Molekylære grænseflader som byggesten til innovative sensorer og datalagringsenheder

Molekylære grænseflader dannet mellem metaller og molekylære forbindelser har et enormt potentiale som byggesten til fremtidige optoelektronik og spin-elektronikenheder. Overgangsmetalphthalocyanin- og porphyrinkomplekser er lovende komponenter til sådanne grænseflader. Forskere ved Forschungszentrum Jülich har sammen med et team af internationale videnskabsmænd arbejdet på at udvikle et modelsystem til at designe sådanne enheder med unikke funktioner og forbedret ydeevne ved at stabilisere og kontrollere spin- og oxidationstilstandene i komplekserne med nanoskala-præcision. De opdagede blandt andet en mekanisme, som i fremtiden kan bruges til at lagre information i porfyriner eller til at udvikle ekstremt følsomme sensorer til at detektere giftig nitrogendioxid.

Nogle af de vigtigste processer i biologiske systemer katalyseres af enzymer indeholdende metalioner, hvor uventet reaktivitet svarer til lave oxidationstilstande. For eksempel er porphyriner, en klasse af farvestofmolekyler, involveret i fotosyntese i planter og ilttransport i røde blodlegemer. Inspireret af deres biologiske funktioner har videnskabsmænd tildelt porphyriner en bred vifte af teknologiske anvendelser. Enhver praktisk anvendelse af disse organometalliske komplekser inden for teknologien kræver imidlertid kontrol i nanometrisk skala af de molekylære egenskaber, der skal udnyttes.

En gruppe videnskabsmænd fra Forschungszentrum Jülich har arbejdet på disse systemer i nogen tid med det formål at finjustere deres elektroniske og magnetiske egenskaber og forstå de mekanismer, der styrer interaktionerne ved grænsefladen. "Vi har taget det første skridt i denne retning ved at koble nikkel-porphyrin med kobber, som er en yderst interaktiv overflade. Denne unikke kombination resulterer i nogle virkelig interessante egenskaber:For eksempel fremmer kobber en betydelig ladningsoverførsel i porphyrin. Desuden er det udløser reduktionen af ​​det centrale metal, nikkel, hvilket bringer dette systems egenskaber tættere på de biologiske systemer, der inspirerede os i første omgang. Som et resultat spekulerede vi på, hvorfor ikke gå endnu længere ved at bruge Ni(I)' er høj reaktivitet?" forklarer Dr. Vitaliy Feyer fra Jülichs Peter Grünberg Institut.

Faktisk er de umættede lavvalens Ni(I)-metalioner ved denne grænseflade tilgængelige til katalyse, og vedhæftningen af ​​aksiale ligander, såsom små diatomiske molekyler, giver mulighed for yderligere at kontrollere oxidations- og spintilstandene. Hvad der så ud til at være en simpel tilgang, har resulteret i spændende opdagelser:For eksempel resulterede udsættelse af den molekylære grænseflade for en lav dosis nitrogendioxid i, at nikkelionen skiftede til en højere spin-tilstand. Selv i et nedgravet flerlagssystem kan den kemisk aktive nikkelion med lav valens funktionaliseres med nitrogendioxid, hvilket giver selektiv tuning af metalcentrets elektroniske egenskaber.

Den aksiale ligandkoordinationsspin-omskiftning ved grænsefladen er en reversibel proces, og den uberørte tilstand kan genoprettes ved den milde annealing af grænsefladen. Mens nikkel fungerer som en reversibel spin-omskifter ved stuetemperatur, er den elektroniske struktur af makrocyklussens rygrad, hvor grænseorbitaler primært er lokaliseret, uændret. "Årsagen til dette er, at porphyrins stærke kontakt med substratet ser ud til at opføre sig som en energimodpart, der forhindrer yderligere geometriske modifikationer forårsaget af den såkaldte overfladetrans-effekt," siger Iulia Cojocariu, Ph.D. studerende ved Peter Grünberg Instituttet. Denne metode er aldrig blevet observeret ved stuetemperatur før og har potentiale til at blive udnyttet i fremtiden til at lagre information i porphyriner eller til at konstruere ekstraordinært følsomme sensorer til at detektere farlige stoffer såsom nitrogendioxid.

Forskningen blev offentliggjort i Small . + Udforsk yderligere

Skræddersy Kondo-effekten, ét molekyle ad gangen