Analiza zachowania cząsteczek magnetycznych w mikroskopijnej przestrzeni

Wykorzystanie cząsteczek magnetycznych może okazać się kluczem do innowacyjnych zmian w konwencjonalnych urządzeniach elektronicznych. Być może ich złożone właściwości znajdą zastosowanie w układach elektronicznych lub spintronicznych oraz nanourządzeniach. Uważa się bowiem, że cząsteczki wykazujące zjawisko spin-crossover (SCO), z uwagi na swoją zdolność do zmiany stanu spinowego – możliwość przyjmowania wysoko- i niskospinowych konfiguracji elektronowych – pod wpływem zewnętrznych bodźców takich jak światło, temperatura i ciśnienie, są obiecującymi kandydatami do wykorzystania w roli przełączników magnetycznych w nanoskali. Jednak kiedy zastosujemy je w nanourządzeniach elektronicznych, układy SCO napotykają pewne przeszkody – są niestabilne i wykazują właściwości izolacyjne, a ponadto nie można ich kontrolować podczas umieszczania nanokryształów w nanourządzeniach.

Wszystkie te problemy można by rozwiązać dzięki specjalnej klasie jednowymiarowych materiałów węglowych – jednościennych nanorurkach węglowych. W tym celu uczeni wspierani w ramach finansowanych ze środków UE projektów 2DSPIN, MINT oraz PINT dokonali pomiarów przewodności elektrycznej nanorurki węglowej, w środku której umieszczono cząsteczki SCO. W ten sposób zaobserwowali, że stan spinowy tych cząsteczek zmienia się radykalnie pod wpływem temperatury. Ich odkrycie ma szczególne znaczenie dla projektowania przełączników magnetycznych i urządzeń spintronicznych. Badanie to zostało opisane na łamach czasopisma „Nature Communications”.Jednościenne nanorurki węglowe (ang. single-walled carbon nanotube, SWCNT) składają się z pojedynczych warstw grafenu, które są zwinięte, tworząc puste w środku struktury cylindryczne o ściankach grubości jednego atomu. Dzięki swojej strukturze i elementom wymiarowym SWCNT posiadają doskonałe właściwości mechaniczne, elektryczne, optyczne i termiczne. Co istotne, mogą służyć jako modelowe przewodniki, które eliminują problem związany z izolacyjnymi właściwościami cząsteczek SCO. Kiedy wewnątrz jednościennej nanorurki węglowej umieści się cząsteczki SCO, nanorurka tworzy wokół nich rodzaj odpornej mechanicznej powłoki, która zapewnia cząsteczkom ochronę przed środowiskiem zewnętrznym i pomaga w kontrolowany sposób umieszczać je w nanourządzeniach. Na potrzeby swoich badań zespół wykorzystał dostępne na rynku komercyjne SWCNT produkowane w procesie powlekania zwanego chemicznym osadzaniem z fazy gazowej. Wykorzystane w projekcie nanorurki cechowała czystość rzędu 99 %, przy czym ich średnica wynosiła od 1,6 do 2,2 nm, a długość – od 3 do 30 μm.

Uczeni zamknęli stabilne, zerowymiarowe, oparte na żelazie cząsteczki SCO wewnątrz jednowymiarowych szczelin SWCNT, tworząc różnowymiarowe hybrydowe cząstki SCO-SWCNT. Następnie skupili się na obserwacji transportu elektronów przez poszczególne struktury SCO-SWCNT wbudowane w nanoskalowe tranzystory. „Wykazaliśmy, że konduktancja SWCNT (gospodarza) jest modyfikowana przez stan spinowy zamkniętych w nanorurce cząsteczek (gości). Przejście pomiędzy dwoma metastabilnymi stanami konduktancji uruchamiane jest za pomocą termicznego przełącznika molekularnego SCO. Z kolei fakt zamknięcia cząsteczek wewnątrz SWCNT powoduje przesunięcie przejścia SCO do wyższych temperatur i pojawienie się dużej histerezy termicznej, która nie występuje w makrostrukturze”, stwierdzili we wspomnianym artykule autorzy badania.

Badanie pokazało, że mechanizm SCO może zachować swoje właściwości po umieszczeniu w zamkniętej przestrzeni i umiejscowieniu struktur hybrydowych w nanoskalowych tranzystorach. W trakcie badań ustalono też, że przełącznik SCO w zamkniętych cząsteczkach uruchamia sporą bistabilność przewodnictwa elektrycznego – stan, w którym cząsteczka może przyjąć dwa stabilne stany przewodzące – za pośrednictwem gospodarza, czyli SWCNT. W konkluzji autorzy badania zaznaczyli: „Nasze wyniki pokazują, że zamknięcie cząsteczek w jednościennych nanorurkach węglowych zapewnia strukturę dla odczytywania i pozycjonowania cząsteczek SCO w nanourządzeniach, a ponadto może pomóc w dostrojeniu ich właściwości magnetycznych w nanoskali”.

Nad realizacją projektów 2DSPIN (2D magnetic materials for molecular SPINtronics), MINT (Mechanically Interlocked Carbon Nanotubes) oraz PINT (Ultrastrong Composites through Polymers Interlocked with carbon NanoTubes) czuwał hiszpański instytut nanonauki IMDEA Nanociencia. Prace w ramach tych trzech projektów zostały już ukończone.

Więcej informacji:

projekt 2DSPIN

projekt MINT

projekt PINT