Met behulp van geavanceerde theoretische hulpmiddelen, A * STAR-onderzoekers hebben een manier gevonden om topologische isolatoren te construeren - een nieuwe klasse van spin-actieve materialen - uit vlakke organische complexen in plaats van giftige anorganische kristallen.

De unieke kristalstructuur van topologische isolatoren maakt ze overal isolerend, behalve rond hun randen. Omdat de geleidbaarheid van deze materialen is gelokaliseerd in gekwantiseerde oppervlaktetoestanden, de stroom die door topologische isolatoren gaat, krijgt speciale kenmerken. Bijvoorbeeld, het kan elektronenspins polariseren in een enkele oriëntatie - een fenomeen dat onderzoekers benutten om 'spin-orbit-koppelingen' te produceren die magnetische velden genereren voor spintronica zonder dat externe magneten nodig zijn.

Veel topologische isolatoren worden gemaakt door herhaaldelijk anorganische mineralen te exfoliëren, zoals bismuttelluriden of bismutseleniden, met plakband tot plat, tweedimensionale (2D) vellen verschijnen. "Dit geeft superieure eigenschappen in vergelijking met bulkkristallen, maar mechanische exfoliatie heeft een slechte reproduceerbaarheid, ", legt Shuo-Wang Yang van het A*STAR Institute of High Performance Computing uit. "We stelden voor om topologische isolatoren te onderzoeken op basis van organische coördinatiecomplexen, omdat deze structuren meer geschikt zijn voor traditionele natchemische synthese dan anorganische materialen."

Coördinatiecomplexen zijn verbindingen waarin organische moleculen die bekend staan ​​als liganden symmetrisch binden rond een centraal metaalatoom. Yang en zijn team identificeerden nieuwe 'vorm-persistente' organische ligandcomplexen als goede kandidaten voor hun methode. Deze verbindingen bevatten liganden gemaakt van kleine, stijve aromatische ringen. Door overgangsmetalen te gebruiken om deze organische bouwstenen te verbinden tot grotere ringen die bekend staan ​​als 'macrocycli', onderzoekers kunnen uitgebreide 2D-roosters construeren met een hoge mobiliteit van ladingsdragers.

Het lokaliseren van 2D organische roosters met gewenste topologische isolatoreigenschappen is moeilijk als je alleen op experimenten vertrouwt. Om deze zoekopdracht te verfijnen, Yang en collega's gebruikten een combinatie van kwantumberekeningen en bandstructuursimulaties om de elektronische activiteit van verschillende vormvaste organische complexen te screenen. Het team zocht naar twee sleutelfactoren in hun simulaties:liganden die elektronen kunnen delokaliseren in een 2D-vlak vergelijkbaar met grafeen en sterke spin-baankoppeling tussen centrale overgangsmetaalknooppunten en liganden.

De nieuwe familie van potentiële organische topologische isolatoren van de onderzoekers heeft een 2D-honingraat-macrocycli die tri-fenylringen bevatten, palladium- of platinametalen, en aminokoppelgroepen. Met veelbelovende kwantumfuncties en hoge theoretische stabiliteit, deze complexen kunnen dienen als topologische isolatoren in toepassingen in de echte wereld.

"Deze materialen zijn gemakkelijk te fabriceren, en goedkoper dan hun anorganische tegenhangers, ", zegt Yang. "Ze zijn ook geschikt om direct op halfgeleideroppervlakken te monteren, wat nano-elektronische toepassingen haalbaarder maakt."