Ученым удалось впервые создать особые комплексы редкоземельных элементов, которые демонстрируют устойчивость к воздуху, влаге и нагреванию. Часть этих соединений оказалась молекулярными магнитами, у которых единичная молекула может выступать в роли носителя информации. В перспективе такие системы способны послужить основой для новых типов запоминающих устройств с объемом памяти, недоступным современным технологиям. Это открывает возможности для дальнейшей миниатюризации электронных приборов и разработки новых функциональных материалов и сенсоров. Подробнее о методике — в материале «Известий».
Что такое молекулярные магнитыТекущие технологии хранения данных и память практически исчерпали возможности дальнейшего уменьшения размеров элементов, поэтому для компактного размещения больших объемов информации требуются принципиально иные материалы и подходы. Среди перспективных направлений выделяют мономолекулярные магниты, где единичная молекула служит ячейкой информации. Это обеспечивает потенциально недостижимую ранее плотность и скорость записи, хранения и обработки данных. Однако широкому использованию таких магнитов мешает их нестабильность: большинство известных образцов сохраняют структуру и магнитные свойства лишь при экстремально низких температурах и разрушаются под воздействием воздуха и влаги.
Группа исследователей из Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН (Москва) вместе с коллегами из Института металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева РАН (Нижний Новгород) синтезировала металлорганические комплексы редкоземельных металлов, устойчивые в воздушной среде. Некоторая часть полученных соединений проявила признаки молекулярных магнитов при воздействии внешнего магнитного поля.
Новые вещества имеют сэндвич-построение: ион металла (иттрия или лантаноидов — тербия, диспрозия, гольмия и эрбия) помещен между двумя параллельными плоскими лигандами — фрагментами органических молекул. Экспериментальные проверки показали, что такие комплексы не разрушаются под воздействием воздуха и влаги и выдерживают переход в газовую фазу при возгонке в вакууме. Благодаря этим качествам их можно применять при создании функциональных материалов, пленок и композитов.
Изучение магнитных характеристик синтезированных комплексов показало: формально выполненные геометрические условия, такие как аксиальная структура с параллельно ориентированными лигандами в координационной сфере иона, сами по себе не гарантируют появление истинных молекулярных магнитных свойств. Комплексы тербия, диспрозия и эрбия проявляют признаки молекулярных магнитов только при приложенном внешнем магнитном поле. Эти наблюдения значительно расширяют представление о влиянии природы лигандов и электронной структуры на магнетизм подобных молекул, что важно для проектирования эффективных молекулярных магнитов.
Фото: Дмитрий Любов Структура металлоорганических комплексов— В дальнейшем мы планируем расширить ряд металлоорганических соединений лантаноидов данного класса и исследовать факторы, влияющие на их магнитные свойства и стабильность. Отдельно необходимо отметить, что при переходе от фундаментальных исследований к практическому использованию важно учитывать антиоксидантную, гидролитическую и термическую стабильность разрабатываемых материалов, — рассказал участник проекта, кандидат химических наук, старший научный сотрудник, заместитель завлабораторией металлокомплексного катализа Института металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева РАН Дмитрий Любов.
Миниатюризация электроникиВысокая плотность записи, присущая молекулярным магнитам, открывает перспективы для дальнейшего сокращения размеров электронных устройств, что является ключевым направлением развития наноэлектроники, пояснил «Известиям» кандидат химических наук, доцент Научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Антон Муравьев. По его оценке, полученные показатели устойчивости к температуре и окислению особенно важны, поскольку именно эти характеристики часто ограничивают применение молекулярных магнитов при создании функциональных материалов.
— Высокая температурная и окислительная устойчивость комплексов эрбия, диспрозия и тербия (до 290 °C) наряду с демонстрацией свойств молекулярных магнитов привлекает несомненный интерес с точки зрения использования данных материалов в качестве устройств записи, хранения и передачи информации в экстремальных температурных условиях и при высоком уровне влажности, — сказал эксперт.
По словам доцента кафедры физического материаловедения НИТУ МИСИС Михаила Горшенкова, это исследование имеет фундаментальное значение: впервые получены металлоорганические соединения редкоземельных элементов, устойчивые в воздухе, что открывает путь к их практическому применению. Открытие магнитных свойств у части комплексов выглядит особенно многообещающе и может стать основой для носителей информации сверхвысокой плотности. Применение отдельных молекул в роли ячеек памяти даст возможность создавать устройства хранения данных с плотностью записи, значительно превосходящей существующие жесткие диски и флеш-накопители.
— Кроме этого, молекулярные магниты на основе редкоземельных элементов могут рассматриваться перспективными кандидатами для создания кубитов — базовых элементов квантовых компьютеров. Их стабильность при комнатной температуре — критически важный шаг в этом направлении. Еще одно применение — создание функциональных материалов и сенсоров. Эти устойчивые комплексы можно использовать для напыления тонких пленок или создания композитов с заданными магнитными свойствами. Такие материалы могут найти применение в пинтронике, микроэлектронике и в качестве высокочувствительных магнитных сенсоров, — сказал ученый.
В работе также приняли участие сотрудники Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН (Москва), Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова (Москва), Университета Монпелье (Франция) и Маастрихтского университета (Нидерланды).
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Inorganic Chemistry Frontiers.