Bir Organik Magnet CVD, Vanadyum Tetracyanoethylene
Summary
Organik bazlı ferrimagnet vanadyum tetracyanoethylene sentezini mevcut (V [TCNE] X, X ~ 2) düşük sıcaklık, kimyasal buhar biriktirme (CVD) yoluyla. Bu optimize tarifi K 600 400 K dan Curie sıcaklığının artış ve manyetik rezonans özellikleri dramatik bir iyileşme elde edilir.
Abstract
Organik malzemeler alanında son gelişmeler gibi organik ışık yayan diyotlar düşük maliyet ve mekanik esneklik gibi geleneksel malzemelerle, bulunmayan avantajlara sahip (OLED) gibi cihazları vermiştir. Benzer şekilde, yüksek frekanslı elektronik ve spin-tabanlı elektronik içine organik maddelerin kullanımını yaygınlaştırmak için avantajlı olacaktır. Bu çalışma, oda sıcaklığında bir organik ferrimagnet ince filmlerin büyümesi için sentetik bir işlem sunulur, vanadyum tetracyanoethylene (V [TCNE] X, X ~ 2) düşük sıcaklık, kimyasal buhar biriktirme (CVD) ile. ince film <60 ° C 'de yetiştirilen ve da dahil olmak üzere alt tabakalar, çok çeşitli olabilir ancak silikon, cam, Teflon ve esnek alt tabakaların, bunlarla sınırlı değildir. konformal birikim yanı sıra desenli ön ve üç boyutlu yapılar vesile olur. Buna ek olarak, bu teknik, 30 nm ila birkaç mikron arasında değişen kalınlıklarda filmler elde edilebilir. Son gelişmelerFilm büyüme optimizasyonu olan bu tür yüksek Curie sıcaklığı (600 K), gelişmiş manyetik homojenliği ve dar ferromanyetik rezonans hat genişliği Spintronik ve mikrodalga elektroniği çeşitli uygulamalar için (1.5 G) göstermek vaadi olarak nitelikleri, bir film tabakası oluşturur.
Introduction
Organik bazlı ferrimanyetik yarıiletken vanadyum tetracyanoethylene (V [TCNE] x x ~ 2) sergileyen oda sıcaklığı, manyetik sipariş ve esneklik, düşük maliyetli üretim ve kimyasal Ayarlanabilirliğin olarak magnetoelectronic uygulamalar için organik maddelerin avantajlarını vaat ediyor. Önceki çalışmalar hibrid 1,2 organik / inorganik ve tüm organik sıkma vanalar 3 olmak üzere Spintronik cihazlarda, işlevsellik gösterdi ve sahip aktif bir organik / inorganik yarıiletken heteroyapıların 4 spin polarize olarak. Buna ek olarak, V [TCNE] x ~ 2 nedeniyle, son derece dar bir ferromanyetik rezonans çizgi kalınlığı 5 yüksek frekans elektronik eklenmesi için söz göstermiştir.
V [TCNE] x ~ 06-09 Şubat sentezlenmesi için kurulmuştur dört farklı yöntem vardır. V [TCNE] x ~ 2, birinci powde gibi sentezlendiTCNE ve V reaksiyonu yolu ile, diklorometan içinde R (Cı 6H 6) 6. Bu tozlar organik bazlı malzeme gözlenen ilk oda sıcaklığı, manyetik sipariş sergiledi. Bununla birlikte, bu malzemenin toz halindeki ince film cihazlarda uygulanmasını sınırlama son derece hava duyarlıdır. 2000, bir kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemi V [TCNE] x ~ 2 ince filmler 7 oluşturmak için kurulmuştur. Daha yakın zamanda, fiziksel buharla biriktirme (PVD) 8 ve moleküler, tabaka (MLD) 9, aynı zamanda ince filmler imal etmek için kullanılmıştır. PVD yöntemi ultra yüksek vakum (UHV) sistemi ve her iki PVD gerektirir CVD filmleri kolayca 30 nm ila birkaç mikron arasında değişen kalınlıklarda yatırılabilir ise MLD yöntemleri, sinema daha kalın, 100 nm büyümesi için çok uzun süreler gerektirir. CVD yöntemi ile mevcut kalınlıklarda çeşitli ek olarak, kapsamlı çalışmalar sürekli olarak yüksek q gösteren filmler optimize saptanmış olmasıdar ferromanyetik rezonans (FMR) LineWidth (1.5 G), yüksek Curie sıcaklığının (600 K) ve manyetik keskin 5 anahtarlama: dahil uality manyetik özellikleri.
V [TCNE] x ~ 2 ince filmler Manyetik sipariş alışılmamış yoldan ilerler. KALAMAR Magnetometri ölçümleri güçlü yerel manyetik sipariş gösterir, ancak X-ışını kırılma tepe olmaması ve özelliksiz transmisyon elektron mikroskobu (TEM) 10 morfoloji uzun menzilli yapısal düzenin eksikliği ortaya koymaktadır. Bununla birlikte, uzun X-ışını soğurma ince yapı (EXAFS) her bir vanadyum iyonu oktahedral 2.084 (5), bir vanadyum-azot bağı uzunluğuna sahip bir sağlam lokal yapısal sırasını gösteren, altı farklı TCNE molekülleri ile koordine edilir 11 gösteren çalışmalar. Tüm TCNE dağılmış olan radikal anyon, – Manyetizma TCNE çiftleşmemiş spin arasında bir antiferromanyetik döviz kavrama doğar –molekülü ve T C ile yerel ferrimanyetik sipariş giden V 2+ iyonları üzerinde spin, ~ Optimize filmler 5 600 K. Oda sıcaklığında, manyetik sıralamasını gösteren ek olarak, V [TCNE] x ~ 2 filmler 0.5 eV bandaralıklı 12 yarı iletken edilir. Not diğer özellikleri ~ 150 K 13,14 anormal pozitif magnetorezistans 12,15,16 ve foto-kaynaklı manyetik 13,17,18 bir donma sıcaklığının altında mümkün olan sperimagnetism bulunmaktadır.
V [TCNE] x ~ 2 ince filmlerin sentezlenmesi için CVD yöntemi, düşük sıcaklıkta (<60 ° C) ve konformal birikimi çeşitli substratlar ile uyumludur. Önceki çalışmalar, hem sert ve esnek yüzeylerde 7 V [TCNE] x ~ 2 başarılı birikimi göstermiştir. Dahası, bu birikim tekniği gr öncüleri ve modifiye edilerek tuning kendisini ödünçowth parametreler. 19-22 Burada gösterilen protokol bugüne kadar en iyi duruma getirilmiş filmler verimleri ederken, önemli bir ilerleme bu yöntemin keşfinden bu yana sinema özelliklerinden bazıları iyileştirilmesi yapılmıştır ve daha fazla kazanç mümkün olabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
V [TCNE] x ~ 2 biriktirilmesi için önemli parametreler, sıcaklık, bir taşıyıcı gaz akışı, basınç ve öncülerinin oranı bulunmaktadır. Kimyasal buhar depozisyon kurulumu ticari olarak temin edilebilir olmadığı için bu parametreler her sistem için optimize edilmiş olması gerekir. Shima ve arkadaşları tarafından bir önceki çalışma. Sıcaklık TCNE habercisi 26 yüceltme oranı üzerinde büyük etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Eğer sıcak…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, NSF Hibe No DMR-1207243, NSF MRSEC programı tarafından desteklenen (DMR-0.820.414), DOE Grant No DE-FG02-03ER46054 ve Malzeme Araştırma OSU-Enstitüsü. Yazarlar nano Ohio State Üniversitesi'nde Laboratuvarı ve CY Kao ve CY Chen teknik yardım kabul.
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).
