 34-atomer sølv-guld klynger med en identisk atomstruktur, men overraskende nok anvendelsen af ​​dichlormethan/methanol-opløsningsmiddel igangsatte en polymerisationsreaktion efter klyngedannelse i opløsning og vækst af menneskehårtykke enkeltkrystaller bestående af opstillede polymere kæder af klyngerne.

Krystallerne opførte sig som et halvledende materiale i retning af polymeren og som en elektrisk isolator i tværretningerne. Denne adfærd opstår fra metal-metal-atombinding i polymerretningen, mens metalklyngerne i tværretningerne er isoleret fra hinanden af ​​et lag af ethynyladamantan.

Teoretisk modellering af klyngematerialet ved computerintensive simuleringer ved hjælp af tæthedsfunktionsteorien forudsagde, at materialet har et energigab på 1,3 eV for elektroniske excitationer. Dette blev bekræftet af målinger af optisk absorption og elektrisk ledningsevne i et layout, hvor enkeltkrystaller vi monterede som en del af en felteffekttransistor, som viste en p-type halvlederegenskab ved materialet. Elektrisk ledningsevne langs polymerretningen var omkring 1800 gange sammenlignet med tværretningerne.

"Vi var ret overraskede over observationen af, at polymerdannelsen kan kontrolleres ved hjælp af simple midler til at ændre opløsningsmiddelmolekylerne. Det opdagede vi sandsynligvis med held, men vi håber, at dette resultat kan anvendes i fremtiden til at designe hierarkiske nanostrukturerede materialer med ønsket funktionalitet, " siger professor Nanfeng Zheng fra Xiamen University, der ledede det eksperimentelle arbejde.

"Dette arbejde viser et interessant eksempel på, hvordan makroskopiske materialeegenskaber kan designes i bottom-up syntesen af ​​nanomaterialer. Teoretisk modellering af dette materiale var ret udfordrende på grund af en storskalamodel, vi skulle bygge for at tage højde for den korrekte periodicitet af polymerkrystallen. Til dette formål vi havde stor gavn af at have adgang til nogle af de største supercomputere i Europa, " siger akademiprofessor Hannu Hakkinen fra Jyvaskyla Universitet, der ledede det teoretiske arbejde.