Wie verhalten sich magnetische Moleküle in winzigen Räumen?
Magnetische Moleküle könnten zu Fortschritten in der konventionellen Elektronik führen. Können ihre komplexen Eigenschaften auf elektronische oder spintronische Schaltkreise und Nanogeräte angewendet werden? Aufgrund ihrer Fähigkeit, ihren Spinzustand – das Potential für Konfigurationen von Elektronen mit hohem und niedrigem Spin – unter externen Stimuli wie Licht, Temperatur und Druck zu ändern, gelten Spin-Crossover-Moleküle (SCO) als vielversprechende magnetische Schalter im Nanomaßstab. Bei der Abwärtsskalierung in nanogroße elektronische Geräte stehen SCO-Systeme jedoch vor bestimmten Hindernissen. Sie sind instabil, isolierend und es mangelt an Kontrolle bei der Positionierung von Nanokristallen in Nanogeräten. Die Lösung für diese Probleme könnte in einer speziellen Klasse von 1D-Kohlenstoffmaterialien liegen, die als einwandige Kohlenstoffnanoröhrchen (SWCNTs = single-walled carbon nanotubes) bezeichnet werden. Die von den EU-finanzierten Projekten 2DSPIN, MINT und PINT unterstützten Forschenden haben die elektrische Leitfähigkeit eines Kohlenstoffnanoröhrchens mit darin enthaltenen SCO-Molekülen gemessen. Sie entdeckten, dass sich der Spinzustand dieser Moleküle radikal mit der Temperatur ändert – ein Befund, der für Magnetschalter und spintronische Geräte relevant ist. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.
Was sind einwandige Kohlenstoffnanoröhrchen und warum werden sie verwendet?
Einwandige Kohlenstoffnanoröhrchen bestehen aus einzelnen Graphenschichten, die zu Hohlzylindern aufgerollt werden, deren Wände ein Atom dick sind. Sie weisen aufgrund ihrer Struktur und Dimensionsmerkmale hervorragende mechanische, elektrische, optische und thermische Eigenschaften auf. Wichtig ist, dass sie als Modellleiter dienen können, welche die isolierende Natur eines SCO-Moleküls überwinden. Wenn SCO-Moleküle in einer einwandigen Kohlenstoffnanoröhre eingekapselt sind, fungiert das Nanoröhrchen als elastische mechanische Hülle, welche die Moleküle vor der Umgebung schützt und dabei hilft, sie in Nanogeräten kontrollierbar zu positionieren. Für ihre Forschung verwendeten die Teammitglieder handelsübliche einwandige Kohlenstoffnanoröhrchen, die über ein Beschichtungsverfahren, das als chemische Gasphasenabscheidung bezeichnet wird, gezüchtet wurden. Die Nanoröhrchen waren zu 99 % rein, hatten einen Durchmesser von 1,6 bis 2,2 nm und eine Länge von 3 bis 30 μm. Die Forschenden kapselten robuste, nulldimensionale SCO-Moleküle auf Eisenbasis in die 1D-Hohlräume von einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen, um gemischtdimensionale Hybride aus SCO-Molekülen und einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen zu bilden. Anschließend untersuchten sie den Elektronentransport durch einzelne Strukturen von SCO-Molekülen und einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen, die in nanoskalige Transistoren eingebettet waren. „Wir zeigen, dass die Leitfähigkeit des einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchenwirts durch den Spinzustand der als Gast eingekapselten Moleküle verändert wird. Der Übergang zwischen zwei metastabilen Leitfähigkeitszuständen wird durch den thermischen SCO-Schalter ausgelöst. Der Einschluss der Moleküle innerhalb der einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen führt wiederum zu einer Verschiebung des SCO-Übergangs zu höheren Temperaturen und dem Auftreten einer großen thermischen Hysterese, die in großen Materialmengen nicht vorhanden ist“, berichtet die Autorschaft in der Arbeit. Die Studie zeigte, dass der SCO-Mechanismus der Einkapselung und der Positionierung der Hybridstrukturen in nanoskaligen Transistoren standhalten kann. Es wurde festgestellt, dass der SCO-Schalter in den eingekapselten Molekülen eine große Bistabilität der Leitfähigkeit – der Zustand, in dem ein Molekül zwei stabile leitende Zustände haben kann – durch den einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchenwirt auslöst. „Unsere Ergebnisse zeigen, wie die Einkapselung in einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen das Rückgrat für das Auslesen und Positionieren von SCO-Molekülen in Nanogeräten bildet und auch dazu beitragen kann, ihre magnetischen Eigenschaften im Nanobereich abzustimmen“, schließt die Autorschaft. Die Projekte 2DSPIN (2D magnetic materials for molecular SPINtronics), MINT (Mechanically Interlocked Carbon Nanotubes) und PINT (Ultrastrong Composites through Polymers Interlocked with carbon NanoTubes) wurden vom spanischen Nanowissenschaftsinstitut IMDEA Nanociencia koordiniert. Alle drei Projekte sind beendet. Weitere Informationen: 2DSPIN-Projekt MINT-Projekt PINT-Projekt
Schlüsselbegriffe
2DSPIN, MINT, PINT, magnetisches Molekül, Spin-Crossover, Nanoröhre, einwandiges Kohlenstoffnanoröhrchen, SWCNT, Nanogerät
