Chemical Vapor Deposition de um ímã Orgânica, vanádio tetracianoetileno
Summary
Apresentamos a síntese do tetracianoetileno ferrimagnet vanádio de base orgânica (V [TCNE] x, x ~ 2) por meio de deposição de vapor químico de baixa temperatura (DCV). Esta receita optimizado produz um aumento na temperatura de Curie entre 400 K e 600 K e sobre uma melhoria dramática em propriedades de ressonância magnética.
Abstract
Recentes progressos no campo dos materiais orgânicos rendeu dispositivos orgânicos tais como diodos emissores de luz (OLEDs), que têm vantagens que não são encontradas em materiais tradicionais, incluindo baixo custo e flexibilidade mecânica. Em uma veia similar, seria vantajoso para expandir o uso de produtos orgânicos em produtos eletrônicos de alta freqüência e eletrônica baseada em rotação. Este trabalho apresenta um processo de síntese para o crescimento de películas finas da ferrimagnet orgânica temperatura ambiente, vanádio tetracianoetileno (V [TCNE] x, x ~ 2) por deposição de vapor químico de baixa temperatura (DCV). A película fina é cultivada a <60 ° C, e pode acomodar uma ampla variedade de substratos incluindo, mas não limitado a, silicone, vidro, Teflon e substratos flexíveis. A deposição conformal é propício para a pré-modelado e estruturas tridimensionais também. Além disso, esta técnica pode produzir películas com espessuras entre 30 nm a vários micrómetros. O progresso recentena otimização do crescimento filme cria um filme cujas qualidades, como a maior temperatura Curie (600 K), a melhoria da homogeneidade magnética, e apertado ressonância ferromagnética linha de largura (1,5 G) mostram a promessa para uma variedade de aplicações em spintrônica e eletrônicos de microondas.
Introduction
O semicondutor ferrimagnético vanádio tetracianoetileno de base orgânica (V [TCNE] x, x ~ 2) exibe temperatura ambiente ordenação magnética e promete as vantagens de materiais orgânicos para aplicações magnetoelectronic, tais como a flexibilidade, a produção de baixo custo, e tunability química. Estudos anteriores demonstraram funcionalidade em dispositivos de spintrônica, incluindo válvulas de spin orgânicos / inorgânicos 1,2 e totalmente orgânico híbridos 3, e como um polarizador de spin em um heterostructure semicondutores orgânicos / inorgânicos ativo 4. Além disso, V [TCNE] x ~ 2 demonstrou promessa para inclusão em produtos eletrônicos de alta freqüência devido a sua extremamente estreita ressonância ferromagnética linewidth 5.
Existem quatro métodos diferentes que foram estabelecidas para sintetizar V [TCNE] x ~ 06-09 fevereiro. V [TCNE] x ~ 2 foi sintetizado pela primeira vez como TISHIr em diclorometano através de uma reacção de TCNE e V (C 6 H 6) 6. Estes pós exibiu o primeiro ordenamento magnético temperatura ambiente observada em um material de base orgânica. No entanto, a forma de pó deste material é extremamente sensível ao ar, o que limita a sua aplicação em dispositivos de película fina. Em 2000, um produto químico de deposição de vapor foi estabelecida método (CVD) para a criação de V [TCNE] x ~ 2 filmes finos 7. Mais recentemente deposição física de vapor (PVD) e camada de deposição 8 molecular (MLD) 9 tem também sido utilizado para fabricar películas finas. O método PVD requer um sistema de vácuo ultra-alto (UHV) e ambos PVD e métodos MLD requerem tempos extremamente longos no crescimento de filmes mais espessos do que 100 nm, enquanto os filmes de CVD pode ser facilmente depositado em espessuras variando de 30 nm a vários micrómetros. Além da grande variedade de espessuras disponíveis com o método CVD, estudos extensos produziram filmes que mostram consistentemente alta q optimizadoualidade propriedades magnéticas, incluindo: ressonância ferromagnético estreita (FMR) largura de linha (1,5 g), de alta temperatura de Curie (600 K), e afiado magnética comutação 5.
Ordenamento magnético em V [TCNE] x ~ 2 filmes finos prossegue através de uma rota não convencional. Medições magnetometria SQUID mostrar forte ordenamento magnético local, mas a ausência de picos de difração de raios-X e microscopia eletrônica de transmissão inexpressivo (TEM) 10 morfologia revelar uma falta de ordem estrutural de longo alcance. No entanto, a absorção de raios-X estendido de estrutura fina (EXAFS) estuda 11 mostram que cada íon vanádio é octaedricamente coordenado com seis moléculas TCNE diferentes, indicando uma ordem estrutural local, robusto, com um comprimento de ligação de vanádio-nitrogênio de 2,084 (5) a. Magnetismo surge de um acoplamento de troca antiferromagnetic entre os spins desemparelhados do TCNE – ânions radicais, que são distribuídos em toda a TCNE –molécula, e as rotações no V 2+, que conduzem a uma ordenação ferrimagnético local com t C ~ 600 K para filmes otimizados 5. Além de exibir a temperatura ambiente ordenamento magnético, V [TCNE] x ~ 2 filmes são semicondutor com 0,5 eV bandgap 12. Outras propriedades da nota incluem possível sperimagnetism abaixo de uma temperatura de congelamento de ~ 150 K 13,14, magnetorresistência positiva anômala 12,15,16, e foto-induzido magnetismo 13,17,18.
O método CVD para a síntese V [TCNE] x ~ 2 filmes finos é compatível com uma variedade de substratos devido à baixa temperatura (<60 ° C) e a deposição conformada. Estudos anteriores mostraram deposição de sucesso de V [TCNE] x ~ 2 em ambos os substratos rígidos e flexíveis 7. Além disso, esta técnica de deposição presta-se ao ajuste por meio de modificação de precursores e de grparâmetros owth 19-22 Enquanto o protocolo mostrado aqui produz os filmes mais otimizado para data., progressos significativos foram feitos na melhoria algumas das propriedades do filme desde a descoberta deste método e novos ganhos podem ser possíveis.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os principais parâmetros para V [TCNE] x ~ 2 deposição incluem a temperatura, o fluxo de gás transportador, a pressão, e proporção de precursores. Uma vez que a deposição de vapor químico set-up não está disponível comercialmente estes parâmetros têm de ser optimizados para cada sistema. Um estudo anterior por Shima et ai. Revelaram que a temperatura tem o maior impacto na taxa de sublimação do precursor TCNE 26. A temperatura pode ser modificado, tanto por o valo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi financiado pela NSF Grant No. DMR-1207243, o programa NSF MRSEC (DMR-0820414), DOE Grant No. DE-FG02-03ER46054, eo OSU-Instituto de Pesquisa de Materiais. Os autores agradecem ao Laboratório NanoSystems na Universidade Estadual de Ohio, e assistência técnica de 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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