Magnetische moleculen op oppervlakken: vooruitgang en uitdagingen in moleculaire nanowetenschap

(a) en (b) tonen voorbeelden van chemisorptie: een nieuwe covalente binding (groen) wordt gevormd tussen de moleculen (rood) en het substraat via een linker (grijs) gehecht aan het molecuul (a) of aan het oppervlak (b) . (c), (d) en (e) tonen voorbeelden van fysisorptie door (c) dropcasting, (d) spincoating en (e) dipcoating. Credit: Coördinatie Chemie Beoordelingen (2022). DOI: 10.1016/j.ccr.2022.214858

Op het gebied van moleculair magnetisme vereist het ontwerp van apparaten met technologische toepassingen op nanoschaal – quantum computing, moleculaire spintronica, magnetische koeling, nanogeneeskunde, informatieopslag met hoge dichtheid, enz. – die magnetische moleculen die op het oppervlak worden geplaatst om hun structuur, functionaliteit en eigenschappen.

Nu, een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Coördinatie Chemie Beoordelingen analyseert de meest actuele kennis over de processen van depositie en organisatie van magnetische moleculen op oppervlakken (nanostructurering), een bepalend proces voor de voortgang van technologieën die een miniaturisatie van motoren en een efficiëntere werking in nanometrische dimensies inhouden.

De studie – uitgevoerd door de onderzoekers Carolina Sañudo, Guillem Gabarró-Riera en Guillem Aromí, van de Group of Magnetism and Functional Molecules van de Faculteit der Scheikunde en het Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie van de Universiteit van Barcelona (IN2UB) – beschrijft de wereldwijde scenario van de voortgang van het onderzoek op dit gebied, en het stelt nieuwe manieren voor om vooruitgang te boeken in de organisatie in twee dimensies (2D) van magnetische moleculen, met betrekking tot de technologische toepassingen ervan.

Het artikel bevat aanbevelingen om de beste depositiemethode voor elk molecuul te selecteren, een overzicht van de gebruikte oppervlakken in deze processen, naast richtlijnen voor een effectieve karakterisering en toekomstperspectieven op basis van tweedimensionale materialen. Bovendien bieden de auteurs een nieuw kritisch perspectief op hoe de effectieve toepassing van de moleculaire systemen in een apparaat kan worden bereikt om in de nabije toekomst een snellere technologie te krijgen die minder energie verbruikt.

Moleculaire nanowetenschap en magnetische materialen

Bij het selecteren van de beste afzettingsmethode op oppervlakken voor elk magnetisch molecuul, moeten we rekening houden met elk molecuul en zijn structuur, evenals het oppervlak en de structuur die het heeft. “De keuze voor de topmethode hangt af van het systeem, maar het zal altijd mogelijk zijn om een ​​goede combinatie te vinden om de moleculaire systemen te deponeren”, zegt docent Carolina Sañudo van de afdeling Anorganische en Organische Chemie van de UB.

“De protocollen verschillen per geval en de eerste stap is het bepalen van de gewenste eigenschappen van het oppervlak”, zegt ze.

“Als we bijvoorbeeld spintronica willen bestuderen, hebben we een geleidend oppervlak nodig. Als het oppervlak en de aard ervan eenmaal zijn bepaald, is het essentieel om de vormanisotropie van het molecuul te bepalen terwijl we kijken naar de kristallijne structuur, de eigenschappen ervan – kan het sublimeren? Kan het oplossen? In welke oplosmiddelen – en potentiële ankerpunten – heeft het functionele groepen die chemisorptie mogelijk maken, en zo niet, wat zijn de opties voor fysisorptie?”

“Zo niet, wat zijn de fysisorptie-opties? Zodra we al deze details hebben, kunnen we een afzettingsprotocol ontwerpen. Als ons molecuul bijvoorbeeld een beschikbare zwavelgroep heeft, kunnen we het verankeren door chemisorptie aan een goud (Au) oppervlak. Als het molecuul sublimatie kan ondergaan, kunnen we dat doen door verdamping”, besluit ze.

Kleinere en efficiëntere elektronische apparaten

De synthese van nieuwe moleculen met betere eigenschappen is een niet te stoppen proces, “maar stabiliteit gaat niet altijd hand in hand met magnetische eigenschappen. Op dit moment is het molecuul met de hoogste blokkeringstemperatuur T – waaronder het molecuul zich als een magneet gedraagt ​​- extreem onstabiel. Het is met name een organometaalverbinding en dit maakt het erg moeilijk (of onmogelijk) om het op het oppervlak te plaatsen of in een technologisch apparaat te gebruiken.”

Om het ontwerp van magnetische moleculen te verbeteren en efficiëntere oppervlaktedepositieprocessen te verkrijgen, moet de stabiliteit van nieuwe organometallische monomoleculaire magneten (SMM’s) worden verbeterd als ze effectief willen worden gebruikt.

Aan de andere kant hebben magnetische moleculen die niet zo goede SMM’s zijn of die kwantumbits (qubits) zijn, of moleculen met spin-toegestane elektronische overgangen, eigenschappen waardoor ze erg moeilijk te gebruiken zijn – vanwege een gebrek aan of weinig anisotropie in hun vorm of meerdere verankerende functionele groepen die verschillende afzettingen van het molecuul op het oppervlak mogelijk maken.

“Om dit te voorkomen, is het nodig om de organisatie van D2-moleculen vooruit te helpen. Bijvoorbeeld door tweedimensionale organometallische materialen (MOF’s) te vormen waarin de knobbel het molecuul is, en de nanolagen af ​​​​te zetten die al impliciet zijn geordend op een oppervlak. Een 2D MOF, waarbij elke knobbel een qubit is, zou ons in staat stellen om een ​​reeks geordende qubits op een oppervlak te verkrijgen. Dit is een zeer belangrijke uitdaging en sommige groepen zoals de onze werken eraan”, zegt de onderzoeker.

Het verminderen van het energieverbruik van technologische apparaten is een ander doel van oppervlaktedepositietechnologie. “De ontworpen apparaten kunnen een zeer laag stroomverbruik hebben als we een apparaat hebben dat informatie opslaat in SMM, of we gebruiken qubits in een perfect geordende 2D-matrix, of een systeem met spin-enabled elektronische transitie-enabled moleculen op een oppervlak door moleculaire spintronica Bovendien zouden ze sneller en meer geminiaturiseerd zijn dan de huidige apparaten.”

Op dit gebied heeft de synthese van anorganische verbindingen magneetmoleculen gegenereerd die kunnen functioneren bij temperaturen rond vloeibare stikstof, “en dit is een grote doorbraak geweest”, zegt de onderzoeker. Technologieën zoals tunneling microscopie (STM) en atomic force microscopie (AFM) met gefunctionaliseerde tips zijn de technieken die het mogelijk hebben gemaakt om de positie van de moleculen op het oppervlak te identificeren. Met name AFM met gefunctionaliseerde tips kan een zeer bruikbare techniek worden om oppervlaktemoleculen te karakteriseren.

“De ontdekking dat een magnesiumoxide (MgO)-laag van enkele nanometers nodig is om het molecuul van het oppervlak te ontkoppelen om de moleculaire eigenschappen te behouden als het molecuul eenmaal is afgezet, is een grote doorbraak. Het is ook de moeite waard om de coating van grote oppervlakten te noemen door monolagen van moleculen met een hoog percentage van orde, omdat de rangschikking van het molecuul op het oppervlak op verschillende manieren verschillende interacties kan veroorzaken en er daarom voor zorgt dat niet alle moleculen hun eigenschappen behouden.”

“Deze twee punten zijn cruciaal voor de toekomstige ontwikkeling van apparaten op basis van het gebruik van moleculen die op oppervlakken worden afgezet”, zegt Carolina Sañudo.

Magnetische moleculen: toekomstige uitdagingen

Voorlopig is het verkrijgen van SMM’s bij verhoogde temperaturen of het synthetiseren van qubits met langere relaxatietijden (T1) en coherentietijden (T2) die het gebruik in grotere apparaten vergemakkelijken, een uitdaging voor chemici. Het kunnen verkrijgen van grote gebieden bedekt met monolagen van gelijke en geordende moleculen zal ook een zeer relevante vooruitgang betekenen, en deze uitdaging omvat karakterisering. Om deze reden zal de toepassing van synchrotron-lichttechnieken, zoals GIXRD, HAXPES en XMCD, essentieel zijn.

“Om deze volgorde van de moleculen op het oppervlak te bereiken, overweegt de UB Group of Magnetism and Functional Molecules 2D MOF’s te gebruiken, dwz coördinatiepolymeren die zich in twee dimensies uitstrekken en zijn gemaakt van extreem dunne lagen die zijn gestapeld door Van der Waals-krachten Ons team wil ook andere uitdagingen aangaan, zoals het meten van de T1- en T2-relaxatietijden voor een qubit die op een oppervlak is afgezet en bevestigen dat ze de gemeten waarden behouden (of verbeteren), “concludeert de onderzoeker.