Magnetisme gegenereerd in 2D organisch materiaal
Onderzoekers hebben ontdekt dat een 2D-nanomateriaal dat bestaat uit organische moleculen die zijn gekoppeld aan metaalatomen in een specifieke geometrie op atomaire schaal, elektronische en magnetische eigenschappen kan vertonen vanwege sterke interacties tussen zijn elektronen.
De studie van de Monash University vond de opkomst van magnetisme in een 2D organisch materiaal als gevolg van de unieke, sterachtige structuur op atomaire schaal van het materiaal.
In wat de eerste waarneming is van lokale magnetische momenten die voortkomen uit interacties tussen elektronen in een atomair dun 2D organisch materiaal, vergroten deze bevindingen het potentieel voor toepassingen in elektronica van de volgende generatie op basis van organische nanomaterialen, waar afstemming van interacties tussen elektronen kan leiden tot een uitgebreide reeks elektronische en magnetische fasen en eigenschappen.
Het onderzoeksteam onderzocht een 2D metaal-organisch nanomateriaal bestaande uit organische moleculen gerangschikt in a kagome geometrie dwz een 'sterachtig' patroon. Het nanomateriaal bestaat uit dicyaanantraceen (DCA) moleculen gecoördineerd met koperatomen op een zwak interactief metalen oppervlak (zilver).
Met behulp van nauwkeurige scanning probe microscopie (SPM) metingen, ontdekten de onderzoekers dat de 2D metaal-organische structuur - waarvan de moleculaire en atomaire bouwstenen op zichzelf niet-magnetisch zijn - magnetische momenten herbergt die op specifieke locaties zijn beperkt. Het team zei dat theoretische berekeningen aantoonden dat dit opkomende magnetisme te wijten is aan sterke elektron-elektron Coulomb-afstoting gegeven door de specifieke 2D kagome geometrie.
"We denken dat dit belangrijk kan zijn voor de ontwikkeling van toekomstige elektronica- en spintronicatechnologieën op basis van organische materialen, waarbij afstemming van interacties tussen elektronen kan leiden tot controle over een breed scala aan elektronische en magnetische eigenschappen", zei FLEET CI A/Prof Agustin Schiffrin.
De elektronen van 2D-materialen met a kagome kristalstructuur kan onderhevig zijn aan sterke Coulomb-interacties als gevolg van destructieve golffunctie-interferentie en kwantumlokalisatie, wat leidt tot een breed scala aan topologische en sterk gecorreleerde elektronische fasen.
Deze sterke elektronische correlaties kunnen zich manifesteren via de opkomst van magnetisme en zijn tot nu toe niet waargenomen in atomair dunne 2D organische materialen. Dit laatste kan gunstig zijn voor solid-state technologieën vanwege hun afstembaarheid en zelfassemblagevermogen.
In deze studie werd magnetisme als gevolg van sterke elektron-elektron Coulomb-interacties in een 2D kagome organisch materiaal werd onthuld via de waarneming van het Kondo-effect.
“Het Kondo-effect is een veellichamenfenomeen dat optreedt wanneer magnetische momenten worden afgeschermd door een zee van geleidingselektronen. Bijvoorbeeld van een onderliggend metaal”, zegt hoofdauteur en FLEET-lid dr. Dhaneesh Kumar. "En dit effect kan worden gedetecteerd door SPM-technieken".
“We hebben het Kondo-effect waargenomen en daaruit geconcludeerd dat het 2D-organische materiaal magnetische momenten moet bevatten. De vraag werd toen 'waar komt dit magnetisme vandaan?'”
Theoretische modellering toonde aan dat dit magnetisme het directe gevolg is van sterke Coulomb-interacties tussen elektronen en dat deze alleen optreden wanneer normaal gesproken niet-magnetische delen in een 2D worden gebracht. kagome metaal-organisch raamwerk. Deze interacties belemmeren elektronenparen, waarbij spins van ongepaarde elektronen aanleiding geven tot lokale magnetische momenten.
"Theoretische modellering in deze studie biedt een uniek inzicht in de rijkdom van het samenspel tussen kwantumcorrelaties en de topologische en magnetische fasen. De studie geeft ons een paar hints over hoe deze niet-triviale fasen kunnen worden gecontroleerd in 2D kagome materialen voor potentiële toepassingen in baanbrekende elektronicatechnologieën”, zegt FLEET CI A/Prof Nikhil Medhekar.
- "Manifestatie van sterk gecorreleerde elektronen in een 2D Kagome metaal-organisch raamwerk" werd gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen in september 2021.