Eine Gruppe der Universität Nagoya in Japan hat eine nie zuvor gesehene Form von Rutheniumphosphid mit einer ungewöhnlichen Anordnung von Atomen und Elektronen im abgekühlten Zustand entdeckt. Dies könnte das Rätsel lösen, wie ein Metall bei hohen Temperaturen ein Leiter, bei niedrigeren Temperaturen jedoch ein Isolator sein kann.
Ruthenium ist ein seltenes Metall, das zur Platingruppe der Metalle gehört. Als Verbindung wird üblicherweise Rutheniumphosphid (RuP) wegen seiner Stabilität und Leitfähigkeit als Material verwendet. RuP verhält sich wie ein Metall und leitet bei Raumtemperatur Strom. Im Jahr 2011 wurde jedoch entdeckt, dass beim Abkühlen unter 0 °C sein elektrischer Widerstand zunimmt und es zu einem Isolator wird.
Wenn ein Metall den Übergang von seiner metallischen Phase bei hohen Temperaturen in die isolierende Phase bei niedrigeren Temperaturen durchläuft, wird der Punkt, an dem es von einer Phase in die andere übergeht, als Metall-Isolator-Übergang (MIT) bezeichnet. Der Mechanismus, durch den RuP diesen Übergang durchläuft, war jedoch umstritten.
„Es wird seit über 10 Jahren diskutiert, aber es gibt keinen Konsens über den Mechanismus“, erklärt der Hauptautor, außerordentlicher Professor Daigorou Hirai. „Auch der Ursprung des Übergangs war von großem Interesse, zumal Supraleitung auftritt, wenn dieser Übergang unterdrückt wird.“
Eine von Hirai geleitete Gruppe mit Associate Professor Naoyuki Katayama und Student Keita Kojima von der Graduate School of Engineering an der Nagoya University untersuchte die Eigenschaften und die Kristallstruktur von RuP bei niedrigen Temperaturen, um den Mechanismus des MIT mithilfe einer Technik namens Synchrotronstrahlung X aufzuklären -Strahlenbeugung. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie im Zeitschrift der American Chemical Society.
Die Gruppe entdeckte, dass der bei höheren Temperaturen festgestellte einheitliche Abstand zwischen Rutheniummolekülatomen moduliert wurde, wenn sich der Festkörper von einem Metall in einen Isolator verwandelte. Bei niedrigen Temperaturen bildet der Kristall eine Struktur, die als linearer Trimer bezeichnet wird und wie ein Gartengitter mit einer Reihe von Dreiecken aussieht, die so angeordnet sind, dass ihre obersten Punkte nach oben und unten zeigen und in einer geraden Reihe befestigt sind.
RuP-Trimere, ein anderer Molekültyp als die üblicherweise in Festkörpern vorkommenden, bilden chemische Bindungen, indem sie beim Eintritt in die Niedertemperaturphase vier Elektronen einbauen. Dies kann helfen, das Rätsel zu lösen, wie ein Metall bei hohen Temperaturen ein Leiter, aber bei niedrigeren Temperaturen ein Isolator sein kann. Elektronen sind wichtig für den Stromfluss, wenn sie also eingefangen werden, um diese Triplettmoleküle zu bilden, behindert dies den Stromfluss.
„Wir entdeckten, dass Ruthenium von einem Metall zu einem Isolator wechselt, indem es drei Molekülatome in einer geraden Linie verbindet und Elektronen einfängt“, erklärt Hirai. „Der neue Molekültyp besteht aus drei Atomen, die durch vier Elektronen verbunden sind, während die meisten Moleküle, die bisher in Festkörpern gefunden wurden, aus zwei Atomen bestehen, die durch zwei Elektronen verbunden sind. Moleküle gibt es in einer Vielzahl von Formen und Bindungsarten, aber es gibt sie Es gab nur wenige bekannte Variationen in Festkörpern. Molekülorbitale, die in RuP gefunden wurden, sind insofern wichtig, als sie zeigen, dass es eine Vielfalt in der Molekülbildung gibt, sogar in Festkörpern.“
Die Bildung von Molekülen in Festkörpern, die ihre elektrischen und optischen Eigenschaften verändern, kann für Sensoren und Schaltgeräte gelten. Aber die Ergebnisse des Teams erweitern diese Forschungsrichtung. „Die Entdeckung verschiedener Arten von Molekülen kann schnellere Änderungen der Eigenschaften, schnellere Reaktionen und molekulare Kontrolle durch magnetische, elektrische und Stressfelder ermöglichen“, erklärt Hirai.
„Die Bildung des Molekülorbitals verändert die elektrische Leitfähigkeit erheblich, was als Temperatursensor verwendet werden kann. Da die Bildung von Molekülorbitalen außerdem die Lichtdurchlässigkeit erheblich verändert, ziehen wir auch intelligente Fenster in Betracht, die die Lichtdurchlässigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur ändern.“
Mehr Informationen:
Daigorou Hirai et al, Bildung linearer Trimermoleküle durch Drei-Zentren-Vier-Elektronen-Bindung in einem kristallinen festen RuP, Zeitschrift der American Chemical Society (2022). DOI: 10.1021/jacs.2c06173