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Um novo estudo da Monash University ilustra como os substratos afetam fortes interações eletrônicas em estruturas metal-orgânicas bidimensionais.
Materiais com fortes interações eletrônicas podem ter aplicações em eletrônica com eficiência energética. Quando esses materiais são colocados em um substrato, suas propriedades eletrônicas são alteradas por transferência de carga, tensão e hibridização.
O estudo também mostra que os campos elétricos e a tensão aplicada podem ser usados para “ligar e desligar” fases de interação, como o magnetismo, permitindo aplicações potenciais em futuros eletrônicos com eficiência energética.
LIGANDO E DESLIGANDO O MAGNETISMO COM SUBSTRATOS
Fortes interações entre elétrons em materiais dão origem a efeitos como magnetismo e supercondutividade. Esses efeitos têm uso em memória magnética, spintrônica e computação quântica, tornando-os atraentes para tecnologias emergentes.
No ano passado, outro estudo da Monash descobriu fortes interações eletrônicas em uma estrutura metal-orgânica 2D. Os pesquisadores encontraram assinaturas de magnetismo neste material. Eles mostraram que esse magnetismo surgiu devido a fortes interações que só estavam presentes quando os componentes não magnéticos eram reunidos.
Este material foi cultivado em substrato metálico. O substrato foi importante para o crescimento e mensuração do material.
Explicador: Estrutura metal-orgânica
Um material cristalino onde as moléculas orgânicas são conectadas por átomos de metal. As estruturas metal-orgânicas podem mostrar muitas propriedades diferentes alterando as moléculas ou átomos de metal. Compreender as excitações de quasipartículas e suas interações é crucial para os esforços de controle de materiais complexos (como supercondutores de alta temperatura e isoladores topológicos) que podem formar a base da futura eletrônica de baixa energia e processamento de informações quânticas.
“Observamos esse efeito quando o material foi cultivado em prata, mas não quando foi cultivado em cobre, apesar de serem muito semelhantes”, diz Bernard Field (Monash), coautor do estudo anterior e principal autor do estudo atual. .
“Então, isso levantou a questão: por que o material se comportou de maneira tão diferente em substratos diferentes?”
Os pesquisadores simularam a estrutura metal-orgânica em muitos substratos diferentes para determinar em que condições o magnetismo poderia surgir.
Eles também criaram um modelo simples que descrevia com precisão os fenômenos físicos em suas simulações em escala atômica. Esse modelo permitiu que a equipe explorasse rápida e facilmente uma ampla gama de sistemas com controle preciso sobre os parâmetros importantes.
Três variáveis-chave foram encontradas para determinar o efeito de substratos em interações eletrônicas: transferência de carga, tensão e hibridização de substrato.
- Transferência de cobrança é quando um substrato dá ou recebe elétrons do material 2D. O efeito das interações foi mais forte quando o material tinha um elétron livre por molécula.
- Variedade é quando um substrato estica ou comprime o material 2D. Quando o material é esticado, os elétrons têm dificuldade em se mover entre moléculas e átomos, então eles experimentam interações locais mais fortemente.
- Hibridação é quando o caráter eletrônico do substrato e o material 2D são misturados devido ao acoplamento entre eles. Substratos metálicos geralmente têm forte hibridização, o que pode suprimir o magnetismo. Mas substratos isolantes, como nitreto de boro hexagonal atomicamente fino, têm hibridização muito fraca e preservam as interações eletrônicas no material.
Com essa compreensão de quais são as variáveis-chave, é possível considerar como manipular essas variáveis para controlar as interações eletrônicas.
O estudo mostrou que um campo elétrico pode ativar e desativar o magnetismo alterando a transferência de carga.
Os campos elétricos são como os transistores existentes operam. Ter o controle elétrico das fases magnéticas é vital para a utilização desses materiais em dispositivos eletrônicos.
O estudo também mostrou que a tensão aplicada pode ativar e desativar o magnetismo. Isso pode ser alcançado usando materiais piezoelétricos. É também uma consideração importante para a eletrônica flexível.
“A equipe continua investigando fortes interações em estruturas metal-orgânicas 2D, que fornecem uma plataforma rica para explorar a nova física quântica aplicada a dispositivos eletrônicos com eficiência energética”, diz o autor correspondente Prof Nikhil Medhekar (Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Monash). , que liderou o estudo, “Estamos investigando métodos mais avançados para simular interações fortes entre elétrons”.
“Este trabalho fornece previsões quantitativas, usando diversos formalismos teóricos, sobre as propriedades eletrônicas de nanomateriais de baixa dimensão em uma ampla gama de substratos e condições”, diz o coautor A/Prof Agustin Schiffrin (Monash School of Physics and Astronomy), que lidera pesquisas experimentais sobre esses materiais, “Isso pode orientar futuros experimentos do mundo real, o que é extremamente valioso para pesquisadores experimentais”.
Este estudo foi apoiado pelo Australian Research Council (Centre of Excellence and Future Fellowship). Os recursos para cálculos numéricos foram fornecidos pela National Computing Infrastructure (NCI) e Pawsey Supercomputing Center.
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