Un estudio dirigido por Australia ha descubierto un comportamiento aislante inusual en un nuevo material atómicamente delgado y la capacidad de encenderlo y apagarlo.
Los materiales que presentan fuertes interacciones entre electrones pueden mostrar propiedades inusuales, como la capacidad de actuar como aislantes incluso cuando se espera que conduzcan electricidad. Estos aislantes, conocidos como aisladores de Mott, se producen cuando los electrones se congelan debido a la fuerte repulsión que sienten por parte de otros electrones cercanos, lo que les impide transportar corriente.
Dirigido por FLEET en la Universidad de Monash, un nuevo estudio publicado esta semana en Nature Communications , ha demostrado una fase aislante de Mott dentro de una estructura organometálica (MOF) atómicamente delgada, y la capacidad de cambiar de forma controlable este material de un aislante a un conductor. La capacidad de este material para actuar como un "interruptor" eficiente lo convierte en un candidato prometedor para su aplicación en nuevos dispositivos electrónicos como los transistores.
El material atómicamente delgado (o 2D) en el centro del estudio es un tipo de MOF, una clase de materiales compuestos de moléculas orgánicas y átomos metálicos.
"Gracias a la versatilidad de los enfoques de la química supramolecular, en particular aplicados en superficies como sustratos, tenemos un número casi infinito de combinaciones para construir materiales de abajo hacia arriba, con precisión a escala atómica", explica el autor correspondiente A/Prof Schiffrin. "En estos enfoques, las moléculas orgánicas se utilizan como componentes básicos. Al elegir cuidadosamente los ingredientes adecuados, podemos ajustar las propiedades de los MOF".
La importante propiedad personalizada del MOF en este estudio es su geometría en forma de estrella, conocida como estructura kagome. Esta geometría mejora la influencia de las interacciones electrón-electrón, lo que conduce directamente a la realización de un aislante Mott.
El interruptor de encendido y apagado:Población de electrones
Los autores construyeron el Kagome MOF en forma de estrella a partir de una combinación de átomos de cobre y moléculas de 9,10-dicianoantraceno (DCA). Hicieron crecer el material sobre otro material aislante atómicamente delgado, el nitruro de boro hexagonal (hBN), sobre una superficie de cobre atómicamente plana, Cu(111).
"Medimos las propiedades estructurales y electrónicas del MOF a escala atómica mediante microscopía de efecto túnel y espectroscopia", explica el autor principal, el Dr. Benjamin Lowe, quien recientemente completó su doctorado. con FLOTA. "Esto nos permitió medir una brecha energética inesperada:el sello distintivo de un aislante".
La sospecha de los autores de que la brecha de energía medida experimentalmente era una firma de una fase aislante de Mott se confirmó al comparar los resultados experimentales con los cálculos de la teoría dinámica del campo medio.
"La firma electrónica en nuestros cálculos mostró una notable concordancia con las mediciones experimentales y proporcionó evidencia concluyente de una fase aislante de Mott", explica el Dr. Bernard Field, alumno de FLEET, quien realizó los cálculos teóricos en colaboración con investigadores de la Universidad de Queensland y el Instituto de Okinawa. de la Universidad de Graduados en Ciencia y Tecnología de Japón.
Los autores también pudieron cambiar la población de electrones en el MOF utilizando variaciones en el entorno químico del sustrato hBN y el campo eléctrico debajo de la punta del microscopio de efecto túnel.
Cuando se eliminan algunos electrones del MOF, la repulsión que sienten los electrones restantes se reduce y se descongelan, lo que permite que el material se comporte como un metal. Los autores pudieron observar esta fase metálica a partir de la desaparición de la brecha de energía medida cuando eliminaron algunos electrones del MOF. La población de electrones es el interruptor de encendido y apagado para las transiciones de fase controlables del aislante Mott al metal.
La capacidad de este MOF para cambiar entre las fases del aislante Mott y del metal modificando la población de electrones es un resultado prometedor que podría explotarse en nuevos tipos de dispositivos electrónicos (por ejemplo, transistores). Un próximo paso prometedor hacia este tipo de aplicaciones sería reproducir estos hallazgos dentro de una estructura de dispositivo en la que se aplique un campo eléctrico uniformemente en todo el material.
La observación de un aislante Mott en un MOF que es fácil de sintetizar y contiene abundantes elementos también convierte a estos materiales en candidatos atractivos para estudios adicionales de fenómenos fuertemente correlacionados, que potencialmente incluyen la superconductividad, el magnetismo o los líquidos de espín.
Más información: Benjamin Lowe et al, control de puerta local de la transición metal-aislante Mott en un marco organometálico 2D, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47766-8
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por FLOTA
