Les matériaux qui présentent de fortes interactions entre électrons peuvent présenter des propriétés inhabituelles telles que la capacité d’agir comme isolants même lorsqu’ils sont censés conduire l’électricité. Ces isolants, appelés isolants de Mott, se produisent lorsque les électrons se figent en raison de la forte répulsion qu'ils ressentent de la part des autres électrons à proximité, les empêchant de transporter un courant.

Dirigée par FLEET à l'Université Monash, une nouvelle étude, publiée cette semaine dans Nature Communications , a démontré une phase isolante Mott dans un cadre organométallique (MOF) atomiquement mince et la capacité de faire passer de manière contrôlable ce matériau d'un isolant à un conducteur. La capacité de ce matériau à agir comme un « interrupteur » efficace en fait un candidat prometteur pour une application dans de nouveaux appareils électroniques tels que les transistors.

Interactions électroniques écrites dans les étoiles

Le matériau atomiquement mince (ou 2D) au cœur de l'étude est un type de MOF, une classe de matériaux composés de molécules organiques et d'atomes métalliques.

"Grâce à la polyvalence des approches de chimie supramoléculaire, en particulier appliquées aux surfaces en tant que substrats, nous disposons d'un nombre presque infini de combinaisons pour construire des matériaux de bas en haut, avec une précision à l'échelle atomique", explique l'auteur correspondant A/Prof Schiffrin. "Dans ces approches, des molécules organiques sont utilisées comme éléments de base. En choisissant soigneusement les bons ingrédients, nous pouvons ajuster les propriétés des MOF."

La propriété sur mesure importante du MOF dans cette étude est sa géométrie en forme d'étoile, connue sous le nom de structure kagome. Cette géométrie renforce l'influence des interactions électron-électron, conduisant directement à la réalisation d'un isolant Mott.

L'interrupteur marche-arrêt :la population électronique

Les auteurs ont construit le kagome MOF en forme d'étoile à partir d'une combinaison d'atomes de cuivre et de molécules de 9,10-dicyanoanthracène (DCA). Ils ont fait croître le matériau sur un autre matériau isolant atomiquement mince, le nitrure de bore hexagonal (hBN), sur une surface de cuivre atomiquement plate, Cu(111).

"Nous avons mesuré les propriétés structurelles et électroniques du MOF à l'échelle atomique en utilisant la microscopie à effet tunnel et la spectroscopie", explique l'auteur principal, le Dr Benjamin Lowe, qui a récemment terminé son doctorat. avec FLOTTE. "Cela nous a permis de mesurer un écart énergétique inattendu, la marque d'un isolant."

Les soupçons des auteurs selon lesquels l'écart d'énergie mesuré expérimentalement était une signature d'une phase isolante de Mott ont été confirmés en comparant les résultats expérimentaux avec les calculs de la théorie dynamique du champ moyen.

"La signature électronique de nos calculs a montré un accord remarquable avec les mesures expérimentales et a fourni des preuves concluantes d'une phase isolante Mott", explique le Dr Bernard Field, ancien élève de FLEET, qui a effectué les calculs théoriques en collaboration avec des chercheurs de l'Université du Queensland et de l'Institut d'Okinawa. de l'Université des Sciences et Technologies du Japon.

Les auteurs ont également pu modifier la population électronique dans le MOF en utilisant les variations de l'environnement chimique du substrat hBN et le champ électrique situé sous la pointe du microscope à effet tunnel.

Lorsque certains électrons sont retirés du MOF, la répulsion ressentie par les électrons restants est réduite et ils se dégelent, permettant au matériau de se comporter comme un métal. Les auteurs ont pu observer cette phase métallique à partir d'une disparition de l'écart énergétique mesuré lorsqu'ils ont retiré certains électrons du MOF. La population électronique est l'interrupteur marche-arrêt pour les transitions de phase contrôlables entre l'isolant Mott et le métal.

Quelle est la prochaine étape ?

La capacité de ce MOF à basculer entre les phases isolantes Mott et métalliques en modifiant la population électronique est un résultat prometteur qui pourrait être exploité dans de nouveaux types de dispositifs électroniques (par exemple, les transistors). Une prochaine étape prometteuse vers de telles applications serait de reproduire ces découvertes dans une structure de dispositif dans laquelle un champ électrique est appliqué uniformément sur l'ensemble du matériau.

L'observation d'un isolant Mott dans un MOF, facile à synthétiser et contenant des éléments abondants, fait également de ces matériaux des candidats attrayants pour des études plus approfondies de phénomènes fortement corrélés, notamment la supraconductivité, le magnétisme ou les liquides de spin.