Сотрудники Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук (ФИЦ ПХФ и МХ РАН), Института физики твёрдого тела РАН и Химического факультета Высшей школы наук Киотского университета (Япония) создали уникальный многослойный материал на основе фуллеренов C₆₀ и триптицена, сочетающий металлическую проводимость в одних слоях и управляемый антиферромагнетизм в других, что открывает путь для разработки переключающих устройств нового поколения. Результаты исследования опубликованы в статье в журнале Synthetic Metals.

Представьте себе уникальный многослойный пирог, в котором одни слои отлично проводят электрический ток, словно металл, а соседние — являются изоляторами и при этом обладают ярко выраженными магнитными свойствами. Именно такие необычные материалы создали и исследовали учёные из России и Японии, используя знаменитые углеродные «мячики» — фуллерены C₆₀.

Учёные нашли остроумный способ разделить фуллерены, используя молекулу-«распорку» под названием триптицен (TPC). Исследователи из России и Японии изучили, как изменение структуры молекул триптицена влияет на свойства уникальных органических материалов, содержащих фуллерены. Эта молекула внедряется между фуллеренами, удерживая их на расстоянии, не давая слипнуться, даже при плотном расположении. Вся структура дополнительно скреплена катионами MDABCO⁺.

Фуллерены в заряженном состоянии (C₆₀•−) очень склонны к образованию пар — димеров, что приводит к потере их способности проводить ток и участвовать в магнитных взаимодействиях. Другими словами, в слипшемся состоянии они становятся «электронно мёртвыми». Чтобы раскрыть потенциал фуллеренов, необходимо помешать им слипаться.

Исследования показали, что кристаллы солей (MDABCO⁺)(C₆₀•−)(TPC-X) (где X = H, Br, I) образуют слоистую структуру с двумя принципиально разными типами слоев:

• Слой A: фуллерены взаимодействуют с азотом катиона MDABCO⁺ и слои показывают металлическую проводимость, хорошо проводя электрический ток.

• Слой B: электроны локализованы на отдельных молекулах и фуллереновые слои являются изоляторами. Здесь спины электронов взаимодействуют антиферромагнитно — соседние спины ориентируются в противоположные стороны. При этом сила этого взаимодействия (параметр J) растёт с увеличением размера атома X: от -28 см⁻¹ для Br до -34 см⁻¹ для I, что хорошо описывается моделью Гейзенберга для двумерных магнетиков. Фуллерены «чувствуют» заместители X = H, Br, I в триптицен, поэтому они сильно влияют на упаковку и магнитные свойства этих слоёв. Таким образом, магнитными свойствами слоёв B можно управлять, меняя X.

Интересно, что металлические слои A сохраняют свои проводящие свойства вплоть до 350 К, что подтверждается характерным сигналом электронного парамагнитного резонанса (Дайсоновской линией). Однако при дальнейшем нагреве выше этой температуры происходит важный переход: расстояния между фуллеренами увеличиваются, уменьшается перекрытие электронных облаков, и слои теряют металлические свойства, переходя в состояние Моттовского диэлектрика — электроны «застревают» на своих молекулах, и материал становится изолятором.

Это открытие представляет собой редкий пример материала с чередующимися слоями, обладающими принципиально разными свойствами — металлическими и магнитными изолирующими — в одной кристаллической решётке. Возможность управлять магнитными свойствами путём простой химической настройки молекулы-распорки открывает новые горизонты для создания материалов с заданными и переключаемыми свойствами. Управляемый переход металл-изолятор и настраиваемый магнетизм важны для разработки новых переключающих устройств и углублённого понимания фундаментальных свойств узкозонных материалов.

Таким образом, работа демонстрирует, как изменение размера атома в молекуле-триптицене позволяет тонко регулировать ключевые свойства сложных материалов на основе фуллеренов, открывая путь к созданию функциональных материалов будущего.

Источник: ФИЦ ПХФ и МХ РАН.