Todimensionelle organiske gitter til spintroniske og kvanteberegningsapplikationer

Ved at bruge sofistikerede teoretiske værktøjer, A*STAR-forskere har identificeret en måde at konstruere topologiske isolatorer - en ny klasse af spin-aktive materialer - ud fra plane organisk-baserede komplekser snarere end giftige uorganiske krystaller.

Den unikke krystalstruktur af topologiske isolatorer gør dem isolerende overalt, undtagen rundt om deres kanter. Fordi disse materialers ledningsevne er lokaliseret i kvantiserede overfladetilstande, strømmen, der passerer gennem topologiske isolatorer, får særlige egenskaber. For eksempel, det kan polarisere elektronspin i en enkelt orientering - et fænomen, som forskere udnytter til at producere 'spin-kredsløbskoblinger', der genererer magnetiske felter til spintronik uden behov for eksterne magneter.

Mange topologiske isolatorer fremstilles ved gentagne gange at eksfoliere uorganiske mineraler, såsom vismuttellurider eller bismuthselenider, med klæbende tape indtil flad, todimensionelle (2D) ark vises. "Dette giver overlegne egenskaber sammenlignet med bulkkrystaller, men mekanisk eksfoliering har dårlig reproducerbarhed, " forklarer Shuo-Wang Yang fra A*STAR Institute of High Performance Computing. "Vi foreslog at undersøge topologiske isolatorer baseret på organiske koordinationskomplekser, fordi disse strukturer er mere velegnede til traditionel våd kemisk syntese end uorganiske materialer."

Koordinationskomplekser er forbindelser, hvori organiske molekyler kendt som ligander binder symmetrisk omkring et centralt metalatom. Yang og hans team identificerede nye 'form-vedvarende' organiske ligandkomplekser som gode kandidater til deres metode. Disse forbindelser har ligander fremstillet af små, stive aromatiske ringe. Ved at bruge overgangsmetaller til at forbinde disse organiske byggesten til større ringe kendt som 'makrocykler', forskere kan konstruere udvidede 2D-gitre, der har høj ladningsbærermobilitet.

Det er vanskeligt at udpege 2D organiske gitter med ønskelige topologiske isolatoregenskaber, når man kun stoler på eksperimenter. For at forfine denne søgning, Yang og kolleger brugte en kombination af kvanteberegninger og båndstruktursimuleringer til at screene den elektroniske aktivitet af forskellige formfaste organiske komplekser. Holdet ledte efter to nøglefaktorer i deres simuleringer:ligander, der kan delokalisere elektroner i et 2D-plan svarende til grafen og stærk spin-kredsløbskobling mellem centrale overgangsmetalknuder og ligander.

Forskernes nye familie af potentielle organiske topologiske isolatorer har en 2D honeycomb makrocykler indeholdende tri-phenyl ringe, palladium eller platinmetaller, og aminobindingsgrupper. Med lovende kvantetræk og høj teoretisk stabilitet, disse komplekser kan tjene som topologiske isolatorer i den virkelige verden.

"Disse materialer er nemme at fremstille, og billigere end deres uorganiske modstykker, " siger Yang. "De er også velegnede til montering direkte på halvlederoverflader, hvilket gør nanoelektroniske applikationer mere gennemførlige."