Chemical Vapor Deposition di un magnete biologico, Vanadium Tetracyanoethylene
Summary
Presentiamo la sintesi del ferrimagnete vanadio tetracyanoethylene base organica (V [TCNE] x, x ~ 2) mediante deposizione chimica in fase vapore a bassa temperatura (CVD). Questa ricetta ottimizzata produce un aumento della temperatura di Curie da 400 K a oltre 600 K e un notevole miglioramento in proprietà di risonanza magnetica.
Abstract
I recenti progressi nel campo dei materiali organici ha ceduto dispositivi quali diodi emettitori di luce organici (OLED) che presentano vantaggi non si trovano in materiali tradizionali, quali basso costo e flessibilità meccanica. In modo simile, sarebbe vantaggioso per espandere l'uso di sostanze organiche in elettronica ad alta frequenza e l'elettronica basata spin. Questo lavoro presenta un processo di sintesi per la crescita di film sottili di temperatura ambiente ferrimagnete organico, vanadio tetracyanoethylene (V [TCNE] x, x ~ 2) mediante deposizione chimica in fase vapore a bassa temperatura (CVD). Il film sottile è cresciuto a <60 ° C, e può ospitare una vasta gamma di substrati tra cui, ma non solo, il silicio, vetro, Teflon e substrati flessibili. La deposizione conforme è favorevole alla pre-modellato e strutture tridimensionali pure. Inoltre questa tecnica può produrre film con spessori da 30 nm a diversi micron. Progressi recentinell'ottimizzazione di crescita di film crea un film la cui qualità, quali una maggiore temperatura di Curie (600 K), una migliore omogeneità magnetico, e stretta larghezza di riga di risonanza ferromagnetica (1,5 G) mostrano promettenti per una varietà di applicazioni in spintronica e microonde elettronica.
Introduction
Il semiconduttore ferrimagnetic vanadio tetracyanoethylene base organica (V [TCNE] x, x ~ 2) presenta temperatura ambiente ordinamento magnetico e promette i vantaggi dei materiali organici per applicazioni magnetoelectronic, quali la flessibilità, la produzione a basso costo, e tunability chimica. Studi precedenti hanno dimostrato la funzionalità in dispositivi spintronic, incluse le valvole di spin organico / inorganico 1,2 e all-ibridi organici 3, e come un polarizzatore rotazione in un attivo organico / inorganico eterostruttura 4 semiconduttore. Inoltre, V [TCNE] x ~ 2 ha dimostrato promessa per l'inclusione in elettronica ad alta frequenza a causa della sua estrema stretta risonanza ferromagnetica linewidth 5.
Ci sono quattro diversi metodi che sono stati stabiliti per la sintesi di V [TCNE] x ~ 2 6-9. V [TCNE] x ~ 2 fu sintetizzato come powder in diclorometano via reazione di TCNE e V (C 6 H 6) 6. Queste polveri esposte primo ordine magnetico temperatura ambiente osservata in un materiale a base organica. Tuttavia, la polvere di questo materiale è estremamente sensibile all'aria, limitando la sua applicazione in dispositivi a film sottile. Nel 2000, una deposizione di vapore chimico metodo (CVD) è stato istituito per la creazione di V [TCNE] x ~ 2 film sottili 7. Più di recente la deposizione fisica di vapore (PVD) 8 e molecolare strato di deposizione (MLD) 9 sono stati utilizzati anche per fabbricare film sottili. Il metodo PVD richiede un sistema di ultra alto vuoto (UHV) ed entrambi PVD e metodi MLD richiede tempi estremamente lunghi di crescere film spessa di 100 nm, mentre le pellicole CVD possono facilmente essere depositati in spessori da 30 nm a diversi micron. Oltre alla varietà di spessori disponibili con il metodo CVD, ampi studi hanno prodotto film che mostrano costantemente alta q ottimizzatoualità proprietà magnetiche, tra cui: stretta risonanza ferromagnetico (FMR) linewidth (1,5 G), ad alta temperatura di Curie (600 K), e tagliente magnetico di commutazione 5.
Ordinamento magnetico in V [TCNE] x ~ 2 film sottili procede attraverso un percorso non convenzionale. Misurazioni magnetometria SQUID mostrano forte ordinazione magnetica locale, ma l'assenza di picchi di diffrazione di raggi X e featureless microscopia elettronica a trasmissione (TEM) 10 morfologia rivelano una mancanza di lungo raggio ordine strutturale. Tuttavia, l'assorbimento di raggi X esteso di struttura fine (EXAFS) studia 11 mostrano che ogni ione vanadio è octahedrally coordinata con sei differenti molecole TCNE, indicando un ordine strutturale locale, robusto, con una lunghezza di legame vanadio azoto 2.084 (5) Å. Magnetismo nasce da un accoppiamento scambio antiferromagnetico tra gli spin spaiati della TCNE – anioni radicali, che sono distribuiti in tutto il TCNE –molecola, e le rotazioni sui V 2+ ioni, portando ad un ordinamento ferromagnetico locale con T C ~ 600 K per i film ottimizzati 5. Oltre ad esporre temperatura ambiente ordinamento magnetico, V [TCNE] x ~ 2 film sono semiconduttore con 0,5 eV bandgap 12. Altre proprietà di nota sono possibili sperimagnetism sotto di una temperatura di congelamento ~ 150 K 13,14, anomalo magnetoresistenza positiva 12,15,16, e foto-indotta magnetismo 13,17,18.
Il metodo per la sintesi di CVD V [TCNE] x ~ 2 pellicole sottili è compatibile con una vasta gamma di substrati a causa della bassa temperatura (<60 ° C) e conforme deposizione. Studi precedenti hanno dimostrato con successo la deposizione di V [TCNE] x ~ 2 su supporti rigidi e flessibili 7. Inoltre, questa tecnica di deposizione si presta al tuning mediante una modifica di precursori e grparametri owth. 19-22 Mentre il protocollo indicato qui produce i film più ottimizzati fino ad oggi, sono stati compiuti progressi significativi nel migliorare alcune delle proprietà del film dopo la scoperta di questo metodo e ulteriori guadagni può essere possibile.
Protocol
Representative Results
Discussion
I parametri fondamentali per V [TCNE] x ~ 2 deposizione comprendono temperatura, flusso di gas carrier, pressione, e il rapporto di precursori. Poiché la deposizione chimica da vapore set-up non è disponibile in commercio, tali parametri devono essere ottimizzati per ciascun sistema. Uno studio precedente Shima et al. Rivelato che la temperatura ha il maggiore impatto sul tasso sublimazione del TCNE precursore 26. La temperatura può essere modificata sia dal valore impostato su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto da NSF Grant No DMR-1207243, il programma NSF MRSEC (DMR-0.820.414), DOE Grant No DE-FG02-03ER46054, e la OSU-Istituto per la ricerca sui materiali. Gli autori riconoscono il Laboratorio nanosistemi presso la Ohio State University, e l'assistenza tecnica da CY Kao e 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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