Onderzoekers van de universiteiten van Jyvaskyla (Finland) en Xiamen (China) hebben een nieuwe manier ontdekt om functionele macroscopische kristallijne materialen te maken uit 34-atoom zilver-goud intermetallische clusters ter grootte van een nanometer. Het clustermateriaal heeft een sterk anisotrope elektrische geleidbaarheid, zijnde een halfgeleider in de ene richting en een elektrische isolator in de andere richtingen. De synthese van het materiaal en de elektrische eigenschappen ervan werden onderzocht in Xiamen en de theoretische karakterisering van het materiaal werd uitgevoerd in Jyvaskyla. Het onderzoek is online gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 6 mei, 2020.

De metaalclusters werden gesynthetiseerd door middel van natte chemie, het toevoegen van goud- en zilverzouten en ethynyladamantaanmoleculen in een mengsel van methanol en ofwel chloroform of dichloormethaan. Alle syntheses produceerden dezelfde 34-atoom zilver-goud clusters met een identieke atomaire structuur, maar verrassend genoeg het gebruik van dichloormethaan/methanoloplosmiddel leidde tot een polymerisatiereactie na clustervorming in oplossing en groei van mensenhaardikke eenkristallen bestaande uit uitgelijnde polymere ketens van de clusters.

De kristallen gedroegen zich als een halfgeleidend materiaal in de richting van het polymeer en als een elektrische isolator in de dwarsrichtingen. Dit gedrag komt voort uit metaal-metaal atomaire binding in de polymeerrichting, terwijl in de dwarsrichtingen de metaalclusters van elkaar worden geïsoleerd door een laag van het ethynyladamantaan.

Theoretische modellering van het clustermateriaal door computerintensieve simulaties met behulp van de dichtheidsfunctionaaltheorie voorspelde dat het materiaal een energiekloof van 1,3 eV heeft voor elektronische excitaties. Dit werd bevestigd door metingen van optische absorptie en elektrische geleidbaarheid in een lay-out waar enkele kristallen waren gemonteerd als onderdeel van een veldeffecttransistor, die een p-type halfgeleidereigenschap van het materiaal vertoonde. De elektrische geleidbaarheid langs de polymeerrichting was ongeveer 1800-voudig vergeleken met de dwarsrichtingen.

"We waren behoorlijk verrast door de waarneming dat de polymeervorming kan worden gecontroleerd door eenvoudige middelen om de oplosmiddelmoleculen te veranderen. We ontdekten dit waarschijnlijk door geluk, maar we hopen dat dit resultaat in de toekomst kan worden toegepast om hiërarchische nanogestructureerde materialen met de gewenste functionaliteit te ontwerpen, " zegt professor Nanfeng Zheng van de Universiteit van Xiamen, die het experimentele werk leidde.

"Dit werk toont een interessant voorbeeld van hoe macroscopische materiaaleigenschappen kunnen worden ontworpen in de bottom-up synthese van nanomaterialen. Theoretische modellering van dit materiaal was behoorlijk uitdagend vanwege een grootschalig model dat we moesten bouwen om rekening te houden met de juiste periodiciteit van het polymeerkristal. we hebben er veel baat bij gehad toegang te hebben tot enkele van de grootste supercomputers in Europa, " zegt Akademiehoogleraar Hannu Hakkinen van de Universiteit van Jyvaskyla, die het theoretische werk leidde.