Onderzoekers van IMDEA Nanociencia, Universidad Autónoma de Madrid en Universidad Complutense de Madrid hebben een nieuwe strategie gepresenteerd om quasi-metallische 1-D-polymeren met atomaire precisie te fabriceren, in samenwerking met de Tsjechische Academie van Wetenschappen, EMPA (Zürich, Zwitserland) en RCATM (Olomouc, Tsjechië). Dit onderzoek bevordert de mogelijkheid om stabiele organische polymeren te ontwerpen met verdwijnende elektronische bandgaps met toepassingen die moleculaire opto-elektronica en kwantuminformatietechnologie omvatten.

Organische (synthetische) metalen trokken in de laatste decennia van de vorige eeuw veel aandacht vanwege hun beoogde futuristische toepassingen en betaalbare kosten. Dit veld werd gestimuleerd door de vroege vooruitgang in polyacetyleenpolymeren, die een hoge geleidbaarheid vertoonde bij doping en een nieuwe weg opende naar organische elektronica en de Nobelprijs voor hun ontdekkers. Echter, wetenschappers ontdekten dat doteermiddelen de stabiliteit van de polymeren in gevaar brachten, waardoor hun toepassingen als synthetische metalen in echte apparaten worden verminderd.

Vanuit een theoretisch oogpunt, vroege pogingen om de fundamentele processen in het model trans-polyacetyeen systeem te begrijpen resulteerden in het Su-Shrieffer-Heeger (SSH) model. De theorie onthulde dat de door het polymeer aangenomen resonante vorm, die voortkomt uit de conjugatie van pi-elektronen (pi-conjugatie), kan de elektronische klasse van het materiaal op een onverwachte manier veranderen.

Topologische bandtheorie classificeert gapped materialen door hun bandstructuur wiskundig te bestuderen in isolatoren en topologische niet-triviale isolatoren. In het SSH-model één resonante vorm gedraagt ​​zich als een normale isolator, terwijl de andere resonante vorm een ​​topologische niet-triviale 1-D isolator is, d.w.z., een gapped materiaal met in-gap edge toestanden. Dus, een crossover van resonante vorm kan de topologische klasse van een polymeer veranderen. Maar polyacetyleen, in een van zijn resonerende vormen, is een gespleten materiaal. Als resultaat, dit polymeer kan zijn geleidbaarheid alleen verhogen door chemisch of elektrochemisch te worden gedoteerd.

Dus, de vraag is of wetenschappers 1-D organische intrinsieke metalen kunnen engineeren. Om deze vraag te beantwoorden, wetenschappers moeten terugkeren naar de wortels van de topologische bandtheorie, waarin staat dat de overgang tussen twee materialen met een spleet moet verlopen via het sluiten van de bandgap, d.w.z., door een metalen toestand. Dus, als onderzoekers een familie van chemische materialen zouden kunnen ontwerpen en de topologie van de banden zouden kunnen aanpassen door de chemische structuur af te stemmen, het zou haalbaar kunnen worden om het materiaal op het topologische overgangspunt te benaderen of zelfs te lokaliseren.

In de huidige studie gerapporteerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , de wetenschappers bedachten een gecombineerd experimenteel-theoretisch onderzoek dat de velden van de topologische bandtheorie (vastestoffysica) en pi-elektronconjugatie (organische chemie) overbrugde om zo quasi-metallische organische polymeren te creëren.

"Voor de eerste keer, we kunnen met scanning probe microscopie het verband waarnemen tussen de topologische klasse en de resonante vorm van een polymeer, wegen vrijmaken om nieuwe elektronische materiaalklassen te ontwikkelen, inclusief intrinsieke organische metalen en eendimensionale topologische niet-triviale isolatoren, " zegt prof. Ecija.

"Om dergelijke concepten te illustreren, we vertrouwden op de kracht van organische synthese om geschikte moleculaire voorlopers te bereiden, en we vertrouwden op on-surface chemie om de engineering van de polymeren door een ongekende reactie te sturen", zegt prof. Martín.

Eerst, een nieuwe familie van aceenpolymeren, geclassificeerd door het aantal benzeeneenheden in hun ruggengraat (n=1, 2, 3…), is geïdentificeerd om een ​​discrete topologische overgang te ondergaan. Voor kleine n (n <5), polymeren zijn in de triviale fase, terwijl voor grote n (n> 5) zijn niet-triviaal, identifying the boundary close to n=5 (pentacene polymer).

The different polymers are fabricated with atomic precision on top of gold substrates implementing ultimate on-surface synthesis approaches, tuning the topology and the electronic properties of the resulting polymers at will. "According to our theoretical prediction, the pentacene polymer is located in nontrivial topological phase very close to the topological boundary with very small gap, " says Jelinek. Indeed, experimental measurements revealed their quasi-metallic behavior with 0.35 eV experimental band gap and the presence of in-gap topological edge states.

Authors generalize the concept by extending it to the polymer family of periacenes, achieving band gaps as low as 0.3 eV for bisanthene polymers, which are located close to the topological transition. Aanvullend, the different resonant forms of the pi-system can be identified, demonstrating an ethynylene-bridged aromatic nature for the trivial polymers, whereas locating a cumulene-linked p-quinoid resonant form for the nontrivial wires. Dus, there is a crossover between the resonant forms, which corresponds to the topological band transition.

Samengevat, this work serves both as a proof of the intimate relation between resonant form and topological class, while offering a new tool to produce stable organic intrinsic metals by designing polymers at the exact topological boundary.