En australiensiskt ledd studie har hittat ovanligt isolerande beteende i ett nytt atomärt tunt material – och förmågan att slå på och av det.
Material som har starka interaktioner mellan elektroner kan uppvisa ovanliga egenskaper såsom förmågan att fungera som isolatorer även när de förväntas leda elektricitet. Dessa isolatorer, kända som Mott-isolatorer, uppstår när elektroner fryser på grund av stark avstötning de känner från andra elektroner i närheten, vilket hindrar dem från att bära en ström.
Leds av FLEET vid Monash University, en ny studie, publicerad denna vecka i Nature Communications , har visat en Mott-isoleringsfas inom ett atomärt tunt metall-organiskt ramverk (MOF), och förmågan att kontrollerat byta detta material från en isolator till en ledare. Detta materials förmåga att fungera som en effektiv "switch" gör det till en lovande kandidat för tillämpning i nya elektroniska enheter såsom transistorer.
Det atomärt tunna (eller 2D) materialet i kärnan av studien är en typ av MOF, en klass av material som består av organiska molekyler och metallatomer.
"Tack vare mångsidigheten hos supramolekylära kemimetoder - i synnerhet applicerade på ytor som substrat - har vi ett nästan oändligt antal kombinationer för att konstruera material nerifrån och upp, med precision i atomär skala", förklarar motsvarande författare A/Prof Schiffrin. "I dessa tillvägagångssätt används organiska molekyler som byggstenar. Genom att noggrant välja rätt ingredienser kan vi justera egenskaperna hos MOF."
Den viktiga skräddarsydda egenskapen hos MOF i denna studie är dess stjärnformade geometri, känd som en kagome-struktur. Denna geometri förstärker inflytandet av elektron-elektron-interaktioner, vilket direkt leder till förverkligandet av en Mott-isolator.
På/av-brytaren:Elektronpopulation
Författarna konstruerade den stjärnformade kagomen MOF från en kombination av kopparatomer och 9,10-dicyanoantracene (DCA) molekyler. De odlade materialet på ett annat atomärt tunt isolerande material, hexagonal bornitrid (hBN), på en atomärt plan kopparyta, Cu(111).
"Vi mätte de strukturella och elektroniska egenskaperna hos MOF i atomär skala med hjälp av scanning tunneling mikroskopi och spektroskopi", förklarar huvudförfattaren Dr Benjamin Lowe, som nyligen avslutade sin doktorsexamen. med FLEET. "Detta gjorde det möjligt för oss att mäta ett oväntat energigap - kännetecknet för en isolator."
Författarnas misstanke om att det experimentellt uppmätta energigapet var en signatur för en Mott-isoleringsfas bekräftades genom att jämföra experimentella resultat med dynamiska medelfältsteoretiska beräkningar.
"Den elektroniska signaturen i våra beräkningar visade en anmärkningsvärd överensstämmelse med experimentella mätningar och gav avgörande bevis för en Mott-isoleringsfas", förklarar FLEET-alun Dr Bernard Field, som utförde de teoretiska beräkningarna i samarbete med forskare från University of Queensland och Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University i Japan.
Författarna kunde också ändra elektronpopulationen i MOF genom att använda variationer i den kemiska miljön för hBN-substratet och det elektriska fältet under scanningstunnelmikroskopets spets.
När vissa elektroner tas bort från MOF, reduceras avstötningen som de återstående elektronerna känner och de blir ofrusta - vilket gör att materialet kan bete sig som en metall. Författarna kunde observera denna metalliska fas från att det uppmätta energigapet försvann när de tog bort några elektroner från MOF. Elektronpopulationen är på/av-brytaren för kontrollerbara fasövergångar från Mott-isolator till metall.
Förmågan hos denna MOF att växla mellan Mott-isolator- och metallfaser genom att modifiera elektronpopulationen är ett lovande resultat som skulle kunna utnyttjas i nya typer av elektroniska enheter (till exempel transistorer). Ett lovande nästa steg mot sådana tillämpningar skulle vara att återskapa dessa resultat inom en enhetsstruktur där ett elektriskt fält appliceras enhetligt över hela materialet.
Observationen av en Mott-isolator i en MOF som är lätt att syntetisera och som innehåller rikligt med element gör också dessa material till attraktiva kandidater för vidare studier av starkt korrelerade fenomen – potentiellt inklusive supraledning, magnetism eller spinnvätskor.
Mer information: Benjamin Lowe et al, Local gate control of Mott metal-isolator transition in a 2D metal-organic framework, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47766-8
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av FLEET
