Organisk-uorganiske heterostrukturer med programmerbare elektroniske egenskaber

Forskere fra University of Strasbourg &CNRS (Frankrig), i samarbejde med universitetet i Mons (Belgien), Max Planck Institute for Polymer Research (Tyskland) og Technische Universität Dresden (Tyskland), har udtænkt en ny supramolekylær strategi til at introducere justerbare 1D periodiske potentialer ved selvsamling af ad hoc organiske byggesten på grafen, åbner vejen for realisering af hybride organisk-uorganiske flerlagsmaterialer med unikke elektroniske og optiske egenskaber. Disse resultater er offentliggjort i Naturkommunikation .

Lodrette stakke af forskellige todimensionelle (2-D) krystaller, såsom grafen, bornitrid, etc., holdt sammen af ​​svage van der Waals kræfter omtales almindeligvis som "van der Waals heterostrukturer." Sådanne sofistikerede flerlagsstrukturer kan bruges som en alsidig platform til undersøgelse af forskellige fænomener på nanoskala. I særdeleshed, mekanisk overlejring af 2-D-krystallerne genererer 2-D periodiske potentialer, som bibringer systemet ukonventionelle fysiske og kemiske egenskaber.

Her anvendte et hold europæiske forskere en supramolekylær tilgang til at danne selvsamlede organiske molekylære gitter med en kontrolleret geometri og atomær præcision oven på grafen, inducering af 1D periodiske potentialer i de resulterende organisk-uorganiske hybride heterostrukturer. Til det formål, molekylære byggesten blev omhyggeligt designet og syntetiseret. De er udstyret med (i) en lang alifatisk hale, styre selvsamlingen og potentialets periodicitet, og (ii) en fotoreaktiv diazirinhovedgruppe, hvis dipolmoment modulerer overfladepotentialet af det underliggende grafenark. Ved bestråling med ultraviolet (UV) lys før aflejring på grafen, diazirindelen spaltes, og der dannes en reaktiv carbenart. Sidstnævnte er tilbøjelig til at reagere med opløsningsmiddelmolekyler, fører til en blanding af nye forbindelser med forskellige funktionaliteter.

Scanning tunneling mikroskop (STM) billeddannelse blev brugt til at karakterisere nanoskala arrangementet af de supramolekylære gitter dannet på grafit og grafen overflader, som bestemmer periodiciteten og geometrien af ​​de inducerede potentialer. Elektrisk karakterisering blev derefter udført på grafen-baserede felteffekt-enheder for at vurdere effekten af ​​de forskellige selvsamlede organiske lag på de elektriske egenskaber af 2-D-materialet. Beregningssimuleringer gjorde det muligt at optrevle interaktionerne mellem den molekylære samling med grafen; en teoretisk analyse bekræftede yderligere, at oprindelsen af ​​dopingeffekterne fuldt ud kan tilskrives orienteringen af ​​elektriske dipoler i hovedgrupperne. Endelig, et periodisk potentiale med samme geometri men en anden intensitet kunne genereres fra et supramolekylært gitter fremstillet efter UV-bestråling af den molekylære byggesten i et andet opløsningsmiddel.

På denne måde forskerne formåede at påvise, at organiske supramolekylære gitter er egnede til at skabe kontrollerbare 1D periodiske potentialer på overfladen af ​​grafen. Interessant nok, periodiciteten, amplitude og tegn på de inducerede potentialer kan forprogrammeres og justeres ved omhyggeligt molekylært design. Denne bottom-up supramolekylære tilgang kan udvides og anvendes til andre uorganiske 2-D materialer såsom overgangsmetal dichalcogenider, baner vejen for mere komplekse flerlags van der Waals heterostrukturer. Disse resultater er af stor betydning for realiseringen af ​​organisk-uorganiske hybridmaterialer med kontrollerbare strukturelle og elektroniske egenskaber med hidtil usete elektriske, magnetiske, piezoelektriske og optiske funktioner.