Forskere udvikler metalliske polymerer ved at udnytte topologisk orden og π-konjugation

Forskere på IMDEA Nanociencia, Universidad Autónoma de Madrid og Universidad Complutense de Madrid har præsenteret en ny strategi til at fremstille kvasi-metalliske 1-D polymerer med atomær præcision, i samarbejde med Det Tjekkiske Videnskabsakademi, EMPA (Zürich, Schweiz) og RCATM (Olomouc, Tjekkiet). Denne undersøgelse fremmer muligheden for at designe stabile organiske polymerer med forsvindende elektroniske båndgange med applikationer, der omfatter molekylær optoelektronik og kvanteinformationsteknologi.

Organiske (syntetiske) metaller tiltrak meget opmærksomhed i de sidste årtier af det sidste århundrede på grund af deres forudsete futuristiske anvendelser og overkommelige omkostninger. Dette felt blev styrket af de tidlige fremskridt inden for polyacetylenpolymerer, som udviste høj ledningsevne ved doping og åbnede en ny vej mod organisk elektronik og Nobelprisen for deres opdagere. Imidlertid, videnskabsmænd fandt ud af, at dopingmidler kompromitterede polymerernes stabilitet, dermed reducere deres anvendelser som syntetiske metaller i rigtige enheder.

Fra et teoretisk synspunkt, tidlige bestræbelser på at forstå de grundlæggende processer i modellens trans-polyacetyen-system resulterede i Su-Shrieffer-Heeger (SSH) modellen. Teorien afslørede, at den resonansform, som polymeren antog, som stammer fra konjugationen af ​​pi-elektroner (pi-konjugation), kan ændre materialets elektroniske klasse på en uventet måde.

Topologisk båndsteori klassificerer gappede materialer ved matematisk at studere deres båndstruktur i isolatorer og topologiske ikke -private isolatorer. I SSH-modellen, en resonansform opfører sig som en normal isolator, der henviser til, at den anden resonansform er en topologisk ikke-privat 1-D-isolator, dvs. et spaltet materiale med in-gab kanttilstande. Dermed, en krydsning af resonansform kan ændre den topologiske klasse af en polymer. Men polyacetylen, i enhver af dens resonansformer, er et spaltet materiale. Som resultat, denne polymer kan kun øge dens ledningsevne ved at være kemisk eller elektrokemisk dopet.

Dermed, spørgsmålet er, om forskere kan konstruere 1-D organiske iboende metaller. For at besvare dette spørgsmål, videnskabsmænd skal vende tilbage til rødderne af topologisk båndteori, som siger, at overgangen mellem to gabede materialer skal forløbe gennem lukning af båndgabet, dvs. gennem en metallisk tilstand. Dermed, hvis forskere kunne konstruere en familie af kemiske materialer og skræddersy topologien af ​​dens bånd ved at justere den kemiske struktur, det kunne blive muligt at tilnærme eller endda lokalisere materialet ved det topologiske overgangspunkt.

I den aktuelle undersøgelse rapporteret i tidsskriftet Natur nanoteknologi , forskerne udtænkte en kombineret eksperimentel-teoretisk undersøgelse, der byggede bro mellem områderne topologisk båndteori (faststoffysik) og pi-elektronkonjugation (organisk kemi) for at give anledning til kvasi-metalliske organiske polymerer.

"For første gang, vi kan observere med scanning probe mikroskopi forbindelsen mellem den topologiske klasse og resonansformen af ​​en polymer, baner veje for at udvikle nye elektroniske klasser af materialer, herunder iboende organiske metaller og endimensionelle topologiske ikke-trivielle isolatorer, " siger prof. Ecija.

"For at illustrere sådanne begreber, vi stolede på kraften i organisk syntese til at fremstille passende molekylære prækursorer, og vi stolede på kemi på overfladen for at drive konstruktionen af ​​polymererne gennem en hidtil uset reaktion," siger prof. Martín.

Først, en ny familie af acenpolymerer, klassificeret efter antallet af benzenenheder i deres rygrad (n=1, 2, 3...), er identificeret til at gennemgå en diskret topologisk overgang. For lille n (n <5), polymerer er i den trivielle fase, mens for stort n (n> 5) er ikke-trivielle, identifikation af grænsen tæt på n =5 (pentacenpolymer).

The different polymers are fabricated with atomic precision on top of gold substrates implementing ultimate on-surface synthesis approaches, tuning the topology and the electronic properties of the resulting polymers at will. "According to our theoretical prediction, the pentacene polymer is located in nontrivial topological phase very close to the topological boundary with very small gap, " says Jelinek. Indeed, experimental measurements revealed their quasi-metallic behavior with 0.35 eV experimental band gap and the presence of in-gap topological edge states.

Authors generalize the concept by extending it to the polymer family of periacenes, achieving band gaps as low as 0.3 eV for bisanthene polymers, which are located close to the topological transition. Derudover the different resonant forms of the pi-system can be identified, demonstrating an ethynylene-bridged aromatic nature for the trivial polymers, whereas locating a cumulene-linked p-quinoid resonant form for the nontrivial wires. Dermed, there is a crossover between the resonant forms, which corresponds to the topological band transition.

Sammenfattende, this work serves both as a proof of the intimate relation between resonant form and topological class, while offering a new tool to produce stable organic intrinsic metals by designing polymers at the exact topological boundary.