Kultananoklustereista uusia muokattavia materiaaleja nanoelektroniikkaan

Ryhmä kulta-atomeja, joita kutsutaan kultananoklustereiksi, voi käyttäytyä kuin yksittäiset atomit. Kun nämä klusterit liitetään toisiinsa kolmiulotteiseksi verkostoksi metalli-ionien avulla, syntyy uusia materiaaleja, joiden ominaisuuksia voidaan hienosäätää tarkasti eri käyttötarkoituksiin. Tällaisia materiaaleja kutsutaan klusteripohjaisiksi MOF-materiaaleiksi (MOF = metal-organic framework).

Materiaalien sähkönjohtavuus moninkertaistui

Pohangin yliopiston (Etelä-Korea) ja Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen tuoreessa tutkimusyhteistyössä onnistuttiin valmistamaan neljä uutta MOF-materiaalia kultananoklustereista. Jyväskylän yliopiston laskennallisen nanotieteen professori Hannu Häkkisen johtama tutkimusryhmä vastasi näiden uusien MOF-materiaalien ominaisuuksien tutkimisesta laskennallisin keinoin.

- Havaitsimme tutkimuksessamme, että klustereiden välisen etäisyyden pienentäminen paransi materiaalin sähkönjohtavuutta jopa 31-kertaisesti, selventää laskennallisen nanotieteen professori Hannu Häkkinen Jyväskylän yliopistosta. 

Klusteriverkostot mullistavat materiaalien suunnittelun

Tiheysfunktionaaliteoriaan perustuvat supertietokonelaskut osoittivat, että näiden materiaalien elektroniset ominaisuudet ovat lähellä perinteisiä puolijohdemateriaaleja. Tutkimus osoitti myös, että klustereita yhdistävän metalli-ionin elektronirakenne vaikuttaa merkittävästi materiaalin johtavuuteen.

- Yksittäisten kultaklustereiden ominaisuudet ovat jo hyvin tunnettuja ja tutkittuja. Klustereiden yhdistäminen verkostoiksi erilaisten metalli-ionien kautta mahdollistaa materiaalien suunnittelun ja niiden elektronisten ominaisuuksien muokkaamisen tarkasti. Erityisesti näiden materiaalien puolijohdemainen käyttäytyminen ja säädettävä johtavuus avaavat uusia mahdollisuuksia nanoelektroniikassa, kertoo väitöskirjatutkija Hanna Jääskö Jyväskylän yliopistosta.  

Tutkimus osa kvanttialan tohtorikoulutuspilottia

Laskennallinen tutkimus oli osa Suomen kvanttilippulaivan tohtorikoulutuksen pilottiohjelmaa (Quantum Doctoral Pilot Programme, QDoc), jossa Hanna Jääskön väitöskirjaprojektin tavoitteena on tutkia klusteripohjaisia materiaaleja ja niiden mahdollisia sovelluskohteita esimerkiksi kvanttiteknologiassa ja kvanttimateriaaleina. Työn laskennallisessa osassa käytettiin Tieteen tietotekniikan keskuksen (CSC) Mahti-supertietokonetta. 

Artikkelin tiedot: 

• Kim, S., Jääskö, H., Park, K. C., Malola, S., Häkkinen, H., & Park, S. S. Tuning the Electrical Properties through Metal-Ion-Mediated Assembly in Au25 Nanocluster- Based Frameworks.  Journal of the American Chemical Society Vol. 147, p. 30803 (2025). 

• https://doi.org/10.1021/jacs.5c06695