Molekulární nanostruktury na površích – Jan Čechal

Funkční molekulární nanostruktury na površích: Příprava v UHV a in situ charakterizace.

Grafen: aktivní materiál pro řízení vlastností adsorbátů.

Povrchová analýza: LEEM, STM, XPS a ARPES.

Vědecké zaměření skupiny Molekulární nanostruktury na površích spojuje dvě aktuální témata: molekulární samouspořádávání a grafen. Naše experimentální aktivita spočívá v přípravě supramolekulárních nanostruktur na površích kovů a grafenu a studiu procesu samouspořádávání a funkčních vlastností připravených supramolekulárch vrstev se zvláštním zřetelem na aplikace v katalýze a spintronice.

Dále spolupracujeme na projektech, ve kterých uplatňujeme naši expertízu v chemické analýze povrchových vrstev.

Využití principu samouspořádávání umožňuje vytvářet nanostruktury s atomární přesností. Uspořádané supramolekulární soubory jsou vytvářeny se základních prvků, atomů a molekul, které jsou navrženy tak, aby za daných podmínek vytvořily definované struktury s danými funkčními vlastnostmi.

Grafen je dvojrozměrný materiál s unikátními mechanickými, optickými a mechanickými vlastnostmi. Mezi jeho nejzajímavější vlastnosti patří možnost řízení typu a koncentrace nositelů náboje externím elektrickým polem.

V rámci našeho výzkumu spojujícího tyto dvě atraktivní oblasti se zabýváme možnostmi využití externího řízení vlastností grafenu pro vytváření nových supramolekulárních nanostruktur a externího řízení jejich vlastností.

Výzkum zahrnuje následující témata:

Budování a efektivní rozhraní pro organickou elektroniku 

Organické polovodiče (OS) se staly nedílnou součástí zařízení využívající transparentní, flexibilní a biokompatibilní materiály a nabízejí nízkou výrobní cenu a funkční vlastnosti odlišné od tradičních polovodičů. Rozhraní mezi OS a kovovými kontakty definuje to, jak jsou vyrovnány energiové hladiny molekul OS s Fermiho hladinou v kovové elektrodě. Vzájemná poloha těchto hladin určuje účinnost přenosu náboje před rozhraní: čím větší je rozdíl v jejich poloze tím roste kontaktní odpor. Vysoký kontaktní odpor omezuje maximální operační frekvenci a proudovou hustotu, což se výrazně podílí na výkonnosti organických polem řízených tranzistorů. Jedním z řešení je použití nábojově-transportních vrstev (CIL), které vyrovnávají energiové hladiny, a tím zvyšují účinnost zařízení na bázi OS. Náš přístup využívá karboxylové kyseliny jako laditelné jednovrstvé molekulární CIL. Po deprotonaci nese karboxylová skupina částečný záporný náboj a vytváří elektrický dipól. Postupnou deprotonací jsme ukázali ladění výstupní práce substrátu v rozsahu 0,8 eV. Spolu se změnou WF se odpovídajícím způsobem posouvají energetické hladiny molekul v druhé molekulové vrstvě.

Mřížka magnetických atomů s laditelnou magnetickou vazbou 

Metalo-organické sítě samoupořádané z atomů přechodných kovů a malých organických molekul představují rozsáhlá pole rovnoměrně rozmístěných magnetických center ve stejném lokálním prostředí. Tyto magnetická centra lze využít pro magnetické a spintronické aplikace, ale také jako kvantové bity, tj. funkční jednotky kvantového počítače. Pokud se v těsné blízkosti nachází více spinových center, mohou nepřímé magnetické interakce způsobit, že se spiny uspořádají do specifických vzorů. Přítomnost těchto interakcí je obecně žádoucí. Nicméně, ideální velikost interakcí závisí na aplikaci: ve spinovém vlnovodu by měla být mnohem vyšší než v systému určeném pro kvantové počítače. Toto nás motivuje k hledání nových možností, jak řídit sílu magnetických interakcí pomocí vnějších parametrů. Bylo prokázáno, že elektronickou hustotu molekulárních stavů lze řídit napětím hradla přiloženým na grafenovou vrstvu, což dává příslib řízení síly supervýměnné interakce prostřednictvím polohování Fermiho hladiny v grafenovém substrátu.

Porušení časové symetrie - cesta k získání spinových vodičů 

Topologické izolanty disponují fascinujícími vlastnostmi a mají obrovský potenciál ve spintronice a kvantové výpočetní technice. Díky silné spin-orbitální vazbě dochází v TI k inverzi pásové struktury, což vede ke vzniku povrchových stavů s speciálními vlastnostmi. V těchto stavech je spin elektronu spjat s jeho hybností; elektrony v těchto hladinách jsou topologicky chráněné, tj. robustní vůči povrchovým defektům nebo poruchám. Tato vlastnost vede k téměř bezeztrátové elektrické vodivosti. Ačkoli symetrie otočení časového topologicky chrání elektrony před zpětným rozptylem, při jejím porušení, např. přítomností feromagnetického uspořádání, dochází k zajímavému jevu. To potenciálně vede ke vzniku kvantového anomálního Hallova jevu. V našem případě 2D mřížka  magnetických atomů/iontů v 2D kovově-organických sítích může dobře posloužit k tomuto účelu. Pečlivý návrh organických ligandů a výběr atomů kovů umožňují jemné vyladění vlastností sítí. Vhodně navrženými MON lze tedy dosáhnout magnetického požadované efektu.