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Cerdanyola del Valles, 19 de octubre de 2022. La búsqueda de nuevos métodos más eficientes para el transporte y almacenamiento de la información está dando lugar al desarrollo de nuevos campos de investigación científico-tecnológica como la espintrónica molecular. Esta novedosa disciplina pretende usar compuestos moleculares como materiales funcionales en una nueva generación de dispositivos donde no solo se utilice el transporte de carga (electrones) como herramienta de información, sino también el espín. El espín es una propiedad intrínseca de los electrones (como son la masa o la carga eléctrica). Al añadir esta nueva variable de transporte de información es posible crear dispositivos electrónicos más eficientes, con una capacidad de procesamiento de datos mucho mayor.
Existe una creciente demanda en el descubrimiento de nuevos compuestos que sean funcionales para la espintrónica y permitan un procesado escalable a nivel industrial. Uno de los tipos de compuestos más interesantes son las moléculas sublimables con transición de espín. Estos materiales tienen asociada la capacidad de cambiar entre dos estados llamados de alto y bajo espín en función de diversos estímulos externos como pueden ser la luz y la temperatura. Concretamente, aquellos compuestos basados en hierro (II) presentan propiedades magnéticas completamente opuestas entre ambos estados; paramagnética en el alto espín y diamagnética en el bajo espín.
En una novedosa publicación en la revista Advanced Materials, investigadores del Instituto de Ciencia Molecular (ICMol) de la Universitat de València (UV) en colaboración con miembros de la línea de luz BOREAS del Sincrotrón ALBA han desarrollado unos dispositivos híbridos basados en grafeno incorporando un film de un material basado en hierro (II) con las propiedades citadas previamente y en su fase cristalográfica meta-estable. Previamente dada por inerte en transición de espín, el trabajo desarrollado en la línea de luz BOREAS ha permitido descubrir las interesantes capacidades de transición de espín por temperatura y por luz que realmente presenta esta fase cristalográfica cuando se aísla correctamente.
A fin de caracterizar la transición de espín de las fases puras crecidas de forma directa y de este modo discernir la idoneidad de cada una de ellas en la posterior integración en un dispositivo, ha sido necesario un análisis de la variación con la temperatura de la configuración electrónica del átomo de hierro (II) central de las moléculas del compuesto. Para ello, películas finas de cada una de estas fases se han estudiado por espectroscopia de absorción de rayos-X (XAS) en el rango de energía de los umbrales L2 y L3 del hierro, en la línea de luz BOREAS. Dicho estudio ha permitido revelar, por un lado, la presencia de un componente amorfo en las películas finas de la fase meta-estable que recristaliza en la misma tras la realización de varios ciclos térmicos lentos y hasta muy baja temperatura. En segundo lugar, que dicha fase presenta una susceptibilidad muy alta a la irradiación lumínica, prácticamente imposibilitando la observación de su transición de espín por temperatura, y, además, produciendo un fenómeno muy exótico como es la transición reversa al estado de espín bajo inducida por los rayos-X (reverse-SOXIESST effect), por primera vez observado a valores de temperatura en torno a los 100 K.
Una vez vislumbradas las posibilidades, se ha empleado para fabricar un dispositivo que ha demostrado tener unas propiedades sin precedentes como interruptor lumínico empleando un material de transición de espín.
Todos los dispositivos fabricados por los investigadores se han medido durante decenas de ciclos térmicos e incluso tras haber permanecido guardados durante meses en atmósfera inerte, manteniendo sin apenas variación todas sus propiedades. Por ello, este trabajo, además de suponer un estudio pionero sobre el uso de dispositivos sin contacto, ha dado lugar a una herramienta con mucho potencial para la generación de nuevos sistemas con aplicaciones en espintrónica y straintrónica (cambios en las propiedades eléctricas de un material inducidos por tensiones mecánicas), debido tanto a su mecanismo de funcionamiento como a su robustez.
Este trabajo ha sido liderado principalmente por el profesor Eugenio Coronado y la doctora Rosa Córdoba, ambos del ICMol, y forma parte de la tesis doctoral de Miguel Gavara Edo.
Figura 1. (Izq.) Esquema del dispositivo sin contacto producido. (Der.) Medidas eléctricas en función de la temperatura mostrando ciclos sin irradiación de luz (líneas negra, gris y azul en modo enfriamiento y línea rosa en modo calentamiento) y con irradiación (líneas verde caqui y verde hoja en modo calentamiento e irradiando con un laser a 2 K durante 5 min). Los ciclos de enfriamiento revelan una transición de espín térmica a 60 K muy abrupta. Los ciclos de calentamiento sin irradiar revelan la reversibilidad de la transición de forma mucho más progresiva acabando a 180 K. Los ciclos irradiados a 2 K muestran como se consigue una transición estimulada a baja temperatura de casi el 100 % de eficacia la cual se relaja al calentar una vez sobrepasados los 80 K.
![XAS spectra characterization of [Fe(Pyrz)2] films in each of its phases. a) and d) Spectra and spin transition behavior for the stable phase (triclinic). b) and e) Spectra and spin transition behavior for the metastable phase (tetragonal). c) and f) Spectra and spin transition behavior for the metastable after several thermal cycles (first spectra taken for each temperature value). G) and h) Spectra and spin transition behavior for the metastable phase after several thermal cycles (third spectra taken for each temperature value). i) comparative between spin transition behavior characterize between the first and the third spectra taken for each temperature value for the metastable phase after several thermal cycles, thus showing its exotic susceptibility to X-ray irradiation.](../../../en/media/news/BOREASspinIM3.png/@@images/1b5e3127-5d80-4d5c-b150-7fdab7db016a.png "BOREAS spin-IM3")
Figura 2. Caracterización por XAS de las películas finas de [Fe(Pyrz)2] en cada una de sus fases. a) y d) Espectros y comportamiento de transición de espín para la fase estable (triclínica). b) y e) Espectros y comportamiento de transición de espín para la fase meta-estable (tetragonal). c) y f) Espectros y comportamiento de la transición de espín para la fase meta-estable tras realizar varios ciclos térmicos (primer espectro tomado a cada valor de temperatura). g) y h) Espectros y comportamiento de transición de espín para la fase meta-estable tras realizar varios ciclos térmicos (tercer espectro tomado a cada valor de temperatura). i) Comparativa entre los comportamientos de transición de espín caracterizados entre el primer y tercer espectro tomado a cada valor de temperatura para la fase meta-estable tras realizar varios ciclos térmicos, mostrando así su exótica susceptibilidad a la irradiación por rayos-X.
Referencia: Miguel Gavara-Edo, Rosa Córdoba, Francisco Javier Valverde-Muñoz, Javier Herrero-Martín, José Antonio Real, Eugenio Coronado. Electrical Sensing of the Thermal and Light-Induced Spin Transition in Robust Contactless Spin-Crossover/Graphene Hybrid Devices. Advanced Materials (2022). DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202202551
Con la colaboración de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología. El Sincrotrón ALBA forma parte de la red de Unidades de Cultura Científica y de la Innovación (UCC+i) de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT) y ha recibido apoyo a través del proyecto FCT-21-17088.
