一項由澳大利亞主導的研究發現了一種新型原子級薄材料具有不尋常的絕緣行為，以及打開和關閉它的能力。

電子間相互作用強的材料可以表現出不同尋常的特性，比如即使它們應該導電，也能充當絕緣體。這些絕緣體被稱為莫特??絕緣體，當電子因受到附近其他電子的強烈排斥而被凍結時，它們就會出現這種現象，從而無法承載電流。

由莫納什大學 FLEET 牽頭的一項新研究(本周發表在 《自然通訊》上)展示了原子級厚度的金屬有機骨架 (MOF) 中的莫特絕緣相，以及可控制地將這種材料從絕緣體轉換為導體的能力。這種材料能夠充當高效的“開關”，使其成為晶體管等新型電子設備應用的有希望的候選材料。

命中注定的電子相互作用

該研究的核心材料是原子級薄(或“2D”)材料，這是一種由有機分子和金屬原子組成的材料。

“由于超分子化學方法的多功能性——尤其是應用于表面作為基質——我們有幾乎無限的組合來從下至上構建材料，具有原子級精度，”通訊作者 A/Prof Schiffrin 解釋道。“在這些方法中，有機分子被用作構建塊，通過仔細選擇正確的成分，我們可以調整 MOF 的屬性。”

本研究中 MOF 的重要定制特性是其星形幾何形狀，稱為 kagome 結構。這種幾何形狀增強了電子間相互作用的影響，直接導致了 Mott 絕緣體的實現。

開關：電子布居

作者利用銅原子和 9,10-二氰基蒽 (DCA) 分子的組合構建了星形 kagome MOF。他們在原子級平坦的銅表面 Cu(111) 上，在另一種原子級薄的絕緣材料六方氮化硼 (hBN) 上生長這種材料。

“我們使用掃描隧道顯微鏡和光譜法在原子尺度上測量了 MOF 的結構和電子特性，”主要作者 Benjamin Lowe 博士解釋說，他最近在 FLEET 完成了博士學位。“這使我們能夠測量出意想不到的能隙——絕緣體的標志。”

通過將實驗結果與動態平均場理論計算進行比較，證實了作者的懷疑，即實驗測量的能隙是莫特絕緣相的特征。

“我們計算中的電子特征與實驗測量結果高度一致，并提供了 Mott 絕緣相的確鑿證據，”FLEET 校友 Bernard Field 博士解釋說，他與昆士蘭大學和沖繩科學技術研究生院的研究人員合作進行了理論計算。

作者還可以通過改變 hBN 基底的化學環境和掃描隧道顯微鏡尖端下方的電場來改變 MOF 中的電子數量。

當一些電子從 MOF 中移除時，剩余電子所受的排斥力會減小，它們會解凍——從而使材料表現得像金屬一樣。當作者從 MOF 中移除一些電子時，他們能夠從測量能隙的消失中觀察到這種金屬相。電子數量是可控莫特絕緣體到金屬相變的開關。

下一步是什么?

這種 MOF 能夠通過改變電子數量在莫特絕緣體和金屬相之間切換，這是一個很有希望的結果，可用于新型電子設備(例如晶體管)。實現此類應用的下一個有希望的步驟是將這些發現復制到一個設備結構中，在該結構中，電場均勻地施加在整個材料上。

在易于合成且含有豐富元素的 MOF 中觀察到莫特絕緣體，也使這些材料成為進一步研究強關聯現象的有吸引力的候選材料——可能包括超導、磁性或自旋液體。