Chemical Vapor Deposition eines Organic Magnet, Vanadium Tetracyanethylen
Summary
Wir stellen die Synthese von organisch-basierten Ferri Vanadium Tetracyanoethylen (V [TCNE] x, x ~ 2) über den Niedertemperatur chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Diese optimierte Rezeptur ergibt eine Erhöhung der Curie-Temperatur von 400 K bis über 600 K und eine dramatische Verbesserung der magnetischen Resonanzeigenschaften.
Abstract
Jüngste Fortschritte auf dem Gebiet der organischen Materialien hat Geräte wie organische Leuchtdioden (OLEDs), die Vorteile nicht in traditionellen Materialien, einschließlich niedrigen Kosten und mechanische Flexibilität gefunden haben nachgegeben. In ähnlicher Weise wäre es vorteilhaft, die Verwendung von organischen Stoffen in die Hochfrequenzelektronik und Spinelektronik erweitern. Diese Arbeit stellt ein Syntheseverfahren für das Wachstum von dünnen Filmen aus der Raumtemperatur organischen Ferrimagnet, Vanadium Tetracyanoethylen (V [TCNE] x, x ~ 2) durch Niedertemperatur-Gasphasenabscheidung (CVD). Der dünne Film wird auf <60 ° C gezüchtet, und kann eine breite Vielfalt von Substraten, einschließlich, allerdings nicht für den, Silizium, Glas, Teflon und flexible Substrate beschränkt. Die konforme Abscheidung ist förderlich vorstrukturierte und dreidimensionale Strukturen sowie. Zusätzlich kann diese Technik mit Dicken im Bereich von 30 nm bis zu einigen Mikrometern zu ergeben. Die jüngsten Fortschrittein die Optimierung der Schichtwachstum erzeugt einen Film, dessen Eigenschaften, wie höhere Curie-Temperatur (600 K), verbesserte magnetische Homogenität und schmale ferromagnetische Resonanzlinienbreite (1,5 g) vielversprechend für eine Vielzahl von Anwendungen in der Spintronik und Mikrowellenelektronik.
Introduction
Die organische Halbleiterbasis ferri Vanadium Tetracyanoethylen (V [TCNE] x, x ~ 2) zeigt Raumtemperatur magnetische Ordnung und verspricht die Vorteile organischer Materialien für magnetoelektronischen Anwendungen, wie zB Flexibilität, niedrige Kosten der Produktion und der chemischen Abstimmbarkeit. Frühere Studien haben Funktionalität in Spintronik-Geräte, einschließlich Hybrid organisch / anorganische 1,2 und all-Bio-Spin-Ventile 3 gezeigt, und als Spin-Polarisator in einem aktiven organisch / anorganische Halbleiter-Heterostruktur 4. Darüber hinaus hat V [TCNE] x ~ 2 Versprechen für die Aufnahme in Hochfrequenz-Elektronik aufgrund seiner extrem schmalen ferromagnetische Resonanzlinienbreite 5 demonstriert.
Es gibt vier verschiedene Verfahren, die zur Synthese von V [TCNE] x ~ Februar 06-09 hergestellt wurden. V [TCNE] x ~ 2 wurde zuerst als powde synthetisiertr in Dichlormethan mittels Reaktion von TCNE und V (C 6 H 6) 6. Diese Pulver zeigte die zunächst in einem organischen Material auf Raumtemperatur beobachtet magnetische Ordnung. Jedoch ist die Pulverform dieses Materials extrem luftempfindliche, der ihre Anwendung in Dünnschichtvorrichtungen. In 2000 wurde eine chemische Dampfabscheidung (CVD-Verfahren) wurde zur Erstellung V [TCNE] x ~ 2 Dünnfilme 7 etabliert. Jüngerer physikalische Dampfabscheidung (PVD) 8 und Molekularlagenabscheidung (MLD) 9 wurden ebenfalls verwendet, um dünne Filme herzustellen. Das PVD-Verfahren erfordert eine Systemultrahochvakuum (UHV) und gleich PVD und mLD Verfahren erfordern extrem lange Zeiten zu Folien wachsen dicker als 100 nm, während die CVD-Filme können leicht in Dicken von 30 nm bis zu einigen Mikrometern aufgebracht werden. Neben der Vielzahl von Dicken mit dem CVD-Verfahren, haben umfangreiche Untersuchungen ergab optimiert Filme, die zeigen durchweg hohen quality magnetischen Eigenschaften einschließlich: schmale ferromagnetische Resonanz (FMR) Linienbreite (1,5 g), hohe Curie-Temperatur (600 K) und scharfe magnetische Schalt 5.
Magnetische Ordnung in V [TCNE] x ~ 2 dünne Filme geht über einen unkonventionellen Weg. SQUID-Magnetometrie Messungen zeigen starke lokale magnetische Ordnung, aber das Fehlen von Röntgenbeugungsspitzen und strukturTransmissionsElektronenmikroskopie (TEM) 10 Morphologie zeigen einen Mangel an langfristigen strukturellen Ordnung. Allerdings verlängert Röntgenabsorptionsfeinstruktur (EXAFS) studiert 11 zeigen, dass jedes Vanadiumionen oktaedrisch mit sechs verschiedenen TCNE Moleküle koordiniert, was auf eine robuste lokalen strukturellen Ordnung mit einem Vanadium-Stickstoff-Bindungslänge von 2.084 (5) Å. Magnetismus entsteht aus einem antiferromagnetischen Austauschkopplung zwischen den ungepaarten Spins der TCNE – Radikalanionen, die über die gesamte TCNE verteilt sind –Molekül und die Spins an den V 2+ -Ionen, was zu einem lokalen ferri Ordnung mit T C ~ 600 K für optimierte Filme 5. Neben den ausstellenden Raumtemperatur magnetische Ordnung, V [TCNE] x ~ 2 Filme werden mit 0,5 eV Bandlücke 12 halbleitend. Andere Eigenschaften der Anmerkung schließen möglich sperimagnetism unterhalb einer Gefriertemperatur von ~ 150 K 13,14, anomale positive Magneto 12,15,16 und photoinduzierte Magnetismus 13,17,18.
Das CVD-Verfahren zur Synthese von V [TCNE] x ~ 2 Dünnschichten mit einer Vielzahl von Substraten kompatibel aufgrund der niedrigen Temperatur (<60 ° C) und die konforme Abscheidung. Frühere Studien haben erfolgreiche Abscheidung von V [TCNE] x ~ 2 auf beiden starren und flexiblen Substraten 7 gezeigt. Ferner eignet sich diese Abscheidungstechnik, durch Modifikation der Ausgangsstoffe und Tuning growth Parameter. 19-22 Während die hier gezeigten Protokoll liefert die meisten optimierten Filmen bis heute hat erhebliche Fortschritte bei der seit der Entdeckung dieser Methode verbessert einige der Filmeigenschaften gemacht und weitere Gewinne möglich.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die wesentlichen Parameter für V [TCNE] x ~ 2 Abscheidung gehören Temperatur, Trägergasstrom, Druck und Verhältnis der Ausgangsstoffe. Da die chemische Dampfabscheidungsaufbau ist nicht im Handel erhältlich sind diese Parameter müssen für jedes System optimiert werden. In einer früheren Studie von Shima et al. Zeigten, dass die Temperatur hat den größten Einfluss auf die Sublimationsrate des TCNE Vorläufers 26. Die Temperatur kann auch durch den Wert des Temperaturregle…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von NSF Grant No DMR-1207243, der NSF MRSEC Programm unterstützt (DMR-0820414), DOE Grant No DE-FG02-03ER46054 und der OSU-Anstalt für Materialforschung. Die Autoren danken der Nanosystems Laboratory an der Ohio State University, und technische Unterstützung von CY Kao und 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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