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.
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Protocol
1. Synthese und Herstellung von Vorstufen
- Herstellung von [Et & sub4; N] [V (CO) 6] 23
- In einer Stickstoffhandschuhfach, geschnitten 1,88 g Natriummetall in ~ 40 Stücke und mischen mit 14,84 g Anthracen in 320 ml wasserfreiem Tetrahydrofuran (THF) in einem 1 l-Dreihalsrundkolben.
ACHTUNG: Sowohl Natriummetall und Tetrahydrofuran sind leicht entflammbar. - Man rührt die Lösung während 4,5 h bei RT unter einer Stickstoffatmosphäre bis zu einer tiefblauen Lösung von NaC 14 H 10 gebildet wird.
- Die Lösung wird auf 0 ° C.
- In einer Stickstoffhandschuhfach, bereiten eine rosarote Lösung von VCL 3 (THF) 3 durch Zugabe von 400 ml wasserfreiem THF in 7,48 g VCl 3 (THF) 3 in einem 500 ml-Rundkolben gegeben und bei RT für 1 h.
- Entfernen Sie die rosarote Lösung VCl 3 (THF) 3 aus dem Handschuhfach und auf 0 ° C für 20 min. Transfer zum vorherigen Lösungention von NaCl 14 H 10 über eine Kanüle unter Stickstoffatmosphäre. Eine homogene deep purple Lösung bildet sich sofort, nachdem die Zugabe beendet ist.
- Aus dem Stickstoff und dem Rühren für 15 Stunden. Langsam auf RT indem Flasche im Eiskübel ermöglicht das Eis zu schmelzen O / N.
- Die Lösung wird wieder auf 0 ° C und der Reaktionskolben mit Kohlenmonoxid zu füllen. Die Lösung wird von Deep Purple bis gelb-braun in einer Angelegenheit von Minuten ändern.
ACHTUNG: Kohlenmonoxid ist hochgiftig. Dieser Schritt sollte nicht allein durchgeführt werden, und ein Kohlenmonoxid-Alarm sollte im Labor eingesetzt werden. - Man rührt die Lösung unter einer Kohlenmonoxid-Atmosphäre bei 0 ° C für 15 h und dann langsam auf RT erwärmen.
- Entfernen Sie alle, aber 200 ml THF unter Vakuum. In 500 ml O 2 freies Wasser unter Rühren der Lösung. V (CO) 6 leicht oxidiert wird und das Vorhandensein von O 2 wird in einer geringen Ausbeute führen.
- Filtern Sie die resultierendegelbe Aufschlämmung in eine Lösung von 20,8 g Tetraethylammoniumbromid zusammensetzt (Et 4 NBr) in 200 ml H 2 O.
- Waschen des Filterkuchens mit O 2 freies Wasser, bis sie farblos ist.
- Filtern der resultierenden Aufschlämmung aus [Et & sub4; N] [V (CO) 6] wird durch Vakuumfiltration und trockene unter Vakuum.
- Shop [Et 4 N] [V (CO) 6] in einem Handschuhfach Gefrierschrank für die zukünftige Verwendung.
- In einer Stickstoffhandschuhfach, geschnitten 1,88 g Natriummetall in ~ 40 Stücke und mischen mit 14,84 g Anthracen in 320 ml wasserfreiem Tetrahydrofuran (THF) in einem 1 l-Dreihalsrundkolben.
- Herstellung von V (CO) 6 23
- Fetten Sie die Anschlusspunkte für einen Vakuumadapter mit Hahn, Glas Zweiwege-Verbindungsrohr und Kühlfinger. Legen Sie einen kalten Finger in der Mitte Nacken und einen Vakuumadapter mit Hahn in der dritten Öffnung.
- In einer Argon Glovebox mischen 100 mg [Et & sub4; N] [V (CO) 6] mit 1 g Phosphorsäure in einem Rundkolben mit einem magnetischen Rührstab.
- Schließen Sie den Rundkolben zu einem Dreihalsrundkolben, über Glas Zwei-Wege-Anschluss Badewannee in der Argon-Glovebox.
- Entfernen Sie den verschlossenen Kolben-System aus dem Handschuhfach und in chemischen Abzugshaube eingestellt.
- In Methanol zu dem kalten Finger und rühren Sie mit einem Spachtel-unter Zugabe von flüssigem Stickstoff, bis Methanol wird eingefroren. Pumpen Sie das System durch Öffnen des Absperrhahns an eine Vakuumleitung bis der Druck 5 x 10 -2 Torr.
- Tauchen Sie den Rundkolben in ein Ölbad Satz bis 45 ° C und schalten Sie den Magnetrührstab. Sobald die Reaktion beginnt, wird der Phosphorsäureschmelze und ein schwarzblaues Pulver kondensiert auf dem kalten Finger.
- Öffnen Sie die Unterdruckleitung, wenn ein schwarzes Pulver kondensiert an der Rundkolben anstelle des kalten Finger, weil der Druck zu hoch ist. Pumpen Sie das System wieder auf 5 x 10 -2 Torr, bevor sie wieder zu schließen.
- Drehen Sie den Reaktionskolben wie nötig, um alle Reaktanten zu mischen.
- Die Reaktion kann sich fortsetzen, bis der verbleibende Rückstand in Rundkolben ist weiß-grau und nicht mehr sprudeln.
- Gießen Kupferpellets in eine kalte sichere Behälter und kühlen mit Flüssigstickstoff.
- Entfernen des Methanols aus dem Kühlfinger mit einer Mikropipette. Gießen gekühlt Kupfer Pellets in den kalten Finger, um es während der Übertragung zu Glovebox kalt zu halten.
- Wischen Sie Öl und Kondenswasser aus dem Kolben-System vor der Übertragung in einer Argon-Handschuhfach.
- Im Inneren des Handschuhfach, entfernen Sie den Kühlfinger aus dem Kolben-System und verwenden Sie einen Spachtel, um die schwarze V (CO) 6-Pulver auf ein Stück Papier mit einem Gewicht von kratzen.
- Shop V (CO) 6 in einer Flasche unter einer Argonatmosphäre und hält unterhalb RT.
- Reinigung von TCNE durch Sublimation
- Bestellen Sie im Handel erhältlich Tetracyanoethylen (TCNE) und an einem chemischen Kühlschrank.
- Mischen Sie ~ 5 g TCNE mit ~ 0,5 g Aktivkohle und mahlen mit einem Mörser und Stößel.
- Zeigen TCNE / Kohle-Mischung in einen Glasboot oder wickeln in heikle Aufgabe Tüchern und in der Unterseite des setzeneinen Kolben, der mit einer Vakuumleitung.
- Platzieren eines kalten Finger in die Oberseite der Form und Abdichtung der beiden Teile mit einer Klammer.
- In Methanol zu dem kalten Finger und rühren Sie mit einem Spachtel-unter Zugabe von flüssigem Stickstoff, bis Methanol wird eingefroren. Platzieren Sie den Boden des Kolbens, der die TCNE in einem Ölbad auf 70 ° C erwärmt.
- Öffnen Sie die Unterdruckleitung, um einen Druck von 10 -4 Torr erreichen und schließen Sie die Unterdruckleitung.
- Gelegentlich öffnen Sie die Unterdruckleitung, um den Druck aufrecht zu erhalten. TCNE kondensiert an der kalten Finger als Sublimation beginnt. Sobald keine TCNE mehr sammelt sich auf dem kalten Finger die Sublimation ist beendet.
- Entfernen des Methanols aus dem Kühlfinger mit einer Mikropipette.
- Wischen Sie Öl und Kondenswasser aus dem Kolben-System vor der Übertragung in einer Argon-Handschuhfach.
- Im Inneren des Handschuhfach, entfernen Sie den Kühlfinger aus dem Kolben-System und verwenden Sie einen Spachtel, um die TCNE-Pulver auf ein Stück Papier mit einem Gewicht von kratzen.
- Stoerneut gereinigt TCNE im Kühlschrank unter RT unter einer inerten Atmosphäre.
2. bis Deposition-System innerhalb einer Argon Glovebox Set
- Montieren Sie den Reaktor innerhalb einer Argon-Handschuhfach, wie in 1A gezeigt.
- Einrichten einer Verbindung zu einer Vakuumpumpe.
- Einrichten der Gasstrom-Verbindungen durch den Anschluss eines 3-Wege-Hahn zwischen einem Durchflussmesser und zwei Leitungen zu den Ventilen Mikrometer.
- Schieben Sie die Glas Heizwendel um den Reaktor (Teil A, 1B).
- Wickeln Sie ein Glasobjektträger mit Polytetrafluorethylen (PTFE) Gewindedichtband.
- Schieben Sie die Glasobjektträger etwa 10 cm von der rechten Seite des Reaktors, Teil A.
- Ein O-Ring für Teil B und schieben Sie in die rechte Seite des Reaktors. Begleiten Sie die beiden Stücke zusammen mit einer Klemme.
- Befestigen Sie eine Unterdruckleitung an den Anschluss unten auf Teil A und befestigen Sie den Sensor an die Spitze Verbindung.
- Legen Sie ein Boot filled mit gereinigtem TCNE in Teil C in der Nähe von Ende, so dass der TCNE wird in der heißesten Teil des Reaktors zu sitzen.
- Fetten Sie die Verbindung von Teil C und schieben Sie sie in die linke Seite des Reaktors.
- Schmieren Sie beide Seiten des T-Boot mit V (CO) 6 und Schieber gefüllt in das rechte Ende des Teils B.
- Schließen Sie jeden Mikrometerventil. Man sollte sich an der rechten Seite der T-Boot und die andere an der linken Seite des Teils C angeschlossen werden und klemmen beide vorhanden.
- Einen Test durch Abscheidung zu bestimmen, wo sich die Reaktionszone befindet.
- Kaution V [TCNE] x ~ 2 auf Substrate
- Eingestellt, die Temperatur des Reaktions Heizwendel, so daß die Reaktionszone auf einen Wert nahe 46 ° C eingestellt wird, wenn gemessen auf dem Boden des Reaktors und dem Bereich des TCNE Boot nahe 75ºC. Eingestellt, die Temperatur eines Siliconölbades auf 10 ° C. Ermöglichen, dass die Temperaturen für mindestens 30 Minuten stabilisieren.
- Schieben Sie die Scheibenheizung coil um den Reaktor (Teil A, 1A).
- Wickeln Sie ein Glasobjektträger mit Polytetrafluorethylen (PTFE) Gewindedichtband. Vereinbaren Proben überdachte Rutschbahn innerhalb eines Zwei-Zoll-Raum.
- Schieben Sie den Objektträger in den Reaktor, so werden die Proben in der Reaktionszone entfernt. Abwechselnd Proben können direkt auf dem Boden des Reaktors angeordnet werden, wobei die Reaktionszone ohne einen Glasträger verschoben werden.
- Ein O-Ring für Teil B und schieben Sie in die rechte Seite des Reaktors. Begleiten Sie die beiden Stücke zusammen mit einer Klemme.
- Befestigen Sie eine Unterdruckleitung an den Anschluss unten auf Teil A und befestigen Sie den Sensor an die Spitze Verbindung.
- Setzen Sie 50 mg von TCNE TCNE in die Boot und 5 mg V (CO) 6 in die T-Boot (diese Mengen für eine 75-90 min Abscheidung geeignet sind).
- Schieben Sie die TCNE Boot in Teil C am Ende, so dass der TCNE wird in der heißesten Teil des Reaktors, die etwa 75 ° C sein sollte sitzen.
- Schmieren Sie beide Seiten des T-Boot und gleiten in das rechte Ende des Teils B.
- Schieben Sie die Stromleitung an der rechten Seite des T-Boot und linken Seite des Teils C und klemmen vorhanden. Die zusammengebaute Set-up sollte 1A ähneln.
- Heben Sie das Ölbad, um die gesamte Unterseite des T-Persenning.
- Öffnen Sie die Unterdruckleitung, um einen Druck von 30-35 mmHg zu erreichen.
- Stellen Sie die Flussrate auf 56 sccm für die V (CO) 6 und 84 sccm für die TCNE. Die Reaktion sollte sofort mit einem grünlichen Material Kondensation an der Wand der Reaktionszone zu beginnen.
- Ermöglichen Reaktion für die gewünschte Zeitdauer ablaufen. Die Dicke des Dünnfilms wird auf die Reaktionszeit und die Lage im Inneren des Reaktors basiert, wie in 2 gezeigt.
- Um die Reaktion, in der Nähe Vakuumleitung zu stoppen und schalten Sie die Heizung und Ölbad.
- Auseinander nehmen das System in beliebiger Reihenfolge.
- Einweichen alle Glaswaren mit Ausnahme der Heizwendel in einer Basis Badlösung für mindestens 1-2 Stunden.
- Spülen Sie Gläser mit Wasser und trocken in einem Ofen.
1. (A) Komplett montiert individuelle chemische Gasphasenabscheidung (CVD) System. (B) Erweiterte Ansicht der Komponenten für das CVD-System. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2 (a) eine Draufsicht auf den Substraten in dem Reaktor, die ihre Lage. (B) UngefähreSchichtdicke als Funktion der Position innerhalb des Reaktorrohr, Teil A aus 1B für eine Ablagerung von 75 Min. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Representative Results
Die erste und einfachste Verfahren zur Bestimmung, ob eine Ablagerung erfolgreich ist, um eine visuelle Inspektion der Schichten zu tun. Der Film sollte dunkellila mit einem Spiegelende, die gleichmäßig über den Substraten angezeigt. Wenn es Punkte auf der Oberfläche des Substrats, wo kein V [TCNE] x ~ 2, oder es ist in der Farbe heller ist, dann ist dies wahrscheinlich auf die Anwesenheit von Lösemitteln oder anderen Verunreinigungen auf der Substratoberfläche. Zusätzlich sollte die Folie opak sein. Es sei denn, ein dünner Film über eine kurze Zeitspanne von wenigen Minuten abgeschieden bedeutet transluzente Folien häufig kann es ein Problem mit der Strömungsgeschwindigkeit der Edukte während der Abscheidung gewesen.
Es ist wichtig zu beachten, dass zusätzlich zu suboptimalen Wachstumsbedingungen können Witterungseinflüsse den Film, die in Filmen, deren Qualitäten erscheinen weniger günstig, zur Folge haben kann verschlechtern; daher ist es wichtig, um die Sauerstoffsättigung zu verhindern, beim Transport und measuring die Proben für die Analyse. Transport der Probe außerhalb des Handschuhfachs benötigt Kapselung des Films mit Materialien wie Epoxid 24 oder Parylene 25 oder die Probe in kundenspezifische Dosen, die das Messwerkzeug 4 passen umschließt. Lokale Struktur und Filmzusammensetzung kann durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) charakterisiert werden.
Magnetische Eigenschaften unter Verwendung eines SQUID-Magnetometers gemessen werden. Optimiert Filme ergeben eine extrapolierte Curietemperatur (T C), die um 500-600 K. Durch Aufteilung oben RT Films wird der Wert von T C von einer Magnetisierung gegen die Temperatur-Messung, wie die in 3A gezeigt extrahiert. Diese Messung wird in einer Quantum Design SQUID-Magnetometer mit einem angelegten Feld von 100 Oe durchgeführt. Die Anwesenheit einer großen Aufteilung des Nullfeld gekühlten (ZFC) und Feldgekühlten (FC) Magnetisierungswerte bei niedrigenTemperatur ist ein Beweis für Isolierung von lokalen Spin-Umgebungen und eine größere Präsenz im unteren Qualitätsfolien. Die T C der Filme kann durch Anpassen der Magnetisierungswerte oberhalb der Spitze der Recht Bloch extrahiert werden
M s (T) = M s (0), (1 - BT 3/2),
wobei M S die Sättigungsmagnetisierung ist, und B ein Anpassungsparameter. Für die in Figur 3A gezeigten Daten ergibt sich fit einer T C von 600 K.
Zusätzlich zur Charakterisierung der magnetischen Reaktion auf Temperatur, kann die Magnetisierung als Funktion des angelegten Feldes gemessen werden, was zu einer Hystereseschleife, wie die in 3B gezeigt ist. Für eine optimierte Folien das Umschalten der Magnetisierung ist scharf, Erreichen der Sättigung von 100 Oe. Die Koerzitivfeldstärke sollte etwa 20 Oe bei 300 K sein
Ferromagnetic Resonanz (FMR) Studien sind eine Schlüsseltechnik zur Identifizierung erfolgreicher Filmwachstum. Das Vorhandensein eines einzigen schmalen Peak in der FMR Messung gibt starke Hinweise eines idealen Wachstum. Die besten Filme haben die volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) der Linienbreite in der Größenordnung von 1-2 G. Messungen der Resonanz suboptimalen Wachstum in einem Spektrum, das Mehrfachresonanzmerkmale an einigen oder allen Drehwinkeln zeigt führen. 4 zeigt FMR-Spektrum eines idealen Films bei verschiedenen Winkeln der angelegten Mikrowelle und Gleichstromfeldern dreh von in der Ebene (90 °), um aus der Ebene (0 °) bei 300 K mit einer angelegten Mikrowellenfrequenz von 9,85 GHz. Die Proben werden normiert, um eine Veränderung in der Größe der Intensität resultiert nach Hohlraum Bedingungen.
Elektrischen Eigenschaften der Filme können durch Transportmessungen charakterisiert werden. Die einfachste Messgeometrie ist ein Zwei-Sondenmessung zur Strommessung in Abhängigkeit von voltage für verschiedene Temperaturen. 5A zeigt einen Film auf Glas mit 30 nm von Al und 40 nm Au oberen Kontakte erstellt durch thermische Verdampfung abgeschieden. Der elektrische Kontakt wird durch Indium drücken, um eine benutzerdefinierte luftdichten Puck nach einem Quantum Design physikalischen Eigenschaften Messsystem (PPMS) gemacht. Strom-Spannungs (IV) Messungen durchgeführt unter Verwendung eines Keithley 2400 Sourcemeter. Diese Messungen zeigen, Ohmsche IV Eigenschaften bei allen Temperaturen mit Widerstand, der mit abnehmender Temperatur, wie in 5B gezeigt, erhöht. Können die temperaturabhängigen Widerstands Daten passen auf eine Arrhenius-Gleichung sein
R = R 0 e -E a / k B T,
um eine Aktivierungsenergie, E a ~ 0,50 eV zu extrahieren. Dieser Wert stellt die Bandlückenenergie in der elektronischen Struktur für dieses Halbleitermaterial 12.
Abbildung 3 (a) Gebiet gekühlten (offene Kreise) und Null-Feld abgekühlt (gefüllte Kreise) Magnetisierung als Funktion der Temperatur mit einem angelegten Magnetfeld von 100 Oe. Gezogene schwarze Linie ist eine Passform verwendet werden, um T C von 600 K. (B) Magnetisierung über Feld gemessen bei 300 K zu extrahieren Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4. Raumtemperatur FMR-Spektren als Funktion der Winkel von in der Ebene (90 °), um aus der Ebene (0 °). Bitte klicken Sie hier, um eine größere vers ansehenion dieser Figur.
Abbildung 5 (A) Schematische Darstellung der Probenstruktur für Transport Probe. (B) Die Widerstandswerte von den im Einsatz für Temperaturen von 150 K bis 300 K gezeigt Strom-Spannungsmessungen extrahiert Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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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 Temperaturreglers als auch durch Anpassung der Drahtabstand an die Heizspule und als solche müssen für jedes System kalibriert werden muss, geändert werden. Temperatur-Kalibrierung durch Messung im Inneren des Reaktors vor voll Montage des Systems zur Abscheidung durchgeführt wird. Es ist wichtig, die TCNE Boot in der heißesten Zone des Reaktors bei einer Temperatur nahe 75 ° C zu stellen.
Die nächste wichtigste Parameter ist Trägergasstrom. Die Trägergasströmungsgeschwindigkeitfür die TCNE sollte höher sein als für V (CO) 6 sein. Die empfohlenen Durchflussraten sind 56 sccm für die V (CO) 6 und 84 sccm für das TCNE, und es ist wichtig, um diese Fließgeschwindigkeiten während der Abscheidung zu überwachen, um die Stabilität zu gewährleisten (eine Abtastfrequenz von etwa 10 min in der Regel ausreichend).
Wenn der Druck über 35 mm Hg ist die Reaktion wahrscheinlich nicht auftreten. Wenn der Druck hoch ist, und die Reaktion noch nicht begonnen hat (es gibt keine V [TCNE] x ~ 2 erscheint) gibt es wahrscheinlich ein Leck in dem System. Ein großes Leck bedeutet das System nicht abzupumpen überhaupt, aber wenn es ein kleines Leck, kann das System 40-50 mmHg erreichen. Der erste Ort, um Dichtheit zu prüfen ist an allen Glasverbindungen. Am häufigsten kann die Vakuumfett auf den Stromlinien schmutzig und muss sauber abgewischt werden und ersetzt werden. Zusätzlich zu Undichtigkeiten können Druckprobleme von unreinen Gläser oder das Vorhandensein von Verunreinigungen, die im Inneren der Kammer ausgasen verursacht werden. DafürDeshalb ist es wichtig, jedes Material in der Reaktionskammer platziert sorgfältig prüfen.
Neben der Optimierung der Reaktionsparameter ist die Oberflächenbehandlung von Substraten wichtig für eine gute Filmwachstum. V [TCNE] x ~ 2 kann auf eine Vielzahl von Substraten aufgebracht werden, aber die Oberfläche muss sauber und frei von Restlösemitteln sein. Selbst berühren Substratoberflächen mit einer Pinzette können sie kontaminieren. Auch können Proben, die verarbeitet wurden zusätzliche Reinigungsschritte. Zum Beispiel zum Abscheiden V [TCNE] x ~ 2 auf Photoresist der Photolack muß lange genug sein, um alle Spuren von Lösungsmittel zu entfernen gebacken. Zusätzlich zur Abscheidung von V [TCNE] x ~ 2 auf einem chemisch bearbeiteten Oberfläche, beispielsweise eine selbstorganisierte Monoschicht können Halbleiterchemikalien für die Verarbeitung erfordern.
CVD gewachsenen Filme aus V [TCNE] x ~ 2 sind ideal für incorpRede in Bauelementstrukturen; jedoch gibt es nur begrenzte Verarbeitung, die auf die V [TCNE] x ~ 2 Filme gemacht werden können, da sie empfindlich gegenüber Lösungsmitteln, Wasser, Luft und hohen Temperaturen sind. V [TCNE] x ~ 2 Folien Schatten für thermische, Elektronenstrahl-maskiert werden oder Sputterabscheidung weiterer organischer oder Metalle. Verschiedene Einkapselungsverfahren kann verwendet werden, um Proben mit V [TCNE] x ~ 2 zu Messmitteln zu transportieren, aber es ist eine Herausforderung für die Arbeit mit diesem Material. Jedoch ist diese Schwierigkeit auch üblich, andere organische Vorrichtungen, wie organische Leuchtdioden (OLEDs), so gibt es einen signifikanten Teil der Arbeiten zur Techniken zur Einkapselung 27-29.
Über die Fähigkeit, Filme aus V [TCNE] x ~ 2 für viele verschiedene Anwendungen ist dieses Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung geeignet ist, um chemische Abstimmbarkeit und Exploration von anderen Arten von organischen Dünnfilmen, wie zum Beispiel V [MeTCEC] wachsen30. Diese Technik stellt die Fähigkeit, eine organische Dünnschicht Magneten in einer Dicke im Bereich von einigen zehn Nanometern bis zu mehreren Mikrometern für Anwendungen von Spinelektronik-Geräte Mikrowellenanwendungen und darüber hinaus zu schaffen.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
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
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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
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- 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).
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