Исследование, подписанное исследователями Каролиной Санудо, Гильемом Габарро-Риерой и Гильемом Ароми из группы магнетизма и функциональных молекул химического факультета и Института нанонаук и нанотехнологий Университета Барселоны (IN2UB), описывает глобальный сценарий прогресса исследований в этой области, и в нем предлагаются новые способы достижения прогресса в организации в двух измерениях (2D) магнитных молекул, что касается их технологических применений.

Статья включает рекомендации по выбору наилучшего метода осаждения для каждой молекулы, обзор используемых поверхностей в этих процессах, а также рекомендации по эффективной характеристике и перспективам на будущее, основанные на двумерных материалах. Более того, авторы предлагают новый критический взгляд на то, как в ближайшем будущем достичь эффективного применения молекулярных систем в устройстве, чтобы получить более быструю технологию, использующую меньше энергии.

Молекулярная нанонаука и магнитные материалы

В процессе выбора метода нанесения верхнего слоя на поверхности для каждой магнитной молекулы мы должны учитывать каждую молекулу и ее структуру, а также поверхность и структуру, которые она имеет. "Выбор наилучшего метода зависит от системы, но всегда можно найти подходящую комбинацию для осаждения молекулярных систем", - отмечает преподаватель Каролина Санудо с кафедры неорганической и органической химии Калифорнийского университета.

"Протоколы различаются в каждом конкретном случае, и первым шагом является определение желаемых характеристик поверхности", - продолжает она. "Например, если мы хотим изучать спинтронику, нам понадобится проводящая поверхность. Как только поверхность и ее природа определены, важно определить анизотропию формы молекулы, изучая ее кристаллическую структуру, ее свойства - может ли она сублимироваться? может ли оно раствориться? в каких растворителях? -- и потенциальные точки привязки - есть ли у него функциональные группы, которые допускают хемосорбцию, и если нет, то каковы варианты физической абсорбции? Если нет, то каковы варианты физической абсорбции? Как только у нас будут все эти детали, мы сможем разработать протокол депонирования. Например, если в нашей молекуле есть доступная группа серы, мы можем закрепить ее путем хемосорбции на поверхности золота (Au). Если молекула может подвергаться сублимации, мы можем сделать это путем испарения", - заключает она.

Меньшие по размеру и более эффективные электронные устройства

Синтез новых молекул с лучшими свойствами - это неудержимый процесс", но стабильность не всегда идет рука об руку с магнитными свойствами. Прямо сейчас молекула с самой высокой температурой блокирования T - ниже которой молекула ведет себя как магнит - чрезвычайно нестабильна. В частности, это металлоорганическое соединение, и это делает очень трудным (или невозможным) нанесение его на поверхность или использование в технологическом устройстве."

Для улучшения конструкции магнитных молекул и получения более эффективных процессов поверхностного осаждения необходимо повысить стабильность новых металлоорганических мономолекулярных магнитов (SMM), если мы хотим эффективно их использовать. С другой стороны, магнитные молекулы, которые не очень хороши в качестве SMM, или которые являются квантовыми битами (кубитами), или молекулы, которые имеют электронные переходы со спином, имеют особенности, которые делают их очень трудными в использовании - из-за отсутствия или незначительной анизотропии в их форме или множества закрепляющих функциональных групп, которые делают различные возможны отложения молекулы на поверхности.

"Чтобы избежать этого, необходимо усовершенствовать организацию молекул D2. Например, путем формирования двумерных металлоорганических материалов (MOF), в которых конкрецией является молекула, и нанесения нанослоев, которые уже неявно упорядочены на поверхности. 2D MOF, где каждый узел является кубитом, позволил бы нам получить массив упорядоченных кубитов на поверхности. Это очень важная задача, и некоторые группы, подобные нашей, работают над ней", - говорит исследователь.

Снижение энергопотребления технологических устройств является еще одной целью технологии поверхностного осаждения. "Разработанные устройства, - продолжает она, - могут иметь очень низкое энергопотребление, если у нас есть устройство, которое хранит информацию в SMM, или мы используем кубиты в идеально упорядоченной 2D-матрице, или систему со спиновыми молекулами с электронным переходом на поверхности с помощью молекулярной спинтроники. Кроме того, они были бы быстрее и миниатюрнее, чем современные устройства".

В этой области синтез неорганических соединений позволил создать магнитные молекулы, которые могут функционировать при температурах, близких к температуре жидкого азота, "и это стало крупным прорывом", - говорит исследователь. Такие технологии, как туннельная микроскопия (STM) и атомно-силовая микроскопия (АСМ) с функционализированными наконечниками, позволили определить положение молекул на поверхности. В частности, АСМ с функционализированными наконечниками может стать очень полезным методом для характеристики поверхностных молекул.

"Открытие того, что слой оксида магния (MgO) толщиной в несколько нанометров необходим для отделения молекулы от поверхности для сохранения молекулярных свойств после осаждения молекулы, является крупным прорывом. Также стоит упомянуть покрытие больших площадей поверхности монослоями молекул с высоким процентом упорядоченности, поскольку расположение молекулы на поверхности различными способами может вызывать различные взаимодействия и, следовательно, приводить к тому, что не все молекулы сохраняют свои свойства. Эти два момента имеют решающее значение для будущей разработки устройств, основанных на использовании молекул, нанесенных на поверхности", - говорит Каролина Санудо.

Магнитные молекулы: будущие вызовы

На данный момент получение SMM при повышенных температурах или синтез кубитов с более длительными временами релаксации (T1) и когерентности (T2), которые облегчают использование в более крупных устройствах, является сложной задачей для химиков. Возможность получения больших площадей, покрытых монослоями равных и упорядоченных молекул, также будет представлять собой очень важный прогресс, и эта задача включает в себя определение характеристик. По этой причине применение методов синхротронного излучения, таких как GIXRD, HAXPES и XMCD, будет иметь важное значение.

"Чтобы достичь такого порядка молекул на поверхности, группа UB по магнетизму и функциональным молекулам рассматривает возможность использования 2D MOF, то есть координационных полимеров, которые простираются в двух измерениях и состоят из чрезвычайно тонких слоев, сложенных силами Ван-дер-Ваальса. Наша команда также хочет решить другие задачи, такие как измерение времен релаксации T1 и T2 для кубита, нанесенного на поверхность, и подтверждение того, что они поддерживают (или улучшают) измеренные значения", - заключает исследователь.