grafeen, een tweedimensionale structuur gemaakt van koolstof, is een materiaal met uitstekende mechanische, elektronische en optische eigenschappen. Echter, het leek niet geschikt voor magnetische toepassingen. Samen met internationale partners, Empa-onderzoekers zijn er nu in geslaagd een uniek nanograafeen te synthetiseren dat in de jaren zeventig werd voorspeld, wat onomstotelijk aantoont dat koolstof in zeer specifieke vormen magnetische eigenschappen heeft die toekomstige spintronische toepassingen mogelijk zouden kunnen maken. De resultaten zijn zojuist gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Afhankelijk van de vorm en oriëntatie van hun randen, grafeen nanostructuren (ook bekend als nanographenen) kunnen heel verschillende eigenschappen hebben, bijvoorbeeld ze kunnen dirigeren vertonen, halfgeleidend of isolerend gedrag. Echter, één eigenschap is tot nu toe ongrijpbaar:magnetisme. Samen met collega's van de Technische Universiteit in Dresden, Aalto-universiteit in Finland, Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek in Mainz en Universiteit van Bern, Empa-onderzoekers zijn er nu in geslaagd een nanograafeen te bouwen met magnetische eigenschappen die een beslissende component zouden kunnen zijn voor het functioneren van op spin gebaseerde elektronica bij kamertemperatuur.

Grafeen bestaat alleen uit koolstofatomen, maar magnetisme is een eigenschap die nauwelijks wordt geassocieerd met koolstof. Dus hoe is het mogelijk dat koolstofnanomaterialen magnetisme vertonen? Om dit te begrijpen, we moeten een reis maken in de wereld van scheikunde en atoomfysica.

De koolstofatomen in grafeen zijn gerangschikt in een honingraatstructuur. Elk koolstofatoom heeft drie buren, waarmee het afwisselend enkele of dubbele bindingen vormt. In een enkele band, één elektron van elk atoom - een zogenaamd valentie-elektron - bindt zich aan zijn buur; terwijl in een dubbele binding, twee elektronen van elk atoom nemen deel. Deze afwisselende weergave van enkele en dubbele bindingen van organische verbindingen staat bekend als de Kekulé-structuur, genoemd naar de Duitse chemicus August Kekulé die deze voorstelling voor het eerst voorstelde voor een van de eenvoudigste organische verbindingen, benzeen (Figuur 1). De regel hier is dat elektronenparen die dezelfde orbitaal bewonen, moeten verschillen in hun draairichting - de zogenaamde spin - een gevolg van het kwantummechanische Pauli's uitsluitingsprincipe.

"Echter, in bepaalde structuren gemaakt van zeshoeken, men kan nooit afwisselende enkele en dubbele bindingspatronen tekenen die voldoen aan de bindingsvereisten van elk koolstofatoom. Als gevolg hiervan, in dergelijke constructies, een of meer elektronen worden gedwongen ongepaard te blijven en kunnen geen binding vormen, " legt Shantanu Mishra uit, die onderzoek doet naar nieuwe nanografenen in het Empa nanotech@surfaces-laboratorium onder leiding van Roman Fasel. Dit fenomeen van onvrijwillige ontkoppeling van elektronen wordt "topologische frustratie" genoemd (Figuur 1).

Maar wat heeft dit met magnetisme te maken? Het antwoord ligt in de "spins" van de elektronen. De rotatie van een elektron om zijn eigen as veroorzaakt een klein magnetisch veld, een magnetisch moment. Indien, zoals gewoonlijk, er zijn twee elektronen met tegengestelde spins in een orbitaal van een atoom, deze magnetische velden heffen elkaar op. Indien, echter, een elektron is alleen in zijn baan, het magnetische moment blijft - en er ontstaat een meetbaar magnetisch veld.

Dit alleen al is fascinerend. Maar om de spin van de elektronen als schakelelementen te kunnen gebruiken, er is nog een stap nodig. Een antwoord zou een structuur kunnen zijn die eruitziet als een vlinderdas onder een scanning tunneling microscoop (Figuur 2).

Twee gefrustreerde elektronen in één molecuul

In de jaren 70, de Tsjechische chemicus Erich Clar, een vooraanstaand expert op het gebied van nanografeenchemie, voorspelde een vlinderdasachtige structuur die bekend staat als "Clar's beker" (Figuur 1). Het bestaat uit twee symmetrische helften en is zo geconstrueerd dat één elektron in elk van de helften topologisch gefrustreerd moet blijven. Echter, omdat de twee elektronen via de structuur zijn verbonden, ze zijn antiferromagnetisch gekoppeld, dat wil zeggen, hun spins oriënteren zich noodzakelijkerwijs in tegengestelde richtingen.

In zijn antiferromagnetische toestand, Clar's beker zou kunnen werken als een "NIET" logische poort:als de richting van de spin aan de ingang wordt omgekeerd, de uitgangsspin moet ook worden gedwongen om te draaien.

Echter, het is ook mogelijk om de structuur in een ferromagnetische toestand te brengen, waarbij beide spins in dezelfde richting oriënteren. Om dit te doen, de structuur moet worden aangeslagen met een bepaalde energie, de zogenaamde uitwisselingskoppelingsenergie, zodat een van de elektronen zijn spin omkeert.

Om ervoor te zorgen dat de poort stabiel blijft in zijn antiferromagnetische toestand, echter, het mag niet spontaan overschakelen naar de ferromagnetische toestand. Om dit mogelijk te maken, de uitwisselingskoppelingsenergie moet hoger zijn dan de energiedissipatie wanneer de poort bij kamertemperatuur wordt bedreven. Dit is een centrale voorwaarde om ervoor te zorgen dat een toekomstig spintronisch circuit op basis van nanografenen feilloos kan functioneren bij kamertemperatuur.

Van theorie naar realiteit

Tot dusver, echter, bij kamertemperatuur stabiele magnetische koolstofnanostructuren zijn slechts theoretische constructies geweest. Voor de eerste keer, de onderzoekers zijn er nu in geslaagd om een ​​dergelijke structuur in de praktijk te produceren, en toonde aan dat de theorie overeenkomt met de werkelijkheid. "Het realiseren van de structuur is veeleisend, aangezien Clar's beker zeer reactief is, en de synthese is complex, " legt Mishra uit. Uitgaande van een voorlopermolecuul, de onderzoekers waren in staat om Clar's beker in ultrahoog vacuüm op een gouden oppervlak te realiseren, en experimenteel aantonen dat het molecuul precies de voorspelde eigenschappen heeft.

belangrijk, ze konden aantonen dat de uitwisselingskoppelingsenergie in de beker van Clar relatief hoog is bij 23 meV (Figuur 2), wat impliceert dat op spin gebaseerde logische bewerkingen daarom stabiel zouden kunnen zijn bij kamertemperatuur. "Dit is een kleine maar belangrijke stap in de richting van spintronica, ' zegt Roman Fasel.