Схематическое изображение магнетизма, вызванного взаимодействием, в 2D MOF и того, как на него влияют подложки.
а Шарикостержневые модели DCA и Cu, компонентов MOF и их изолированных электронных структур. Ионы меди(I) и молекулы DCA в MOF не обладают магнитными свойствами.
b Шарикостержневая модель DCA-Cu kagome MOF, где электрон-электронные кулоновские взаимодействия внутри MOF индуцируют магнитные моменты. MOF имеет электронную зонную структуру кагоме, полученную из DCA LUMO (показана схема без спиновой поляризации).
c Шарикостержневая модель DCA-Cu MOF на подложке и схематические зонные структуры. На магнетизм в MOF влияет связь с подложкой, перенос заряда из MOF или в него (например, за счет приложенного электрического поля) и деформация, которая изменяет ширину полосы пропускания. Сила магнитных моментов может быть увеличена за счет использования слабо взаимодействующей подложки, благоприятного заполнения MOF электронами за счет выбора работы выхода подложки или приложения электрических полей, а также за счет приложения деформации растяжения к MOF, например, за счет несоответствия решетки. (ВЗМО: самая высокая занятая молекулярная орбиталь. НСМО: самая низкая незанятая молекулярная орбиталь).
Кредит:Вычислительные материалы npj (2022). DOI: 10.1038/s41524-022-00918-0

Включение и выключение магнетизма с помощью подложек

Сильные взаимодействия между электронами в материалах приводят к таким эффектам, как магнетизм и сверхпроводимость. Эти эффекты находят применение в магнитной памяти, спинтронике и квантовых вычислениях, что делает их привлекательными для новых технологий.

В прошлом году другое исследование в Монаше обнаружило сильные электронные взаимодействия в двумерном металлоорганическом каркасе. Исследователи обнаружили в этом материале следы магнетизма. Они показали, что этот магнетизм возник из-за сильных взаимодействий, которые присутствовали только тогда, когда немагнитные компоненты были сведены вместе.

Этот материал был выращен на металлической подложке. Подложка была важна для роста и измерения материала.

«Мы наблюдали этот эффект, когда материал выращивали на серебре, но не на меди, несмотря на то, что они очень похожи», — говорит Бернард Филд (Монаш), соавтор более раннего исследования и ведущий автор текущего исследования.

«Поэтому возникает вопрос: почему материал ведет себя так по-разному на разных подложках?»

Исследователи смоделировали металлоорганический каркас на различных подложках, чтобы определить, при каких условиях может возникнуть магнетизм.

Они также создали простую модель, которая точно описывала физические явления в своих симуляциях атомного масштаба. Эта модель позволила команде быстро и легко изучить более широкий спектр систем с точным контролем важных параметров.

Было обнаружено, что три ключевые переменные определяют влияние субстратов на электронные взаимодействия: перенос заряда, деформация и гибридизация субстрата.

• Перенос заряда — это когда подложка отдает или забирает электроны из двумерного материала. Эффект взаимодействия был самым сильным, когда материал имел один свободный электрон на молекулу.
• Деформация — это когда подложка растягивает или сжимает 2D-материал. Когда материал растягивается, электроны с трудом перемещаются между молекулами и атомами, поэтому они сильнее испытывают локальные взаимодействия.
• Гибридизация - это когда электронный характер подложки и 2D-материала смешиваются из-за связи между ними. Металлические подложки часто имеют сильную гибридизацию, которая может подавлять магнетизм. Но изолирующие подложки, такие как атомарно-тонкий гексагональный нитрид бора, имеют очень слабую гибридизацию и сохраняют электронные взаимодействия в материале.

При таком понимании того, что такое ключевые переменные, можно рассмотреть, как манипулировать этими переменными для управления электронными взаимодействиями.

Исследование показало, что электрическое поле может включать и выключать магнетизм, изменяя перенос заряда.

Электрические поля — это то, как работают существующие транзисторы. Наличие электрического контроля магнитных фаз жизненно важно для использования этих материалов в электронных устройствах.

Исследование также показало, что приложенная деформация может включать и выключать магнетизм. Это может быть достигнуто с помощью пьезоэлектрических материалов. Это также важное соображение для гибкой электроники.

«Команда продолжает исследовать сильные взаимодействия в двумерных металлоорганических структурах, которые обеспечивают богатую платформу для изучения новой квантовой физики, применяемой для энергоэффективных электронных устройств», — говорит автор-корреспондент профессор Нихил Медхекар (отделение материаловедения и инженерии Монаша), который руководил исследованием: «Мы изучаем более продвинутые методы моделирования сильных взаимодействий между электронами».

«Эта работа предоставляет количественные прогнозы электронных свойств низкоразмерных наноматериалов на широком диапазоне субстратов и условий с использованием различных теоретических формализмов», — говорит соавтор, профессор Агустин Шиффрин (Школа физики и астрономии Монаша), который ведет экспериментальные исследования этих материалов: «Это может служить ориентиром для будущих экспериментов в реальном мире, что чрезвычайно ценно для исследователей-экспериментаторов».

«Корреляционно-индуцированный магнетизм в поддерживаемых подложкой двумерных металлоорганических каркасах» был опубликован в npj Computational Materials в ноябре 2022 года.