Forskare vid universiteten i Jyväskylä (Finland) och Xiamen (Kina) har upptäckt ett nytt sätt att göra funktionella makroskopiska kristallina material av nanometerstora 34-atomers silver-guld intermetalliska kluster. Klustermaterialet har en mycket anisotrop elektrisk ledningsförmåga, vara en halvledare i en riktning och en elektrisk isolator i andra riktningar. Syntes av materialet och dess elektriska egenskaper undersöktes i Xiamen och den teoretiska karakteriseringen av materialet utfördes i Jyväskylä. Forskningen publicerades online i Naturkommunikation den 6 maj, 2020.

Metallklustren syntetiserades med hjälp av våtkemi, tillsats av guld- och silversalter och etynyladamantanmolekyler i en blandning av metanol och antingen kloroform eller diklormetan. Alla synteser producerade samma 34-atomiga silver-guldkluster med en identisk atomstruktur, men överraskande, användningen av diklormetan/metanollösningsmedel initierade en polymerisationsreaktion efter klusterbildning i lösning och tillväxt av människohårtjocka enkristaller bestående av inriktade polymerkedjor i klustren.

Kristallerna uppförde sig som ett halvledande material i polymerens riktning och som en elektrisk isolator i tvärriktningarna. Detta beteende uppstår från metall-metall-atombindning i polymerriktningen medan metallklustren i tvärriktningarna är isolerade från varandra av ett skikt av etynyladamantan.

Teoretisk modellering av klustermaterialet genom datorintensiva simuleringar med densitetsfunktionella teorin förutspådde att materialet har ett energigap på 1,3 eV för elektroniska excitationer. Detta bekräftades av mätningar av optisk absorption och elektrisk ledningsförmåga i en layout där enkristaller vi monterade som en del av en fälteffekttransistor, som visade en p-typ halvledaregenskap hos materialet. Elektrisk ledningsförmåga längs polymerriktningen var cirka 1800 gånger jämfört med tvärriktningarna.

"Vi blev ganska förvånade över observationen att polymerbildningen kan kontrolleras med enkla medel för att förändra lösningsmedelsmolekylerna. Vi upptäckte detta förmodligen med lycka, men vi hoppas att detta resultat kan tillämpas i framtiden för att designa hierarkiska nanostrukturerade material med önskad funktionalitet, säger professor Nanfeng Zheng från Xiamen University, som ledde det experimentella arbetet.

"Detta arbete visar ett intressant exempel på hur makroskopiska materialegenskaper kan utformas i syntesen av nanomaterial nerifrån och upp. Teoretisk modellering av detta material var ganska utmanande på grund av en storskalig modell som vi var tvungna att bygga för att ta hänsyn till den korrekta periodiciteten av polymerkristallen. För detta ändamål, vi hade stor nytta av att ha tillgång till några av de största superdatorerna i Europa, " säger akademiprofessor Hannu Hakkinen från universitetet i Jyväskylä, som ledde det teoretiska arbetet.