一项由澳大利亚主导的研究发现了一种新型原子级薄材料具有不寻常的绝缘行为，以及打开和关闭它的能力。
电子间相互作用强的材料可以表现出不同寻常的特性，比如即使它们应该导电，也能充当绝缘体。这些绝缘体被称为莫特绝缘体，当电子因受到附近其他电子的强烈排斥而被冻结时，它们就会出现这种现象，从而无法承载电流。
由莫纳什大学 FLEET 牵头的一项新研究(本周发表在 《自然通讯》上)展示了原子级厚度的金属有机骨架 (MOF) 中的莫特绝缘相，以及可控制地将这种材料从绝缘体转换为导体的能力。这种材料能够充当高效的“开关”，使其成为晶体管等新型电子设备应用的有希望的候选材料。
命中注定的电子相互作用
该研究的核心材料是原子级薄(或“2D”)材料，这是一种由有机分子和金属原子组成的材料。
“由于超分子化学方法的多功能性——尤其是应用于表面作为基质——我们有几乎无限的组合来从下至上构建材料，具有原子级精度，”通讯作者 A/Prof Schiffrin 解释道。“在这些方法中，有机分子被用作构建块，通过仔细选择正确的成分，我们可以调整 MOF 的属性。”
本研究中 MOF 的重要定制特性是其星形几何形状，称为 kagome 结构。这种几何形状增强了电子间相互作用的影响，直接导致了 Mott 绝缘体的实现。
开关：电子布居
作者利用铜原子和 9,10-二氰基蒽 (DCA) 分子的组合构建了星形 kagome MOF。他们在原子级平坦的铜表面 Cu(111) 上，在另一种原子级薄的绝缘材料六方氮化硼 (hBN) 上生长这种材料。
“我们使用扫描隧道显微镜和光谱法在原子尺度上测量了 MOF 的结构和电子特性，”主要作者 Benjamin Lowe 博士解释说，他最近在 FLEET 完成了博士学位。“这使我们能够测量出意想不到的能隙——绝缘体的标志。”
通过将实验结果与动态平均场理论计算进行比较，证实了作者的怀疑，即实验测量的能隙是莫特绝缘相的特征。
“我们计算中的电子特征与实验测量结果高度一致，并提供了 Mott 绝缘相的确凿证据，”FLEET 校友 Bernard Field 博士解释说，他与昆士兰大学和冲绳科学技术研究生院的研究人员合作进行了理论计算。
作者还可以通过改变 hBN 基底的化学环境和扫描隧道显微镜尖端下方的电场来改变 MOF 中的电子数量。
当一些电子从 MOF 中移除时，剩余电子所受的排斥力会减小，它们会解冻——从而使材料表现得像金属一样。当作者从 MOF 中移除一些电子时，他们能够从测量能隙的消失中观察到这种金属相。电子数量是可控莫特绝缘体到金属相变的开关。
下一步是什么?
这种 MOF 能够通过改变电子数量在莫特绝缘体和金属相之间切换，这是一个很有希望的结果，可用于新型电子设备(例如晶体管)。实现此类应用的下一个有希望的步骤是将这些发现复制到一个设备结构中，在该结构中，电场均匀地施加在整个材料上。
在易于合成且含有丰富元素的 MOF 中观察到莫特绝缘体，也使这些材料成为进一步研究强关联现象的有吸引力的候选材料——可能包括超导、磁性或自旋液体。
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