Chemical Vapor Deposition d'un aimant Organic, Vanadium tétracyanoéthylène
Summary
Nous présentons la synthèse du vanadium ferrimagnétique tétracyanoéthylène à base organique (V [TCNE] x, x ~ 2) par l'intermédiaire de faible dépôt chimique en phase vapeur de température (CVD). Cette recette optimisé donne une augmentation de la température de Curie de 400 K à 600 K et sur une amélioration spectaculaire des propriétés de résonance magnétique.
Abstract
Les progrès récents dans le domaine des matériaux organiques a donné des dispositifs tels que des diodes électroluminescentes organiques (OLED) qui présentent des avantages non trouvés dans les matériaux traditionnels, y compris à faible coût et de souplesse mécanique. Dans la même veine, il serait avantageux d'étendre l'utilisation de matières organiques dans l'électronique haute fréquence et de l'électronique à base de spin. Ce travail présente un procédé de synthèse pour la croissance de films minces de la ferrimagnétique organique à la température ambiante, le tétracyanoéthylène vanadium (V [TCNE] x, x ~ 2) en bas de dépôt chimique en phase vapeur de température (CVD). Le film mince est cultivé à <60 ° C, et peut accueillir une grande variété de substrats, y compris, mais sans s'y limiter, le silicium, le verre, le téflon et des substrats flexibles. Le dépôt conforme est propice à la pré-motifs et des structures en trois dimensions ainsi. En outre, cette technique peut donner des films avec des épaisseurs allant de 30 nm à plusieurs microns. Les progrès récentsdans l'optimisation de la croissance du film crée un film dont les qualités, telles que plus la température de Curie (600 K), une meilleure homogénéité magnétique, et la résonance ferromagnétique largeur de ligne étroite (1,5 G) émission de promesses pour une variété d'applications en spintronique et électronique hyperfréquence.
Introduction
Le semi-conducteur ferrimagnétique vanadium tétracyanoéthylène base organique (V [TCNE] x, x ~ 2) présente la température ambiante de l'ordre magnétique et promet les avantages des matériaux organiques pour des applications magnetoelectronic, tels que la flexibilité, la production à faible coût, et accordabilité chimique. Des études antérieures ont mis en évidence la fonctionnalité des dispositifs de spintronique, y compris les vannes de spin organique / inorganique et 1,2 tout hybrides organiques-3, et en tant que polariseur de spin dans un organique / inorganique hétérostructure semi-conductrice active 4. En outre, V [TCNE] x ~ 2 a démontré promesse pour l'inclusion dans l'électronique haute fréquence en raison de sa très étroite largeur de raie de résonance ferromagnétique 5.
Il existe quatre méthodes différentes qui ont été établies pour la synthèse V [TCNE] x ~ 6 au 9 février. V [TCNE] x ~ 2 a d'abord été synthétisé de la façon powder par réaction dans le dichlorométhane de TCNE et V (C 6 H 6) 6. Ces poudres présentent le premier ordre magnétique à température ambiante observée dans un matériau à base organique. Cependant, la forme de poudre de ce matériau est extrêmement sensible à l'air, ce qui limite son application dans dispositifs à couches minces. En 2000, un dépôt chimique en phase vapeur procédé (CVD) a été établi pour la création V [x ~] TCNE deux films minces 7. Plus récemment, dépôt physique en phase vapeur (PVD) 8 et dépôt de couche moléculaire (MLD) 9 ont également été utilisés pour fabriquer des films minces. Le procédé PVD nécessite un système ultra-haut vide (UHV) et les deux PVD et méthodes MLD nécessite extrêmement longs temps de cultiver des films plus épais que 100 nm, tandis que les films de CVD peuvent facilement être déposés dans des épaisseurs allant de 30 nm à plusieurs microns. En plus de la variété d'épaisseurs disponibles avec le procédé CVD, des études approfondies ont donné des films qui montrent constamment élevé q optimiséualité propriétés magnétiques, y compris: résonance ferromagnétique étroite (FMR) largeur de raie (1,5 G), la température de Curie élevée (600 K), et forte de commutation magnétique 5.
Ordre magnétique dans V [x] TCNE ~ 2 films minces procède par une voie non conventionnelle. Mesures de magnétométrie SQUID montrent une forte commande magnétique local, mais l'absence de rayons X des pics de diffraction et microscopie électronique en transmission sans relief (TEM) 10 morphologie révèlent un manque de longue portée ordre structural. Cependant, étendu absorption des rayons X de structure fine (EXAFS) étudie 11 montrent que chaque ion de vanadium est octahédriquement coordonné avec six molécules de TCNE différentes, indiquant un ordre structurel locale robuste avec une longueur de liaison vanadium d'azote de 2.084 (5) Å. Magnétisme résulte d'un couplage d'échange antiferromagnétique entre les spins non appariés du TCNE – anions radicaux, qui sont répartis sur toute la TCNE –molécule, et les spins sur les ions V 2+, conduisant à une commande locale avec ferrimagnétique T C ~ 600 K pour les films 5 optimisées. En plus d'exposer ordre magnétique à température ambiante, V [TCNE] x ~ 2 films sont semi-conducteurs avec 0,5 eV bande interdite 12. Autres propriétés de la note incluent possible sperimagnetism dessous d'une température de congélation de ~ 150 K 13,14, magnétorésistance positif anormale 12,15,16, et le magnétisme photo-induit 13,17,18.
Le procédé CVD de synthèse V [x ~] TCNE deux films minces est compatible avec une grande variété de substrats en raison de la basse température (<60 ° C) et dépôt conforme. Des études antérieures ont montré dépôt réussie de V [TCNE] x ~ 2 sur les deux substrats rigides et flexibles 7. En outre, cette technique de dépôt se prête à la mise au point par modification des précurseurs et des grparamètres owth. 19-22 Bien que le protocole présenté ici donne des films les plus optimisés à ce jour, des progrès significatifs ont été accomplis dans l'amélioration de certaines des propriétés du film depuis la découverte de cette méthode et d'autres gains peuvent être possibles.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les paramètres clés pour V [TCNE] x ~ 2 dépôt comprennent la température, le débit de gaz porteur, la pression, et le ratio de précurseurs. Étant donné que le dépôt chimique en phase vapeur mise en place ne sont pas disponibles dans le commerce ces paramètres doivent être optimisés pour chaque système. Une étude précédente de Shima et al. Révélé que la température a le plus grand impact sur le taux de l'TCNE précurseur 26 de sublimation. La tempér…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la NSF Grant No. DMR-1207243, le programme NSF MRSEC (DMR-0820414), le DOE Grant No. DE-FG02-03ER46054, et l'OSU-Institut pour la recherche sur les matériaux. Les auteurs reconnaissent le Laboratoire NanoSystems à l'Ohio State University, et l'assistance technique de CY Kao et CY Chen.
Materials
| Equipment | |||
| Nitrogen Glovebox | Vacuum Atmospheres | Omni | steps done in nitrogen glovebox can also be done in an argon glovebox |
| 1 L three-neck round bottom flask | Corning | 4965A-1L | |
| 500 mL round bottom flask | Sigma Aldrich | 64678 | |
| Turbo vacuum pumping station | Agilent Varian | G8701A-011-037 | |
| Glass Stopcock | Kontes | 185000-2440 | |
| Glass two way connecting tube | Corning | 8940-24 | Corning Pyrex(R) 105 degree Angled Tube Adapter with Two-Way 24/40 Standard Taper Joint |
| Coldfinger | Custom part made by OSU chemistry glass shop | ||
| Argon Glovebox | Vacuum Atmospheres | Nexus I | |
| Hot plate stirrer | Corning | 6795 | |
| Thermoeletric cooler | Advanced Thermoelectric | TCP-50 | |
| Temperature controller | Advanced Thermoelectric | TLZ10 | for TE cooler |
| Power supply | Advanced Thermoelectric | PS-145W-12V | for TE cooler and temperature controller |
| Temperature controller | J-Kem Scientific | Model 150 | For heating coil |
| Heating wire | Pelican Wire Company | Nichrome 60 | |
| Custom glassware pieces | Made by OSU Chemistry glass shop | ||
| Vacuum pump | BOC Edwards | XDS-5 | Connected to the CVD set-up |
| Flow meter | Gilmont | GF-2260 | |
| Micrometer valve | Gilmont | 7300 | Controls flow of argon over TCNE |
| Micrometer valve | Gilmont | 7100 | Controls flow of argon over V(CO)6 |
| Tubing | Tygon | R3603 | 1/8 in walls, connected between valves and meter |
| 3-way Stopcock | Nalgene | 6470 | used to adjust the flow rates |
| Pressure gauge | Matheson | 63-4105 | connects to the top of Figure 1 part A |
| SQUID magnetometer | Quantum Design | MPMS-XL | |
| EPR | Bruker | Elexsys | |
| PPMS | Quantum Design | 14T PPMS | |
| Sourcemeter | Keithely | 2400 | |
| Materials | |||
| Sodium metal | Sigma Aldrich | 262714 | |
| Anthracene | Sigma Aldrich | 141062 | |
| Anhydrous tetrahydrofuran | Sigma Aldrich | 186562 | |
| Vanadium(III) chloride tetrahydrofuran complex | Sigma Aldrich | 395382 | |
| Carbon monoxide gas | OSU stores | 98610 | |
| Tetraethylammonium bromide | Sigma Aldrich | 241059 | |
| Phosphoric acid | Sigma Aldrich | 79622 | |
| Methanol | Sigma Aldrich | 14262 | |
| Silcone oil | Sigma Aldrich | 146153 | |
| Copper pellets | Cut from spare copper wire | ||
| Tetracyanoethylene | Sigma Aldrich | T8809 | |
| Glass slides | Gold Seal | 3010 | |
| Activated Charcoal | Sigma Aldrich | 242276 |
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