Universität zu Köln

Fahrendorf, Sarah (2012). Single NdPc2 Molecules on Surfaces: Adsorption, Interaction, and Molecular Magnetism. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

They have huge potential for application in molecular-spin-transistors, molecular-spinvalves, and molecular quantum computing. SMMs are characterized by high spin ground states with zero-field splitting leading to high relaxation barriers and long relaxation times. A relevant class of molecules are the lanthanide double-decker phthalocyanines (LaPc2) with only one metal atom sandwiched between two organic phthalocyanine (Pc) ligands. For envisaged spintronic applications it is important to understand the interaction between the molecules and the substrate and its influence on the electronic and magnetic properties. The subject of this thesis is the investigation of the adsorbed neodymium double-decker phthalocyanine (NdPc2) by means of low temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM and STS). The molecules are deposited by sublimation onto different substrates. It is observed that a large fraction of the double-decker molecules decomposes during deposition. The decomposition probability strongly depends on the chosen substrate. Therefore it is concluded that the substrate modifies the electronic structure of the molecule leading to a stabilization or destabilization of the molecular entity. Charge transfer from the surface to the molecule is identified as a potential stabilizing mechanism. The electronic and magnetic properties are investigated in detail for adsorbed NdPc2 molecules on Cu(100). The results of the experimental study are compared to state-of-the-art density functional theory calculations performed by our colleagues from the Peter Grünberg Institute (PGI-1) at the Forschungszentrum Jülich. Interestingly, the lower Pc ring of the molecule hybridizes intensely with the substrate leading to strong chemisorption of the molecule, while the upper Pc ring keeps its molecular type electronic states, which can be energetically shifted by an external electric field. Importantly, it is possible to get direct access to the spin-polarized 4f-states of the central Nd ion by means of STM and STS. This important and unique characteristic absent for late lanthanide double-decker phthalocyanine molecules opens the door for direct reading and writing of the molecular spin-state by purely electrical means. In view of the intended investigations of the magnetic properties of the NdPc2 molecule coupled to ferromagnetic surfaces, spin-polarized STM investigations of the second atomic layer of Fe on W(110) are performed. Here, bulk Cr-tips are used, which were ex-situ electrochemically etched from a Cr rod. Further in-situ treatment is shown to have no essential influence on the magnetic properties of the tips. The reproducible and reliable preparation of the ferromagnetic substrate and the Cr-tips is the basis for further investigations of the NdPc2 molecule adsorbed on the second atomic layer of Fe on W(110). Preliminary STM and STS results give strong evidence, that the direct access to the spin-polarized 4f-states is also feasible after adsorption of the double-decker molecule on a ferromagnetic substrate.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Molekulare Nanomagnete, auch Einzelmolekülmagnete genannt, nehmen eine Schlüsselrolle in dem aufstrebende Forschungsgebiet der molekularen Spintronik ein. Sie bilden die Grundbausteine für eine Weiterentwicklung spin-elektronischer Elemente der klassischen Spintronik zur molekularen Spintronik und könnten in molekularen Spinventilen, molekularen Spintransistoren oder als Quantenbits in Quantencomputern zur Anwendung kommen. Molekulare Nanomagnete sind gekennzeichnet durch hohe Grundzustände der Spinquantenzahl und eine Aufspaltung der Zustände im Nullfeld. Die dadurch entstehenden hohen Relaxationsbarrieren führen zu einer langen Relaxationszeit der Magnetisierung. Moleküle aus der Klasse der Doppeldecker Phthalocyanine mit einem einzigen Zentralion aus der Untergruppe der Lanthanoide (LnPc2) eingebettet zwischen zwei organische Phthalocyanin (Pc) Liganden sind von hoher Relevanz für das grundlegende Verständnis molekularer Nanomagnete. Der Einfluss von Substraten oder Elektroden auf adsorbierte Moleküle spielt ein zentrale Rolle bei der Entwicklung von Bauteilen für die molekulare Spintronik, da sich die elektronischen und magnetischen Eigenschaften der Moleküle verändern können. Ein umfassendes Verständnis des Substrateinflusses ist daher unerlässlich für eine Weiterentwicklung des Forschungsgebietes. In dieser Doktorarbeit werden aus diesem Grund die elektronischen und magnetischen Eigenschaften des adsorbierten Neodym Doppeldecker Phthalocyanins (NdPc2) mittels Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie (RTM und RTS) untersucht. Hierfür werden zunächst die NdPc2 Moleküle unter Ultrahochvakuum-Bedingungen auf verschiedene Oberflächen aufgedampft. Es ergibt sich, dass sich ein hoher Anteil an Doppeldecker Molekülen bei der Deposition in einzelne Phthalocyanine zerlegt. Die Rate der zerstörten Doppeldecker ist dabei stark von der Art des Substrats abhängig. Aus diesem Grund wird die Schlussfolgerung gezogen, dass die elektronische Beschaffenheit der Oberfläche einen stabilisierenden oder destabilisierenden Einfluss auf die intra-molekularen Bindungen hat. Es stellt sich heraus, dass Ladungstransfer von der Oberfläche in die Orbitale des Moleküls ein möglicher stabilisierender Effekt sein könnte. Eine detaillierte Studie der elektronischen und magnetischen Eigenschaften des adsorbierten NdPc2 Moleküls wird auf dem Substrat Cu(100) vorgenommen. Im Rahmen der Interpretation werden die Ergebnisse der experimentellen RTM- und RTS-Untersuchungen mit Dichtefunktionaltheorie (DFT) Rechnungen verglichen. Diese DFT-Rechnungen wurden von Mitarbeitern des Peter Grünberg Instituts (PGI-1) am Forschungszentrum Jülich ausgeführt. Es zeigt sich, dass der untere Pc-Ligand des NdPc2 Moleküls robuste chemische Bindung mit Cu(100) eingeht und seine elektronischen Zustände mit denen der Oberfläche stark hybridisieren. Zugleich ist der Einfluss des Substrats auf die Zustände des oberen Pc-Liganden verschwindend und sie behalten ihren molekülartigen Charakter. Diese molekülartigen elektronischen Zustände können durch ein äußeres elektrisches Feld auf der Energieskala verschoben werden. Das zentrale Ergebnis dieser Studie ist jedoch der direkte Zugriff auf die spin-polarisierten 4f-Zustände des zentralen Nd Ions mithilfe der Rastertunnelmikroskopie. Der direkte Zugang zu diesen Zuständen ist eine besondere Eigenschaft des NdPc2 Moleküls im Vergleich zu analogen Spezies mit Lanthanoiden höherer Ordnungszahl als Zentralion und erlaubt rein elektrische Schreib- und Lesevorgänge des Spinzustands des Moleküls. In Hinblick auf Untersuchungen der magnetischen Eigenschaften des NdPc2 Moleküls werden spin-polarisierte RTM-Messungen an der zweiten Atomlage von Fe auf W(110) durchgeführt. Die eingesetzten Cr Spitzen werden ex-situ, anhand eines elektrochemischen Verfahrens von Cr Stäben heruntergeätzt. Weitere in-situ Präparationsschritte zeigen zudem keinen grundlegenden Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften der Spitze. Die Etablierung der reproduzierbaren Präparation der ferromagnetischen Fe Oberfläche und der RTM-Spitzen bildet die Voraussetzung für die weiteren Messungen an adsorbierten NdPc2 Molekülen mittels spin-polarisierter RTM. Vorläufigen Ergebnisse von RTM Untersuchungen geben Hinweise darauf, dass ein direkter Zugang zu den spin-polarisierten 4f-Zuständen auch nach Adsorption des Doppeldecker Moleküls auf der zweiten Atomlage von Fe auf W(110) möglich ist. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Fahrendorf, Sarah s.fahrendorf@fz-juelich.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-51012
Date:	19 November 2012
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics II
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Scanning tunneling microscopy, phthalocyanines, density functional theory, molecular magnetism, chromium tips, NdPc2 English Rastertunnelmikroskopie, Phthalocyanine, DFT, molekularer Magnetismus, Chrom Spitzen, NdPc2 German
Date of oral exam:	24 January 2013
Referee:	Name Academic Title Bürgler, Daniel E. Dr. Michely, Thomas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5101