Universität zu Köln

Heß, Volkmar (2016). Scanning tunneling microscopy of single-molecule magnets and hybrid-molecular magnets: Two approaches to molecular spintronics. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Die molekulare Spintronik vereint die Vorteile der Spintronik und der molekularen Elektronik in einem neuen Forschungsgebiet mit dem Ziel sowohl der Verbesserung bestehender als auch der Entwicklung neuartiger elektronischer Bauteile. Die Entwicklung und Untersuchung der Eigenschaften von molekularen Magneten und deren schlussendliche Verwendung in Bauteilen ist ein Hauptziel der molekularen Spintronik. Zwei verschiedene Arten von molekularen Magneten sind dafür aussichtsreiche Kandidaten: Einzelmolekülmagnete und molekulare Hybridmagnete. Beide stellen ideale Bausteine für Spintronikbauteile dar. Die Herstellung von Spintronikbauteilen erfordert die Abscheidung von molekularen Magneten auf Oberflächen. Da die Wechselwirkung zwischen Oberflächen und Molekülen jedoch hochkomplex ist, ist ein grundlegendes Verständnis dieser Phänomene unumgänglich für die erfolgreiche Verwendung von molekularen Magneten. Um das Verständnis der Molekül-Oberflächen-Wechselwirkung zu verbessern, wurden beide Ansätze zu molekularen Magneten in dieser Dissertation untersucht. Da Oberflächen sehr anfällig für Verschmutzung sind, wurden diese Experimente im Ultrahochvakuum durchgeführt. Um bessere Einblicke in solche Systeme und deren Adsorptionseigenschaften zu erlangen, wurden ihre strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften auf einer mikroskopischen Längenskala mit Rastertunnelmikroskopie (RTM) und -spektroskopie (RTS) untersucht. Die Wechselwirkung zwischen Einzelmolekülmagneten und Oberflächen wurde exemplarisch an der Abscheidung von Ni4 auf Au(111) untersucht. Ni4 ist ein kürzlich synthetisierter Einzelmolekülmagnet mit einem kubanen Ni4Cl4 Kern, welcher für die magnetischen Eigenschaften verantwortlich ist. Der magnetische Kern wird von organischen Liganden mit einer Thioether-Funktionalisierung stabilisiert. Da Thioether-Funktionalisierungen in früheren Experimenten weitestgehend vernachlässigt wurden, wurde die Abscheidung von Ni4 aus Lösung auf Au(111) und die daraus resultierenden Adsorptionseigenschaften mit RTM und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. Beide Methoden finden deutliche Indizien für eine Loslösung der Liganden vom magnetischen Kern während der Adsorption. Der magnetische Kern bleibt dabei jedoch möglicherweise strukturell intakt. Versuche, die losgelösten Liganden durch in-situ Anlassen zu desorbieren und den magnetischen Kern mit RTM abzubilden, waren nicht erfolgreich. Stattdessen führt das Anlassen zum Zerfall des magnetischen Kerns und zu sehr wahrscheinlich Schwefel induzierten Rekonstruktionen der Au(111) Oberfläche. Als ein Ergebnis dieser Untersuchung konnten neue Strategien vorgeschlagen werden, welche die Loslösung von Liganden in zukünftigen Experimenten verhindern. In einem alternativen Ansatz wird die Wechselwirkung zwischen Molekülen und Oberflächen für die Entstehung von molekularen Hybridmagneten ausgenutzt. In diesem Ansatz können vergleichsweise stabile nichtmagnetische Moleküle verwendet werden. Die Wechselwirkung führt dann zu einem magnetischen Molekül-Oberflächen-Hybrid oder "molekularen Hybridmagneten". Für das in diesem Fall benötigte magnetische Substrat wurde das gut verstandene Fe/W(110)-System ausgewählt und mit spinpolarisierter RTM (SP-RTM) charakterisiert. Die Herstellung von geeigneten magnetischen Spitzen für SP-RTM ist aufgrund der schlechten Vorhersehbarkeit und Reproduzierbarkeit nicht trivial. Die Charakterisierung von SP-RTM Spitzen zeigte, dass Cr-bedampfte Spitzen die für nachfolgende Experimente benötigte Magnetisierungsrichtung aufweisen. Weiterhin wurde eine Spinpolarisation von bis zu 12,4% für das Gesamtsystem Spitze-Probe nachgewiesen. Triphenyl-Triazin (TPT) wurde exemplarisch für eine Studie zu molekularen Hybridmagneten ausgewählt. TPT besteht aus verschiedenen aromatischen Ringen, was im Zusammenhang mit der Entstehung von molekularen Hybridmagneten noch nicht untersucht wurde. Der erste Schritt in dieser Untersuchung ist die Bestimmung der Adsorptionsposition und -geometrie mithilfe von RTM. Ein Vergleich mit Dichtefunktionaltheorie (DFT) Simulationen, erstellt von Kollegen aus dem PGI-1, bestätigte, dass die experimentell gefundene Adsorptionsgeometrie die höchste Adsorptionsenergie besitzt. Die elektronischen Eigenschaften von TPT auf Fe/W(110) wurden mit RTS untersucht und zeigen stark verbreiterte Zustände, was auf eine Chemisorption hindeutet. Anschließend wurde die spinabhängige Hybridisierung mittels SP-RTM untersucht. Dabei wird in Übereinstimmung mitDFT-Rechnungen eine stark orts- und energieabhängige Spinpolarisation des molekularen Hybridmagneten aufgedeckt. Die Resultate dieser Studie eröffnen neue Möglichkeiten zur Optimierung der Eigenschaften von organisch-ferromagnetischen Grenzschichten durch die Realisierung variierender Adsorptionsgeometrien.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Rastertunnelmikroskopie an Einzelmolekülmagneten und Hybridmolekülmagneten: Zwei Ansätze der molekularen Spintronik German
Translated abstract:	Abstract Language Molecular spintronics attempts both to improve the properties of current electronic devices and develop completely new devices by combining the advantages of molecular electronics and spintronics into one research field. Investigating and evaluating the properties of molecular magnets and to eventually employ them in devices is a major goal of molecular spintronics. Two different kinds of molecular magnets are promising candidates for device development: Single-molecule magnets (SMMs) and hybrid-molecular magnets. Both are ideal building blocks for spintronic devices, such as spin-transistors and spin-valves. However the fabrication of devices requires the deposition on surfaces. Due to the interaction between molecules and surfaces being highly complex, only a fundamental understanding of these phenomena will eventually lead to the successful application of molecular magnets in devices. To improve the understanding of the molecule-surface interaction both approaches have been investigated experimentally in this dissertation. Since surfaces are prone to contamination, these experiments were conducted in ultra-high vacuum. To gain more insight in such systems and to understand the adsorption phenomena, their structural, electronic and magnetic properties were studied on a microscopic scale with scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS). The interaction between SMMs and surfaces was exemplarily studied by depositing Ni4 on Au(111). Ni4 is a recently synthesized SMM where a cubane Ni4Cl4 core is responsible for the magnetic properties. The magnetic core is protected by organic ligands exhibiting a thioether surface functionalization. Since thioether functionalized ligands had been widely neglected in earlier experiments, the deposition of Ni4 on Au(111) from solution and the resulting adsorption phenomena were studied by XPS and STM. Both methods revealed strong evidence for a ligand detachment during adsorption. The magnetic core however might be still structurally intact as indicated by XPS. Attempts to desorb the detached ligands and to subsequently image the magnetic core with STM by in-situ post-annealing were unsuccessful. Instead the post-annealing lead to the decomposition of the magnetic core and to a most likely sulfur induced reconstruction of the Au(111) surface. As a result of this study new strategies have been proposed to avoid the ligand detachment in future experiments. In a complementary approach the interaction between molecules and surfaces is exploited for the formation of hybrid-molecular magnets. Here, comparatively stable non-magnetic molecules are deposited on magnetic surfaces. The interaction leads to a magnetic molecule-surface hybrid, or "hybrid-molecular magnet". This approach requires a magnetic substrate. For this task the well known Fe/W(110) system was chosen and characterized by spin-polarized STM (SP-STM). The fabrication of suitable magnetic tips for SP-STM is a well known challenge due to its poor predictability and reproducibility. The characterization of tips was performed by SP-STM measurements on the Fe/W(110) system and reveals that Cr-coated tips exhibit the required out-of-plane magnetization direction for the following experiments on hybrid-molecular magnet systems. Furthermore an effective spin polarization of up to 12.4% for the whole tip-sample tunnel junction was found. For a study concerning the properties of a hybrid-molecular magnet system, triphenyl-triazine (TPT) was chosen. TPT extends previous studies by exhibiting different aromatic rings in one molecule. As the first step of the investigation the adsorption position and geometry was determined by STM. A comparison with density functional theory (DFT) calculations made by colleagues from the PGI-1 confirms the experimentally found geometry to be highest in adsorption energy. The electronic properties of TPT on Fe/W(110) were investigated by STS and reveal highly broadened states, indicating a strong chemisorption. Finally, the spin dependent hybridization was studied by SP-STM. This study reveals a highly site and energy dependent spin polarization in good agreement with DFT calculations. The results of this study reveal a new route for designing the properties of organic-ferromagnetic interfaces by realizing varying adsorption geometries. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Heß, Volkmar v.hess@fz-juelich.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
Corporate Creators:	Peter Grünberg Institut 6, Forschungszentrum Jülich
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-66387
Series Name:	Schriften des Forschungszentrums Jülich: Reihe Schlüsseltechnologien
Volume:	121
Date:	2016
Publisher:	Jülich: Forschungszentrum Jülich
ISBN:	978-3-95806-128-6
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > Forschungszentrum Jülich
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language molecular spintronics, single-molecule magnets, hybrid-molecular magnets, scanning tunneling microscopy English molekulare Spintronik, Einzelmolekülmagnete, Hybridmolekülmagnete, Rastertunnelmikroskopie German
Date of oral exam:	25 January 2016
Referee:	Name Academic Title Bürgler, Daniel PD Dr. Michely, Thomas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6638