NUS-wetenschappers hebben een interlayer-space-confined chemical design (ICCD)-methode aangetoond voor de synthese van enkelvoudig gedoteerd tantaaldisulfide (TaS ₂ ) moleculair superrooster, waar ferromagnetisme met succes werd geïntroduceerd in het supergeleidende TaS ₂ lagen.

Het samenspel tussen supergeleiding en ferromagnetisme creëert tal van exotische fysische fenomenen, die kunnen worden gebruikt voor apparaattoepassingen van de volgende generatie. De integratie van deze twee concurrerende fasen wordt meestal bereikt door supergeleider- en ferromagnetische lagen verticaal achter elkaar te stapelen. De beheersbare synthese van hybride atoomlagen die zowel supergeleiding als ferromagnetisme accommoderen, blijft een aanzienlijke uitdaging.

Een onderzoeksteam onder leiding van prof. Lu Jiong van het departement Chemie, NUS heeft aangetoond dat de opname van geïsoleerde kobalt (Co) atomen in supergeleidende TaS ₂ lagen kunnen lokale magnetische momenten en ferromagnetische koppeling induceren. Dit creëert een materiaal met ferromagnetische en supergeleidende domeinen binnen een enkele atomaire laag. In vergelijking met conventionele verticaal gestapelde constructies, het integreren van deze twee concurrerende fasen in een enkele laag biedt niet alleen verbeterde flexibiliteit in het ontwerp en de fabricage van apparaten, het opent ook nieuwe potentiële toepassingen.

Het team van prof. Lu ontwikkelde deze nieuwe aanpak, genaamd ICCD, voor de gelijktijdige intercalatie en chemische modificatie van bulk 2H-TaS ₂ , waar ferromagnetisme wordt geïntroduceerd in de TaS ₂ materiaal met behoud van zijn supergeleidingseigenschappen (Figuur A). Tetrabutylammoniummoleculen invoegen in de ruimte tussen lagen TaS ₂ opent de ruimte ertussen en laat Co ²⁺ ionen die in de structuur moeten worden geïntegreerd. De onderzoekers ontdekten dat de Co ²⁺ ionen vervingen ofwel het tantaal (Ta)-atoom of werden geadsorbeerd op een holle plaats (tussen twee Ta-atomen) (Figuur B). Deze ICCD-strategie kan mogelijk worden toegepast op verschillende metaalionen, waardoor een veelzijdige en schaalbare synthese van een klasse van moleculaire superroosters met op maat gemaakte eigenschappen mogelijk wordt via modificatie tussen de lagen.

De experimentele resultaten van het team, samen met theoretische berekeningen uitgevoerd door de groep van Prof Yuanping FENG van de afdeling Natuurkunde, NUS laten zien dat de orbitaal-geselecteerde P - NS hybridisatie tussen Co en hun naburige Ta- en S-atomen induceert lokale magnetische momenten en ferromagnetische koppeling (Figuur C), vermoedelijk gemedieerd via een mechanisme dat bekend staat als de Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-uitwisselingsinteractie.

Prof Lu zei, "We stellen ons voor dat onze bevindingen van het chemische ontwerp in de tussenlaagruimte een nieuwe chemische route zullen bieden om kunstmatige moleculaire superroosters van gelaagde materialen met exotische en antagonistische eigenschappen voor gewenste functionaliteiten te ontwikkelen."