Med hjälp av sofistikerade teoretiska verktyg, A*STAR-forskare har identifierat ett sätt att konstruera topologiska isolatorer-en ny klass av spinnaktiva material-av plana organiska baserade komplex snarare än giftiga oorganiska kristaller.

Den unika kristallstrukturen hos topologiska isolatorer gör dem isolerande överallt, utom runt kanterna. Eftersom ledningsförmågan hos dessa material är lokaliserad i kvantiserade yttillstånd, strömmen som passerar genom topologiska isolatorer får speciella egenskaper. Till exempel, den kan polarisera elektronspinn i en enda orientering - ett fenomen som forskare utnyttjar för att producera ”spin -orbit -kopplingar” som genererar magnetfält för spintronik utan behov av externa magneter.

Många topologiska isolatorer tillverkas genom att upprepade gånger exfoliera oorganiska mineraler, såsom vismuttellurider eller vismutselenider, med tejp tills den är platt, tvådimensionella (2D) blad visas. "Detta ger överlägsna egenskaper jämfört med bulkkristaller, men mekanisk peeling har dålig reproducerbarhet, "förklarar Shuo-Wang Yang från A*STAR Institute of High Performance Computing." Vi föreslog att undersöka topologiska isolatorer baserade på organiska koordinationskomplex, eftersom dessa strukturer är mer lämpliga för traditionell våtkemisk syntes än oorganiska material. "

Koordineringskomplex är föreningar där organiska molekyler som kallas ligander binder symmetriskt runt en central metallatom. Yang och hans team identifierade nya "formbeständiga" organiska ligandkomplex som bra kandidater för deras metod. Dessa föreningar har ligander gjorda av små, styva aromatiska ringar. Genom att använda övergångsmetaller för att länka dessa organiska byggstenar till större ringar som kallas 'makrocykler', forskare kan konstruera förlängda 2D -galler som har hög laddningsbärarmobilitet.

Att hitta 2D organiska gitter med önskvärda topologiska isolatoregenskaper är svårt när man bara förlitar sig på experiment. För att förfina denna sökning, Yang och kollegor använde en kombination av kvantberäkningar och bandstruktursimuleringar för att screena den elektroniska aktiviteten hos olika formbeständiga organiska komplex. Teamet letade efter två nyckelfaktorer i deras simuleringar:ligander som kan delokalisera elektroner i ett 2D -plan som liknar grafen och stark spin -orbit -koppling mellan centrala övergångsmetallnoder och ligander.

Forskarnas nya familj av potentiella organiska topologiska isolatorer har en 2D-bikakemakrocykel som innehåller trifenylringar, palladium- eller platinametaller, och aminolänkande grupper. Med lovande kvantfunktioner och hög teoretisk stabilitet, dessa komplex kan fungera som topologiska isolatorer i verkliga tillämpningar.

"Dessa material är lätta att tillverka, och billigare än deras oorganiska motsvarigheter, "säger Yang." De är också lämpliga för montering direkt på halvledarytor, vilket gör nanoelektroniska applikationer mer genomförbara. "