Organische Elektronik mit Vorsprung: Zweidimensionale organische Gitter lassen sich leichter und sicherer verarbeiten als anorganische Materialien für Spintronic- und Quantencomputer-Anwendungen | 2020

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Anonim

Die einzigartige Kristallstruktur der topologischen Isolatoren macht sie überall isolierend, außer an ihren Rändern. Da die Leitfähigkeit dieser Materialien in quantisierten Oberflächenzuständen lokalisiert ist, erhält der durch topologische Isolatoren fließende Strom besondere Eigenschaften. Zum Beispiel kann es Elektronenspins in eine einzige Orientierung polarisieren - ein Phänomen, das Forscher ausnutzen, um "Spin-Orbit-Kopplungen" zu erzeugen, die Magnetfelder für die Spintronik erzeugen, ohne dass externe Magnete erforderlich sind.

Viele topologische Isolatoren werden hergestellt, indem anorganische Mineralien wie Wismuttelluride oder Wismutselenide wiederholt mit Klebeband abgeblättert werden, bis flache, zweidimensionale (2D) Folien erscheinen. "Dies bietet im Vergleich zu Volumenkristallen überlegene Eigenschaften, aber die mechanische Abblätterung ist schlecht reproduzierbar", erklärt Shuo-Wang Yang vom A * STAR Institute of High Performance Computing. "Wir haben vorgeschlagen, topologische Isolatoren zu untersuchen, die auf organischen Koordinationskomplexen basieren, da diese Strukturen für die traditionelle nasschemische Synthese besser geeignet sind als anorganische Materialien."

Koordinationskomplexe sind Verbindungen, bei denen organische Moleküle, sogenannte Liganden, symmetrisch um ein zentrales Metallatom binden. Yang und sein Team identifizierten neuartige "formbeständige" organische Ligandenkomplexe als gute Kandidaten für ihre Methode. Diese Verbindungen enthalten Liganden aus kleinen, starren aromatischen Ringen. Durch den Einsatz von Übergangsmetallen zur Verknüpfung dieser organischen Bausteine ​​zu größeren Ringen, den sogenannten Makrocyclen, können Forscher erweiterte 2D-Gitter mit hoher Ladungsträgermobilität konstruieren.

Das Auffinden von organischen 2D-Gittern mit wünschenswerten topologischen Isolatoreigenschaften ist schwierig, wenn man sich nur auf Experimente stützt. Um diese Suche zu verfeinern, verwendeten Yang und Kollegen eine Kombination aus Quantenberechnungen und Bandstruktursimulationen, um die elektronische Aktivität verschiedener formbeständiger organischer Komplexe zu untersuchen. Das Team suchte in seinen Simulationen nach zwei Schlüsselfaktoren: Liganden, die Elektronen in einer 2D-Ebene ähnlich wie Graphen delokalisieren können, und eine starke Spin-Bahn-Kopplung zwischen zentralen Übergangsmetallknoten und Liganden.

Die neue Familie der potenziellen organischen topologischen Isolatoren der Forscher besteht aus 2D-Wabenmakrocyclen mit Triphenylringen, Palladium- oder Platinmetallen und Aminoverbindungsgruppen. Mit vielversprechenden Quantenmerkmalen und hoher theoretischer Stabilität können diese Komplexe als topologische Isolatoren in realen Anwendungen dienen.

"Diese Materialien sind einfach herzustellen und billiger als ihre anorganischen Gegenstücke", sagt Yang. "Sie eignen sich auch für die direkte Montage auf Halbleiteroberflächen, wodurch nanoelektronische Anwendungen einfacher realisierbar werden."

Die A * STAR-assoziierten Forscher, die zu dieser Forschung beitragen, stammen vom Institut für Hochleistungsrechnen und vom Institut für Materialforschung und Werkstofftechnik.