Fortschritte und Herausforderungen in der molekularen Nanowissenschaft

Auf dem Gebiet des molekularen Magnetismus erfordert das Design von Geräten mit technologischen Anwendungen im Nanomaßstab – Quantencomputer, molekulare Spintronik, magnetische Kühlung, Nanomedizin, hochdichte Informationsspeicherung usw. – diese magnetischen Moleküle, die auf der Oberfläche platziert werden, um sie zu erhalten ihre Struktur, Funktionalität und Eigenschaften.

Jetzt ist ein Artikel in der Zeitschrift erschienen Bewertungen der Koordinationschemie analysiert die neuesten Erkenntnisse über die Prozesse der Abscheidung und Organisation magnetischer Moleküle auf Oberflächen (Nanostrukturierung), ein entscheidender Prozess für den Fortschritt von Technologien, die eine Miniaturisierung von Motoren und ein effizienteres Funktionieren in Nanometerdimensionen beinhalten.

Die Studie – durchgeführt von den Forschern Carolina Sañudo, Guillem Gabarró-Riera und Guillem Aromí von der Gruppe für Magnetismus und funktionelle Moleküle der Fakultät für Chemie und dem Institut für Nanowissenschaften und Nanotechnologie der Universität Barcelona (IN2UB) – beschreibt das Globale Szenario des Fortschritts der Forschung auf diesem Gebiet und schlägt neue Wege vor, um Fortschritte bei der Organisation in zwei Dimensionen (2D) magnetischer Moleküle im Hinblick auf ihre technologischen Anwendungen zu machen.

Der Artikel enthält Empfehlungen zur Auswahl der besten Abscheidungsmethode für jedes Molekül, einen Überblick über die verwendeten Oberflächen in diesen Prozessen, abgesehen von Richtlinien für eine effektive Charakterisierung und Zukunftsperspektiven basierend auf zweidimensionalen Materialien. Darüber hinaus bieten die Autoren eine neue kritische Perspektive, wie die effektive Anwendung der molekularen Systeme in einem Gerät erreicht werden kann, um in naher Zukunft eine schnellere Technologie zu erhalten, die weniger Energie verbraucht.

Molekulare Nanowissenschaft und magnetische Materialien

Bei der Auswahl der besten Abscheidungsmethode auf Oberflächen für jedes magnetische Molekül müssen wir jedes Molekül und seine Struktur sowie die Oberfläche und Struktur, die es hat, berücksichtigen. „Die Wahl der besten Methode hängt vom System ab, aber es wird immer möglich sein, eine geeignete Kombination zu finden, um die molekularen Systeme abzuscheiden“, sagt Dozentin Carolina Sañudo vom Institut für Anorganische und Organische Chemie der UB.

„Die Protokolle sind jeweils unterschiedlich und der erste Schritt besteht darin, die gewünschten Eigenschaften der Oberfläche zu bestimmen“, sagt sie.

„Wenn wir zum Beispiel Spintronik studieren wollen, brauchen wir eine leitende Oberfläche. Sobald die Oberfläche und ihre Beschaffenheit bestimmt sind, ist es wichtig, die Formanisotropie des Moleküls zu bestimmen, während man seine kristalline Struktur, seine Eigenschaften – kann kann es sublimieren? Kann es sich auflösen? In welchen Lösungsmitteln – und potenziellen Ankerpunkten – hat es funktionelle Gruppen, die eine Chemisorption ermöglichen, und wenn nicht, welche Möglichkeiten gibt es für eine Physisorption?“

„Wenn nicht, was sind die Physisorptionsoptionen? Sobald wir alle diese Details haben, können wir ein Abscheidungsprotokoll entwerfen. Wenn unser Molekül beispielsweise eine verfügbare Schwefelgruppe hat, können wir es durch Chemisorption an einer Goldoberfläche (Au) verankern. Wenn das Molekül sublimiert werden kann, können wir es durch Verdampfung tun“, schließt sie.

Kleinere und effizientere elektronische Geräte

Die Synthese neuer Moleküle mit besseren Eigenschaften sei ein unaufhaltsamer Prozess, „aber Stabilität geht nicht immer mit magnetischen Eigenschaften einher. Gerade jetzt ist das Molekül mit der höchsten Sperrtemperatur T – unterhalb derer sich das Molekül wie ein Magnet verhält – extrem instabil. Insbesondere handelt es sich um eine metallorganische Verbindung, was es sehr schwierig (oder unmöglich) macht, sie auf der Oberfläche anzubringen oder in einem technologischen Gerät zu verwenden.“

Um das Design magnetischer Moleküle zu verbessern und effizientere Oberflächenabscheidungsprozesse zu erhalten, muss die Stabilität neuer metallorganischer monomolekularer Magnete (SMMs) verbessert werden, wenn sie effektiv eingesetzt werden sollen.

Andererseits haben magnetische Moleküle, die nicht so gute SMMs oder Quantenbits (Qubits) sind, oder Moleküle mit Spin-erlaubten elektronischen Übergängen Eigenschaften, die ihre Verwendung sehr schwierig machen – aufgrund fehlender oder geringer Anisotropie ihre Form oder mehrere verankernde funktionelle Gruppen, die vielfältige Ablagerungen des Moleküls auf der Oberfläche ermöglichen.

„Um dies zu vermeiden, ist es notwendig, die Organisation von D2-Molekülen voranzutreiben. Zum Beispiel, indem man zweidimensionale metallorganische Materialien (MOFs) formt, bei denen das Knötchen das Molekül ist, und die bereits implizit geordneten Nanoschichten auf einer Oberfläche abscheidet. Ein 2D-MOF, bei dem jeder Knoten ein Qubit ist, würde es uns ermöglichen, eine Reihe geordneter Qubits auf einer Oberfläche zu erhalten. Dies ist eine sehr wichtige Herausforderung, und einige Gruppen wie unsere arbeiten daran“, sagt der Forscher.

Die Reduzierung des Energieverbrauchs technologischer Geräte ist ein weiteres Ziel der Oberflächenabscheidungstechnologie. „Die entworfenen Geräte können einen sehr geringen Stromverbrauch haben, wenn wir ein Gerät haben, das Informationen in SMM speichert, oder wir Qubits in einer perfekt geordneten 2D-Matrix oder ein System mit spinaktivierten elektronischen Übergängen verwenden – aktivierte Moleküle auf einer Oberfläche durch molekulare Spintronik . Außerdem wären sie schneller und miniaturisierter als aktuelle Geräte.“

Auf diesem Gebiet hat die Synthese anorganischer Verbindungen Magnetmoleküle hervorgebracht, die bei Temperaturen in der Nähe von flüssigem Stickstoff funktionieren können, „und dies war ein großer Durchbruch“, sagt der Forscher. Technologien wie Tunnelmikroskopie (STM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) mit funktionalisierten Spitzen sind die Techniken, die es ermöglicht haben, die Position der Moleküle auf der Oberfläche zu identifizieren. Insbesondere AFM mit funktionalisierten Spitzen kann zu einer sehr nützlichen Technik zur Charakterisierung von Oberflächenmolekülen werden.

„Die Entdeckung, dass eine Magnesiumoxid (MgO)-Schicht von wenigen Nanometern benötigt wird, um das Molekül von der Oberfläche zu entkoppeln, um die molekularen Eigenschaften zu erhalten, sobald das Molekül abgeschieden ist, ist ein großer Durchbruch. Erwähnenswert ist auch die Beschichtung großer Oberflächenbereiche B. durch Monoschichten von Molekülen mit einem hohen Prozentsatz an Ordnung, da die unterschiedliche Anordnung der Moleküle auf der Oberfläche unterschiedliche Wechselwirkungen hervorrufen kann und daher dazu führt, dass nicht alle Moleküle ihre Eigenschaften beibehalten.

„Diese beiden Punkte sind entscheidend für die zukünftige Entwicklung von Geräten, die auf der Verwendung von auf Oberflächen abgeschiedenen Molekülen basieren“, sagt Carolina Sañudo.

Magnetische Moleküle: Zukünftige Herausforderungen

Derzeit ist es eine Herausforderung für Chemiker, SMMs bei erhöhten Temperaturen zu erhalten oder Qubits mit längeren Relaxationszeiten (T1) und Kohärenzzeiten (T2) zu synthetisieren, die den Einsatz in größeren Geräten erleichtern. In der Lage zu sein, große Flächen zu erhalten, die mit Monoschichten gleicher und geordneter Moleküle beschichtet sind, stellt ebenfalls einen sehr relevanten Fortschritt dar, und diese Herausforderung umfasst die Charakterisierung. Aus diesem Grund wird die Anwendung von Synchrotron-Lichttechniken – wie GIXRD, HAXPES und XMCD – unerlässlich sein.

„Um diese Anordnung der Moleküle auf der Oberfläche zu erreichen, erwägt die UB Group of Magnetism and Functional Molecules den Einsatz von 2D-MOFs, also Koordinationspolymeren, die sich in zwei Dimensionen ausdehnen und aus extrem dünnen Schichten bestehen, die durch Van-der-Waals-Kräfte gestapelt werden Unser Team möchte auch andere Herausforderungen angehen, wie zum Beispiel die Messung der T1- und T2-Relaxationszeiten für ein auf einer Oberfläche abgelagertes Qubit und die Bestätigung, dass sie die gemessenen Werte beibehalten (oder verbessern),“ schließt der Forscher.