Wetenschappers bouwen de kleinste kabel met daarin een draaischakelaar

Een studie gepubliceerd in Nature Communications waarbij onderzoekers van het Madrid Institute for Advanced Studies in Nanoscience (IMDEA) en de Universiteit van Sevilla betrokken zijn, hebben voor het eerst de elektrische geleidbaarheid gemeten van een enkele koolstofnanobuis met daarin spin-crosslinked moleculen.

Terwijl elektronische apparaten steeds kleiner worden om aan de eisen van de markt te voldoen, werken wetenschappers aan de ontwikkeling van de minuscule componenten waardoor ze werken. Er is een aanhoudende vraag naar snelle en efficiënte processen, en spin-logic (Spintronics) -apparaten zouden de oplossing kunnen zijn om de toekomst van computers vorm te geven. Hier zouden magnetische moleculen een nieuwe draai kunnen geven aan conventionele elektronica. In het bijzonder voldoen spin-crossover (SCO) -moleculen aan een familie van nul-dimensionale (0D) functionele eenheden die een radicale spin-schakelaar vertonen die wordt geactiveerd door een elektro-structurele verandering die geactiveerd kan worden door externe prikkels zoals licht, druk of temperatuur. De draaischakelaar verleent SCO-moleculen uitstekende mogelijkheden en functionaliteiten voor implementatie in nano-elektronica. Door hun isolerende karakter kunnen deze moleculen tot dusverre echter niet volledig worden benut. Verschillende groepen hebben SCO-moleculen ingebed in matrices van geleidend materiaal, maar de resultaten zijn niet volledig compatibel met de vereisten van apparaten op nanoschaal.

Een baanbrekend systeem voor het effectief opnemen van SCO-moleculen in geleidende materialen is om ze in geleidende koolstofnanobuisjes te introduceren. Koolstofnanobuisjes zijn eendimensionale (1D) materialen, sterk, lichtgewicht en vooral sterk elektrisch geleidende miniatuurdraden, typisch 1-5 nanometer in diameter, maar tot centimeters lang. Voor het eerst heeft een groep onderzoekers van IMDEA Nanociencia Fe-gebaseerde SCO-moleculen ingekapseld in koolstofnanobuisjes. De enkelwandige koolstofnanobuizen werken als geleidende ruggengraten die de SCO-spintoestand van de moleculen dragen, beschermen en waarnemen, en overwinnen hun isolerende nadelen.

De onderzoekers, geleid door prof. Emilio M. Pérez, dr. José Sanchez Costa en dr. Enrique Burzurí, bestudeerden het elektronentransport door individuele koolstofnanobuisjes ingebed in transistors op nanoschaal door middel van diëlektroforese. Ze vonden een verandering in de elektrische geleiding van de nanobuis die wordt gewijzigd door de rotatietoestand van de ingekapselde SCO-moleculen. De overgang tussen de twee geleidende toestanden wordt geactiveerd door een thermische schakelaar die niet symmetrisch blijkt te zijn: het overgangstemperatuurpunt is niet hetzelfde naar beneden als naar boven op de thermometer. Dit feit opent een hysterese die niet aanwezig is in kristallijne monsters, en er ontstaan ​​veel interessante potentiële toepassingen voor het hybride systeem: “Deze systemen zijn als mini-geheugenelementen op nanoschaal, aangezien ze een hysteresecyclus vertonen met temperatuurvariatie. Ze kunnen ook dienen als een filter van spin (een vraag naar spintronische apparaten) omdat de nanobuis “voelt” of het molecuul spin heeft of niet “, merkt Dr. Burzurí op.

De experimentele resultaten worden ondersteund door theoretische berekeningen door onderzoekers van de Universidad de Sevilla. Tijdens het schakelen veranderen de orbitalen van de SCO-moleculen en dus hun hybridisatie met de koolstofnanobuis, die op zijn beurt de elektrische geleidbaarheid van de laatste wijzigt. De SCO-moleculen in hun lage spintoestand hebben een sterkere interactie met de nanobuisjes; het is voor hen moeilijker om hun spintoestand te veranderen en dit vertaalt zich in een “sprong” in de geleidbaarheid van de nanobuis bij een bepaalde temperatuur, afhankelijk van de aanvankelijke spintoestand.

Deze eerste inkapseling van SCO-moleculen in enkelwandige koolstofnanobuisjes is een fundamenteel onderzoeksresultaat dat helpt om het gedrag van deze moleculen te begrijpen wanneer ze in zeer kleine ruimtes worden opgesloten, en biedt een ruggengraat voor hun uitlezing en positionering in nanodevices. De auteurs hopen dat een dergelijke mix-dimensionale (0D-1D) hybride de beste eigenschappen van hun samenstellende materialen kan benutten, waarbij de spintoestand wordt benut als een andere vrijheidsgraad. Deze minuscule draad en schakelaar kunnen op voorbereidende schaal worden geproduceerd en kunnen een relevante stap zijn in de ontwikkeling van magnetische systemen op nanoschaal.