ترسيب الأبخرة الكيميائية لمغناطيس العضوي، والفاناديوم تيتراسيانويثيلين
Summary
نقدم تركيب ومقرها العضوية وferrimagnet الفاناديوم تيتراسيانويثيلين (V [TCNE] خ، س ~ 2) عن طريق ترسيب الأبخرة الكيميائية درجة حرارة منخفضة (الأمراض القلبية الوعائية). هذه الوصفة الأمثل ينتج زيادة في درجة حرارة كوري من K 400 إلى أكثر من 600 K وتحسن كبير في خصائص الرنين المغناطيسي.
Abstract
وقد أسفر التقدم الذي أحرز مؤخرا في مجال المواد العضوية الأجهزة مثل ضوء الثنائيات العضوية (شاشات OLED) التي لديها مزايا لا توجد في المواد التقليدية، بما في ذلك التكلفة المنخفضة والمرونة الميكانيكية. وعلى نفس المنوال، سيكون من المفيد للتوسع في استخدام المواد العضوية في الالكترونيات عالية التردد والالكترونيات القائم على زيادة ونقصان. يعرض هذا العمل عملية الاصطناعية لنمو الأغشية الرقيقة من ferrimagnet العضوية درجة حرارة الغرفة، والفاناديوم تيتراسيانويثيلين (V [TCNE] خ، س ~ 2) من خلال ترسيب الأبخرة الكيميائية درجة حرارة منخفضة (الأمراض القلبية الوعائية). ويزرع رقيقة في <60 ° C، ويمكن أن تستوعب مجموعة واسعة من ركائز بما في ذلك، ولكن ليس على سبيل الحصر، والسيليكون والزجاج وتفلون وركائز مرنة. ترسب امتثالي يفضي إلى نمط ما قبل والهياكل ثلاثية الأبعاد أيضا. بالإضافة إلى ذلك يمكن لهذه التقنية تسفر الأفلام مع سمك تتراوح من 30 نانومتر إلى عدة ميكرون. التقدم الذي أحرز مؤخرافي تعظيم الاستفادة من النمو الفيلم يخلق الفيلم الذي الصفات، مثل ارتفاع درجة حرارة كوري (600 K)، وتحسين التجانس المغناطيسي، وضيق الرنين المغناطيسية خط عرض (1.5 G) تظهر الوعد لمجموعة متنوعة من التطبيقات في الإلكترونيات الدورانية والالكترونيات الميكروويف.
Introduction
أشباه الموصلات ferrimagnetic الفاناديوم تيتراسيانويثيلين أساس العضوية (V [TCNE] خ، س ~ 2) المعارض درجة حرارة الغرفة المغناطيسي يأمر وعود مزايا المواد العضوية للتطبيقات magnetoelectronic، مثل المرونة، وإنتاج منخفض التكلفة، وtunability الكيميائية. وقد أثبتت دراسات سابقة وظائف في الأجهزة من النوع الإلكتروني الدوراني، بما في ذلك الهجين الصمامات تدور العضوية / غير العضوية 1،2 وكل العضوية 3، وكما المستقطب تدور في العضوية / غير العضوية heterostructure أشباه الموصلات النشط 4. بالإضافة إلى ذلك، V [TCNE] س ~ 2 أثبت وعد لإدراجها في مجال الالكترونيات وتيرة عالية نظرا لضيق للغاية linewidth الرنين المغناطيسية لها 5.
هناك أربعة أساليب مختلفة والتي تم وضعها لتجميع V [TCNE] س ~ 6-9 فبراير. V [TCNE] س ~ 2 تم تصنيعه لأول مرة كما powde(ص) في ثنائي كلورو ميثان عبر رد فعل TCNE وV (C 6 H 6) 6. هذه المساحيق أظهرت أول درجة حرارة الغرفة يأمر المغناطيسي لوحظ في مادة تستند العضوية. ومع ذلك، فإن شكل مسحوق من هذه المواد في غاية الحساسية الهواء، مما يحد من تطبيقها في أجهزة رقيقة. في عام 2000، وترسيب الأبخرة الكيميائية تأسست (الأمراض القلبية الوعائية) طريقة لخلق V [TCNE] س ~ 2 الأغشية الرقيقة 7. وفي الآونة الأخيرة ترسب المادية بخار (PVD) (8) وترسب طبقة الجزيئية (MLD) 9 قد استخدمت أيضا لصنع أفلام رقيقة. يتطلب طريقة PVD نظام فائقة فراغ (الفائق) وكلاهما PVD وطرق MLD تتطلب أوقات طويلة للغاية أن ينمو الأفلام سمكا من 100 نانومتر، في حين أن الأفلام الأمراض القلبية الوعائية يمكن بسهولة أن تودع في سمك تتراوح من 30 نانومتر إلى عدة ميكرون. بالإضافة إلى مجموعة متنوعة من سمك المتاحة مع أسلوب الأمراض القلبية الوعائية، دراسات مستفيضة قد أسفرت عن الأفلام التي تظهر باستمرار ف عالية الأمثلينشيء الخواص المغناطيسية بما في ذلك: الرنين المغناطيسية الضيق (نشرة الهجرة القسرية) linewidth (1.5 G)، ودرجة الحرارة العالية كوري (600 K)، وحادة المغناطيسي التبديل 5.
ترتيب المغناطيسي في V [TCNE] س ~ 2 الأغشية الرقيقة العائدات عبر طريق غير تقليدية. وتشير القياسات القياس المغنطيسي الحبار قوي يأمر المغناطيسي المحلي، ولكن عدم وجود قمم حيود الأشعة السينية وملامح وانتقال المجهر الإلكتروني (TEM) 10 التشكل تكشف عن انعدام النظام الهيكلي طويل المدى. ومع ذلك، مدد امتصاص الأشعة السينية غرامة هيكل (EXAFS) يدرس 11 تبين أن كل أيون الفاناديوم ويتم تنسيق octahedrally مع ستة جزيئات TCNE مختلفة، مما يدل على أن النظام الهيكلي المحلي القوي الذي يبلغ طوله السندات الفاناديوم النيتروجين من 2،084 (5) Å. تنشأ المغناطيسية من اقتران صرف مضاد الانجذاب المغنطيسي بين يدور المفردة من TCNE – الأنيونات المتطرفة، والتي يتم توزيعها في جميع أنحاء TCNE كامل –الجزيء، ويدور حول V 2+ الأيونات، مما يؤدي إلى ترتيب ferrimagnetic المحلي مع T C ~ 600 K للأفلام الأمثل 5. بالإضافة إلى اظهار درجة حرارة الغرفة المغناطيسي يأمر، V [TCNE] س ~ 2 الأفلام وشبه الموصلة مع 0.5 فولت فجوة الحزمة 12. وتشمل الخصائص الأخرى من مذكرة ممكن sperimagnetism أقل من درجة حرارة التجمد من ~ 150 K 13،14، المغناطيسية إيجابية الشاذة 12،15،16، والصورة التي يسببها المغناطيسية 13،17،18.
طريقة الأمراض القلبية الوعائية لتوليف V [TCNE] س ~ 2 الأغشية الرقيقة متوافق مع مجموعة متنوعة من ركائز بسبب درجات الحرارة المنخفضة (<60 ° C) وترسب امتثالي. وقد أظهرت دراسات سابقة ترسب الناجح لV [TCNE] س ~ 2 على كل ركائز صلبة ومرنة 7. وعلاوة على ذلك، فإن هذا الأسلوب ترسب يفسح المجال لضبط من خلال تعديل السلائف وغرامالمعلمات owth. 19-22 على الرغم من أن البروتوكول هو موضح هنا ينتج الأفلام الأكثر الأمثل حتى الآن، تم إحراز تقدم كبير في تحسين بعض خصائص الفيلم منذ اكتشاف هذا الأسلوب، وربما يكون المزيد من المكاسب ممكن.
Protocol
Representative Results
Discussion
وتشمل المعايير الرئيسية لV [TCNE] س ~ 2 ترسب في درجة الحرارة، وتدفق الغاز الناقل، والضغط، ونسبة السلائف. لأن ترسب الأبخرة الكيميائية انشاء غير متوفر تجاريا سوف تحتاج هذه المعلمات ليكون الأمثل لكل نظام. وكشفت دراسة سابقة أجراها شيما آخرون أن درجة الحرارة ل…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل جبهة الخلاص الوطني منحة رقم DMR-1207243، برنامج NSF MRSEC (DMR-0820414)، وزارة الطاقة منحة رقم DE-FG02-03ER46054، وللمعهد جامعة ولاية أوهايو لبحوث المواد. المؤلفون تعترف مختبر النانو في جامعة ولاية أوهايو، والمساعدة التقنية من CY كاو وCY تشن.
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 |
References
- Yoo, J. W., et al. Spin injection/detection using an organic-based magnetic semiconductor. Nat. Mater. 9, 638-642 (2010).
- Li, B., et al. Room-temperature organic-based spin polarizer. Appl. Phys. Lett. 99, 153503 (2011).
- Li, B., Kao, C. Y., Yoo, J. W., Prigodin, V. N., Epstein, A. J. Magnetoresistance in an All-Organic-Based Spin Valve. Adv. Mater. 23, 3382-3386 (2011).
- Fang, L., et al. Electrical Spin Injection from an Organic-Based Ferrimagnet in a Hybrid Organic-Inorganic Heterostructure. Phys. Rev. Lett. 106, 156602 (2011).
- Yu, H., et al. Ultra-narrow ferromagnetic resonance in organic-based thin films grown via low temperature chemical vapor deposition. Appl. Phys. Lett. 105, 012407 (2014).
- Manriquez, J. M., Yee, G. T., McLean, R. S., Epstein, A. J., Miller, J. S. A Room-Temperature Molecular Organic Based Magnet. Science. 252, 1415-1417 (1991).
- Pokhodnya, K. I., Epstein, A. J., Miller, J. S. . Thin-film V TCNE (x) magnets. Adv. Mater. 12, 410-413 (2000).
- Carlegrim, E., Kanciurzewska, A., Nordblad, P., Fahlman, M. Air-stable organic-based semiconducting room temperature thin film magnet for spintronics applications. Appl. Phys. Lett. 92, 163308 (2008).
- Kao, C. Y., Yoo, J. W., Min, Y., Epstein, A. J. Molecular Layer Deposition of an Organic-Based Magnetic Semiconducting Laminate. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4, 137-141 (2012).
- Miller, J. S. Oliver Kahn Lecture: Composition and structure of the V TCNE (x) (TCNE = tetracyanoethylene) room-temperature, organic-based magnet – A personal perspective. Polyhedron. 28, 1596-1605 (2009).
- Haskel, D., et al. Local structural order in the disordered vanadium tetracyanoethylene room-temperature molecule-based magnet. Phys. Rev. B. 70, 054422 (2004).
- Prigodin, V. N., Raju, N. P., Pokhodnya, K. I., Miller, J. S., Epstein, A. J. Spin-Driven Resistance in Organic-Based Magnetic Semiconductor V[TCNE]x. Adv. Mater. 14, 1230-1233 (2002).
- Yoo, J. W., Edelstein, R. S., Lincoln, D. M., Raju, N. P., Epstein, A. J. Photoinduced magnetism and random magnetic anisotropy in organic-based magnetic semiconductor V(TCNE)(x) films, for x similar to 2. Phys. Rev. Lett. 99 (15), 157205 (2007).
- Cimpoesu, F., Frecus, B., Oprea, C. I., Panait, P., Gîrţu, M. A. Disorder, exchange and magnetic anisotropy in the room-temperature molecular magnet V[TCNE]x – A theoretical study. Computational Materials Science. 91, 320-328 (2014).
- Raju, N. P., Prigodin, V. N., Pokhodnya, K. I., Miller, J. S., Epstein, A. J. High field linear magnetoresistance in fully spin-polarized high-temperature organic-based ferrimagnetic semiconductor V(TCNE)(x) films, x similar to 2. Synth. Met. 160, 307-310 (2010).
- Raju, N. P., et al. Anomalous magnetoresistance in high-temperature organic-based magnetic semiconducting V(TCNE)(x) films. J. Appl. Phys. 93, 6799-6801 (2003).
- Yoo, J. W., et al. Multiple photonic responses in films of organic-based magnetic semiconductor V(TCNE)(x), x similar to 2. Phys. Rev. Lett. 97, 247205 (2006).
- Yoo, J. W., Edelstein, R. S., Raju, N. P., Lincoln, D. M., Epstein, A. J. Novel mechanism of photoinduced magnetism in organic-based magnetic semiconductor V(TCNE)(x), x similar to 2. J. Appl. Phys. 103, 07B912 (2008).
- Caro, D., et al. CVD-grown thin films of molecule-based magnets. Chem. Mat. 12, 587-589 (2000).
- Erickson, P. K., Miller, J. S. Thin film Co TCNE (2) and VyCo1-y TCNE (2) magnetic materials. J. Magn. Magn. Mater. 324 (2), 2218-2223 (2012).
- Valade, L., et al. Thin films of molecular materials grown on silicon substrates by chemical vapor deposition and electrodeposition. J. Low Temp. Phys. 142, 393-396 (2006).
- Casellas, H., de Caro, D., Valade, L., Cassoux, P. A new chromium-based molecular magnet grown as a thin film by CVD. Chem. Vapor Depos. 8, 145-147 (2002).
- Barybin, M. V., Pomije, M. K., Ellis, J. E. Highly reduced organometallics – 42. A new method for the syntheses of V(CO)(6) (-) and V(PF3)(6) (-) involving anthracenide mediated reductions of VCl3(THF)(3). Inorg. Chim. Acta. 269, 58-62 (1998).
- Froning, I. H. M., Lu, Y., Epstein, A. J., Johnston-Halperin, E. Thin-film Encapsulation of the Air-Sensitive Organic Ferrimagnet Vanadium Tetracyanoethylene. Appl. Phys. Lett. 106, 122403 (2015).
- Pokhodnya, K. I., Bonner, M., Miller, J. S. Parylene protection coatings for thin film V TCNE (x) room temperature magnets. Chem. Mat. 16, 5114-5119 (2004).
- Shima Edelstein, R., Yoo, J. -. W., Raju, N. P., Bergeson, J. D., Pokhodnya, K. I., Miller, J. S., Epstein, A. J., Tessler, N., Arias, A. C., Burgi, L., Emerson, J. A. . Materials Research Society. , (2005).
- Katz, H. E. Recent advances in semiconductor performance and printing processes for organic transistor-based electronics). Chem. Mat. 16, 4748-4756 (2004).
- Subbarao, S. P., Bahlke, M. E., Kymissis, I. Laboratory Thin-Film Encapsulation of Air-Sensitive Organic Semiconductor Devices. IEEE Trans. Electron Devices. 57, 153-156 (2010).
- Lungenschmied, C., et al. Flexible, long-lived, large-area, organic solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 91, 379-384 (2007).
- Lu, Y., et al. Thin-Film Deposition of an Organic Magnet Based on Vanadium Methyl Tricyanoethylenecarboxylate. Adv. Mater. 26, 7632-7636 (2014).
