Spin crossover mechanisms unraveled by theory

Ontwerpen van SCO-materialen beter onderbouwd

Andrii Rudavskyi verrichtte theoretisch onderzoek dat een fundament biedt voor het ontwerpen van spin cross-over (SCO) materialen. SCO-materialen worden gebuikt in geavanceerde technische toepassingen. Ze zijn opgebouwd uit metaal-organische complexen (grote chemische moleculen die bestaan uit een overgangsmetaal dat wordt omringd door organische liganden).

Essentieel voor het spin cross-over (of spinovergang) fenomeen is het bestaan van twee stabiele elektronische toestanden: een lage spintoestand (LS) en een hoge spintoestand (HS). De overgang tussen deze twee spintoestanden kan geïnduceerd worden door de temperatuur of druk te variëren. De overgang kan ook teweeggebracht worden door licht, wat in sommige materialen kan leiden tot licht-geïnduceerde spintoestand “trapping” (LIESST).

Vanuit technologisch oogpunt hebben SCO-materialen vanwege hun bi-stabiele karakter goede kans om toegepast te worden voor bijvoorbeeld micro-schaal temperatuurmetingen, gasdetectie of computergeheugen.

Daarvoor is het belangrijk om materialen te ontwikkelen met eigenschappen die vooraf zijn bepaald. De technologie moet bijvoorbeeld operationeel zijn in een bepaalde temperatuurrange, de reactie op externe stimuli moet snel genoeg zijn en de levensduur van de toestanden moet voldoende lang zijn. Zulke eigenschappen zijn gerelateerd aan materiaalparameters zoals spinovergangstemperatuur, HS-LS energieverschil en HS-LS relaxatiesnelheid.

In zijn proefschrift beschrijft Rudavskyi een theoretisch/computationeel onderzoek naar de relevante parameters voor het ontwerpen van op Fe(II) gebaseerde SCO-materialen en biedt een diepgaand inzicht in het SCO-fenomeen. De eerste hoofdstukken bevatten een inleiding van SCO-materialen en een beschrijving van de gebruikte theoretische methoden. Het derde hoofdstuk is gewijd aan thermische SCO van een reeks van vijf materialen. In het volgende hoofdstuk wordt LIESST van drie complexen onderzocht. Overgangssnelheden tussen relevante toestanden worden berekend en hieruit volgt het meest efficiënte de-activeringstraject. In het laatste hoofdstuk wordt temperatuur-afhankelijke HS-LS relaxatie onderzocht.

Andrii Rudavskyi voerde zijn onderzoek uit bij de afdeling Theoretical Chemistry van het Zernike Institute for Advanced Materials en gefinancierd door FOM.