Forskare vid IMDEA Nanociencia, Universidad Autónoma de Madrid och Universidad Complutense de Madrid har presenterat en ny strategi för att tillverka kvasimetalliska 1-D-polymerer med atomär precision, i samarbete med The Czech Academy of Science, EMPA (Zürich, Schweiz) och RCATM (Olomouc, Tjeckien). Denna undersökning främjar möjligheten att designa stabila organiska polymerer med försvinnande elektroniska bandgap med tillämpningar som inkluderar molekylär optoelektronik och kvantinformationsteknologi.

Organiska (syntetiska) metaller väckte stor uppmärksamhet under de sista decennierna av förra seklet på grund av deras tänkta futuristiska tillämpningar och överkomliga kostnader. Detta område förstärktes av de tidiga framstegen inom polyacetylenpolymerer, som uppvisade hög ledningsförmåga vid dopning och öppnade en ny väg mot organisk elektronik och Nobelpriset för deras upptäckare. Dock, forskare fann att dopämnen äventyrade polymerernas stabilitet, vilket minskar deras tillämpningar som syntetiska metaller i verkliga enheter.

Ur en teoretisk synvinkel, tidiga ansträngningar att förstå de grundläggande processerna i modellens trans-polyacetyensystem resulterade i Su-Shrieffer-Heeger (SSH) modellen. Teorin avslöjade att resonansformen som antogs av polymeren, som härrör från konjugering av pi-elektroner (pi-konjugation), kan ändra materialets elektroniska klass på ett oväntat sätt.

Topologisk bandteori klassificerar gapade material genom att matematiskt studera deras bandstruktur i isolatorer och topologiska icke-triviala isolatorer. I SSH-modellen, en resonansform beter sig som en normal isolator, medan den andra resonansformen är en topologisk icke-trivial 1-D isolator, dvs. ett mellanrumsmaterial med kanttillstånd i mellanrum. Således, en korsning av resonansform kan ändra den topologiska klassen för en polymer. Men polyacetylen, i någon av dess resonansformer, är ett gapat material. Som ett resultat, denna polymer kan endast öka sin ledningsförmåga genom att vara kemiskt eller elektrokemiskt dopad.

Således, frågan är om forskare kan konstruera 1-D organiska inre metaller. För att svara på denna fråga, forskare måste komma tillbaka till rötterna av topologisk bandteorin, som säger att övergången mellan två mellanrum måste ske genom att bandgapet stängs, dvs. genom ett metalliskt tillstånd. Således, om forskare kunde konstruera en familj av kemiska material och skräddarsy topologin för dess band genom att justera den kemiska strukturen, det skulle kunna bli möjligt att approximera eller till och med lokalisera materialet vid den topologiska övergångspunkten.

I den aktuella studien som rapporteras i tidskriften Naturens nanoteknik , forskarna utarbetade en kombinerad experimentell-teoretisk undersökning som överbryggar områdena topologisk bandteori (fasta tillståndets fysik) och pi-elektronkonjugation (organisk kemi) för att ge upphov till kvasimetalliska organiska polymerer.

"För första gången, vi kan observera med skanningssondmikroskopi sambandet mellan den topologiska klassen och resonansformen av en polymer, banar väg för att konstruera nya elektroniska materialklasser, inklusive inneboende organiska metaller och endimensionella topologiska icke-triviala isolatorer, " säger Prof. Ecija.

"För att illustrera sådana begrepp, vi förlitade oss på kraften hos organisk syntes för att framställa lämpliga molekylära prekursorer, och vi litade på kemi på ytan för att driva konstruktionen av polymererna genom en aldrig tidigare skådad reaktion", säger Prof. Martín.

Först, en ny familj av acenpolymerer, klassificeras efter antalet bensenenheter i ryggraden (n=1, 2, 3...), identifieras för att genomgå en diskret topologisk övergång. För litet n (n <5), polymerer är i den triviala fasen, medan för stort n (n> 5) är icke-triviala, identifiera gränsen nära 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. Dessutom, 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. Således, there is a crossover between the resonant forms, which corresponds to the topological band transition.

In summary, 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.