Deposición de vapor químico de un imán Orgánica, vanadio tetracianoetileno
Summary
Presentamos la síntesis de la tetracianoetileno vanadio ferrimagnet de base orgánica (V [TCNE] x, x ~ 2) por medio de baja temperatura de deposición química de vapor (CVD). Esta receta optimizada produce un aumento de la temperatura de Curie desde 400 K a más de 600 K y una mejora dramática en las propiedades de resonancia magnética.
Abstract
Los recientes avances en el campo de los materiales orgánicos ha producido dispositivos tales como diodos emisores de luz orgánicos (OLED) que tienen ventajas que no se encuentran en los materiales tradicionales, incluyendo bajo costo y flexibilidad mecánica. En una vena similar, sería ventajoso para ampliar el uso de los compuestos orgánicos en la electrónica de alta frecuencia y la electrónica basada en espín. Este trabajo presenta un proceso sintético para el crecimiento de películas delgadas de la ferrimagnet orgánica temperatura ambiente, tetracianoetileno vanadio (V [TCNE] x, x ~ 2) por la baja temperatura de deposición química de vapor (CVD). La película delgada se cultiva a <60 ° C, y puede acomodar una amplia variedad de sustratos incluyendo, pero no limitado a, silicio, vidrio, teflón y sustratos flexibles. La deposición de conformación es propicio para pre-modelado y estructuras tridimensionales también. Además, esta técnica puede producir películas con espesores que van desde 30 nm a varios micrómetros. Los recientes progresosen la optimización del crecimiento de la película crea una película cuyas cualidades, como la más alta temperatura de Curie (600 K), la mejora de la homogeneidad magnética y resonancia ferromagnética línea de ancho estrecho (1,5 G) son prometedores para una variedad de aplicaciones en espintrónica y la electrónica de microondas.
Introduction
El tetracianoetileno vanadio semiconductor ferrimagnetic de base orgánica (V [TCNE] x, x ~ 2) exposiciones temperatura ambiente ordenamiento magnético y promete las ventajas de los materiales orgánicos para aplicaciones magnetoelectrónicas, tales como la flexibilidad, la producción de bajo costo, y tunability química. Estudios previos han demostrado la funcionalidad en dispositivos espintrónicos, incluyendo válvulas de espín orgánico / inorgánico 1,2 y todo-orgánicos híbridos 3, y como un polarizador giro en una orgánico / inorgánico heteroestructura semiconductora activa 4. Además, V [TCNE] x ~ 2 ha demostrado promesa para su inclusión en la electrónica de alta frecuencia debido a su extremadamente estrecha anchura de línea de resonancia ferromagnética 5.
Hay cuatro métodos diferentes que se han establecido para sintetizar V [TCNE] x sim 2 6-9. V [TCNE] x ~ 2 se sintetizó por primera vez como powder en diclorometano través de la reacción de TCNE y V (C 6 H 6) 6. Estos polvos exhiben la primera ordenamiento magnético temperatura ambiente observada en un material de base orgánica. Sin embargo, la forma de polvo de este material es extremadamente sensible al aire, lo que limita su aplicación en dispositivos de película delgada. En 2000, un método de deposición química de vapor (CVD) se estableció para la creación de V [TCNE] x ~ 2 películas delgadas 7. Más recientemente deposición física de vapor (PVD) 8 y la deposición de capa molecular (MLD) 9 también se han utilizado para fabricar películas delgadas. El método PVD requiere un sistema de ultra-alto vacío (UHV) y ambos PVD y métodos MLD requieren tiempos extremadamente largos para crecer películas más gruesas que 100 nm, mientras que las películas de ECV fácilmente pueden ser depositados en espesores que van desde 30 nm hasta varias micras. Además de la variedad de grosores disponibles con el método CVD, estudios extensos han producido películas que muestran consistentemente alta q optimizadouality propiedades magnéticas que incluyen: la resonancia ferromagnética estrecha (FMR) anchura de línea (1,5 G), alta temperatura de Curie (600 K), y aguda magnética de conmutación 5.
Ordenamiento magnético en V [TCNE] x ~ 2 películas delgadas procede a través de una vía no convencional. Mediciones magnetometría SQUID muestran un fuerte ordenamiento magnético local, pero la ausencia de picos de difracción de rayos X y microscopía electrónica de transmisión de rasgos (TEM) 10 morfología revelan una falta de largo alcance orden estructural. Sin embargo, la absorción de rayos X extendida de estructura fina (EXAFS) estudia 11 muestran que cada ion de vanadio se octaédricamente coordinado con seis moléculas TCNE diferentes, lo que indica un orden estructural local de robusto con una longitud de enlace de vanadio-nitrógeno de 2,084 (5) Å. Magnetismo surge de un acoplamiento de intercambio antiferromagnético entre los espines desapareados del TCNE – aniones radicales, que se distribuyen en todo el TCNE –molécula, y los giros en las V 2 + iones, que conducen a una ordenación ferrimagnetic local con T C ~ 600 K para las películas optimizadas 5. Además de exhibir ordenamiento magnético temperatura ambiente, V [TCNE] x ~ 2 películas son semiconductores de banda prohibida de 0,5 eV con 12. Otras propiedades de la nota incluyen posibles sperimagnetism por debajo de una temperatura de congelación de ~ 150 K 13,14, magnetorresistencia positivo anómala 12,15,16 y foto-inducida magnetismo 13,17,18.
El método CVD para sintetizar V [TCNE] x ~ 2 películas delgadas es compatible con una variedad de sustratos debido a la baja temperatura (<60 ° C) y la deposición conformal. Estudios anteriores han demostrado la deposición con éxito de V [TCNE] x ~ 2 en ambos sustratos rígidos y flexibles 7. Además, esta técnica de deposición se presta a la sintonización través de la modificación de los precursores y grparámetros owth. 19-22 Aunque el protocolo que se muestra aquí se obtienen las películas más optimizados hasta la fecha, se han logrado avances significativos en la mejora de algunas de las propiedades de la película desde el descubrimiento de este método y más ganancias pueden ser posibles.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los parámetros clave para V [TCNE] x ~ 2 deposición incluyen la temperatura, el flujo de gas portador, la presión, y la relación de los precursores. Debido a que la deposición de vapor químico configuración no está disponible comercialmente tendrán que ser optimizado para cada sistema de estos parámetros. Un estudio anterior de Shima et al. Revelaron que la temperatura tiene el mayor impacto en la tasa de sublimación del precursor TCNE 26. La temperatura puede ser modif…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por NSF subvención No. DMR-1207243, el programa NSF MRSEC (DMR-0820414), DOE Subvención No. DE-FG02-03ER46054 y la OSU-Instituto de Investigación de Materiales. Los autores reconocen el Laboratorio NanoSystems de la Universidad Estatal de Ohio, y la asistencia técnica de CY Kao y 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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