Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

ترسيب الأبخرة الكيميائية لمغناطيس العضوي، والفاناديوم تيتراسيانويثيلين

Published: July 3, 2015 doi: 10.3791/52891
Automatic Translation
1, 2, 1, 1,2, 1
1Department of Physics, The Ohio State University, 2Department of Chemistry, The Ohio State University

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. تحضير وإعداد السلائف

  1. إعداد [إت 4 N] [V (CO) 6] 23
    1. في صندوق قفازات النيتروجين، وقطع 1،88 غرام من معدن الصوديوم إلى ~ 40 قطعة وتخلط مع 14.84 غرام من أنثراسين في 320 مل من رباعي هيدرو الفوران اللامائية (THF) في 1 L الجولة ثلاثة الرقبة قارورة القاع.
      تنبيه: كل من فلز الصوديوم ورباعي هيدرو الفوران وشديدة الاشتعال.
    2. يحرك الحل ل 4.5 ساعة على RT تحت جو النيتروجين حتى حل الأزرق العميق بريدا 14 H 10 وتشكيلها.
    3. تبريد حل ل0 ° C.
    4. في صندوق قفازات النيتروجين، ويعد حل الوردي والأحمر من VCL 3 (THF) 3 عن طريق إضافة 400 مل من THF اللامائية إلى 7.48 غرام من VCL 3 (THF) 3 في 500 مل قارورة أسفل جولة ويقلب في RT لمدة 1 ساعة.
    5. إزالة الحل الوردي والأحمر VCL 3 (THF) 3 من صندوق قفازات وباردة إلى 0 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة. نقل إلى المحاليل السابقةنشوئها بريدا 14 H 10 عبر قنية تحت جو من النيتروجين. يتم تشكيل حل الأرجواني العميق متجانسة على الفور بعد الانتهاء من الإضافة.
    6. إزالة من النيتروجين ويحرك المزيج لمدة 15 ساعة. الحارة ببطء إلى RT عن طريق وضع القارورة في دلو الجليد السماح الجليد لتذوب O / N.
    7. تبريد الحل مرة أخرى إلى 0 درجة مئوية، وملء قارورة التفاعل مع أول أكسيد الكربون. والحل تغيير من الأرجواني العميق إلى الأصفر والبني في غضون دقائق.
      تنبيه: أول أكسيد الكربون عالية السمية. لا ينبغي أن يتم تنفيذ هذه الخطوة وحدها، ويجب أن يتم تثبيت جهاز إنذار أول أكسيد الكربون في المختبر.
    8. يحرك الحل في ظل جو أول أكسيد الكربون في 0 درجة مئوية لمدة 15 ساعة ثم دافئة ببطء إلى RT.
    9. إزالة كافة ولكن 200 مل من THF في ظل فراغ. إضافة 500 مل من O 2 المياه مجانا مع التحريك الحل. V (CO) 6 يتأكسد بسهولة وسوف جود O 2 نتيجة في العائد المنخفض.
    10. تصفية الناتجةالطين الأصفر في حل تتكون من 20.8 غرام من بروميد رباعي إيثيل الأمونيوم (ET 4 NBR) في 200 مل من H 2 O.
    11. تغسل كعكة فلتر مع O 2 المياه مجانا حتى يصبح عديم اللون.
    12. تصفية الطين الناتج من [إت 4 N] [V (CO) 6] عن طريق الترشيح فراغ والجافة في ظل فراغ.
    13. مخزن [إت 4 N] [V (CO) 6] في الفريزر صندوق قفازات لاستخدامها في المستقبل.
  2. إعداد V (CO) 6 23
    1. الشحوم نقاط اتصال لمحول فراغ مع الديوك، والزجاج في اتجاهين ربط أنبوب، وإصبع البارد. ضع إصبع البارد في الرقبة مركز ومحول فراغ مع الديوك في افتتاح ثالث.
    2. في صندوق قفازات الأرجون، مزيج 100 ملغ من [إت 4 N] [V (CO) 6] مع 1 غرام من حامض الفوسفوريك في قاع القارورة المستديرة التي تحتوي على شريط التحريك المغناطيسي.
    3. ربط أسفل القارورة المستديرة إلى ثلاث الرقبة الجولة أسفل القارورة عبر حوض الزجاج اتجاهين يربطه في صندوق قفازات الأرجون.
    4. إزالة نظام قارورة مختومة من صندوق قفازات والتي أنشئت في غطاء محرك السيارة الكيميائية.
    5. إضافة الميثانول إلى إصبع البارد واثارة مع ملعقة بينما تضيف النيتروجين السائل حتى يتم تجميد الميثانول. ضخ أسفل النظام عن طريق فتح محبس إلى خط فراغ حتى يصل الضغط 5 × 10 -2 عربة.
    6. يغرق أسفل القارورة المستديرة في مجموعة حمام الزيت إلى 45 درجة مئوية، وبدوره على التحريك المغناطيسي. بمجرد أن يبدأ رد الفعل، وحامض الفوسفوريك تذوب ومسحوق أسود والأزرق يتكثف على إصبع البارد.
    7. فتح خط فراغ عندما يتكثف مسحوق أسود على قارورة أسفل مستديرة بدلا من إصبع البارد لأن ضغط مرتفع جدا. ضخ النظام إلى 5 × 10 -2 عربة قبل أن يغلق مرة أخرى.
    8. تدوير القارورة رد فعل اللازمة لخلط جميع المواد المتفاعلة.
    9. السماح للتفاعل سيستمر إلى بقايا المتبقية في الدور السفلي قارورة الأبيض والرمادي ولم يعد محتدما.
    10. صب قوالب النحاس في وعاء آمن الباردة وتبريد مع النيتروجين السائل.
    11. إزالة الميثانول من إصبع البارد مع micropipette. صب قوالب النحاس المبرد في إصبع البارد للحفاظ على باردا أثناء نقل إلى صندوق قفازات.
    12. مسح النفط والماء المكثف تشغيل النظام قارورة قبل أن ينتقل إلى صندوق قفازات الأرجون.
    13. داخل صندوق قفازات، وإزالة الإصبع البارد من نظام قارورة واستخدام ملعقة لتتخلص من V الأسود (CO) 6 مسحوق على قطعة وزنها ورقة.
    14. مخزن V (CO) 6 في زجاجة تحت جو الأرجون وتبقي أقل من RT.
  3. تنقية TCNE التي كتبها التسامي
    1. شراء تيتراسيانويثيلين المتاحة تجاريا (TCNE) وتخزينها في الثلاجة الكيميائية.
    2. مزيج ~ 5 غرام من TCNE مع ~ 0.5 غرام من الكربون المنشط وتطحن مع هاون ومدقة.
    3. وضع TCNE / خليط الكربون في قارب الزجاج أو التفاف في مناديل مهمة حساسة وضعت في أسفلقارورة مع خط فراغ.
    4. ضع إصبع البارد في الجزء العلوي من القارورة وختم شطري جنبا إلى جنب مع المشبك.
    5. إضافة الميثانول إلى إصبع البارد واثارة مع ملعقة بينما تضيف النيتروجين السائل حتى يتم تجميد الميثانول. وضع الجزء السفلي من القارورة التي تحتوي على TCNE في حمام الزيت الساخن إلى 70 درجة مئوية.
    6. فتح خط فراغ للوصول إلى الضغط من 10 -4 عربة ثم قم بإغلاق خط فراغ.
    7. أحيانا فتح خط فراغ للحفاظ على الضغط. TCNE يتكثف على إصبع البارد مع بدء التسامي. مرة واحدة يتراكم لا أكثر TCNE على إصبع البارد الانتهاء من التسامي.
    8. إزالة الميثانول من إصبع البارد مع micropipette.
    9. مسح النفط والماء المكثف تشغيل النظام قارورة قبل أن ينتقل إلى صندوق قفازات الأرجون.
    10. داخل صندوق قفازات، وإزالة الإصبع البارد من نظام قارورة واستخدام ملعقة لتتخلص من مسحوق TCNE على قطعة وزنها ورقة.
    11. ستوإعادة TCNE تنقيته في الثلاجة أدناه RT تحت جو خامل.

2. إعداد نظام ترسب داخل الأرجون صندوق قفازات

  1. تجميع مفاعل داخل صندوق قفازات الأرجون كما هو مبين في الشكل 1A.
    1. إعداد اتصال لمضخة فراغ.
    2. إعداد اتصالات تدفق الغاز من خلال ربط محبس 3-الطريق بين تدفق متر واثنين من خطوط متصلة ميكرومتر الصمامات.
    3. حرك لفائف سخان الزجاج حول مفاعل (جزء A، الشكل 1B).
    4. التفاف شريحة زجاجية مع الشريط تترافلوروإيثيلين (PTFE) ختم الموضوع.
    5. دفع شريحة زجاجية حوالي 10 سم من الجانب الأيمن من المفاعل، جزء A.
    6. وضع يا الدائري على الجزء B والانزلاق في الجانب الأيمن من المفاعل. تاريخ قطعتين معا مع المشبك.
    7. إرفاق خط فراغ إلى اتصال السفلي في الجزء ألف وإرفاق مقياس للاتصال العلوي.
    8. وضع ملء قاربإد مع TCNE تنقيته إلى جزء C قرب نهاية بحيث سوف TCNE الجلوس في سخونة جزء من المفاعل.
    9. الشحوم ربط جزء C وأدخلها في الجانب الأيسر من المفاعل.
    10. الشحوم جانبي T-زورق مليء V (CO) 6 والانزلاق نحو الطرف الأيمن من الجزء B.
    11. ربط كل صمام ميكرون. يجب أن تكون متصلا واحد إلى الجانب الأيمن من T-قارب والآخر على الجانب الأيسر من الجزء C والمشبك في كل مكان.
    12. تشغيل ترسب اختبار لتحديد حيث يقع منطقة التفاعل.
  2. إيداع V [TCNE] س ~ 2 على ركائز
    1. ضبط درجة الحرارة لفائف التدفئة التفاعل، بحيث يتم تعيين منطقة التفاعل إلى قيمة عند 46 ° C عند قياسها على الجزء السفلي من المفاعل والمنطقة من القارب TCNE بالقرب 75 ° C. ضبط درجة حرارة حمام زيت السيليكون إلى 10 ° C. تسمح درجات الحرارة لتحقيق الاستقرار لمدة 30 دقيقة على الأقل.
    2. حرك هيئة النزاهة سخان الزجاجل حول المفاعل (جزء A، الشكل 1A).
    3. التفاف شريحة زجاجية مع الشريط تترافلوروإيثيلين (PTFE) ختم الموضوع. ترتيب العينات على أعلى الشرائح المشمولة ضمن مسافة اثنين بوصة.
    4. دفع شريحة زجاجية في المفاعل حتى تقع العينات في منطقة تفاعل. يمكن وضع عينات بالتناوب مباشرة على الجزء السفلي من المفاعل، على الرغم من أن منطقة تفاعل يجوز تحول دون شريحة زجاجية.
    5. وضع يا الدائري على الجزء B والانزلاق في الجانب الأيمن من المفاعل. تاريخ قطعتين معا مع المشبك.
    6. إرفاق خط فراغ إلى اتصال السفلي في الجزء ألف وإرفاق مقياس للاتصال العلوي.
    7. وضع 50 ملغ من TCNE إلى القارب TCNE و 5 ملغ من V (CO) 6 إلى T-قارب (هذه الكميات المناسبة لترسب 75-90 دقيقة).
    8. حرك قارب TCNE إلى جزء C قرب نهاية بحيث TCNE سيجلس في سخونة جزء من المفاعل الذي يجب أن يكون حوالي 75 ° C.
      9. > الشحوم توصيل جزء C وأدخلها في الجانب الأيسر من المفاعل.
    9. الشحوم جانبي T-القوارب والانزلاق نحو الطرف الأيمن من الجزء B.
    10. حرك خط تدفق على الجانب الأيمن من T-القوارب والجانبين الأيسر للجزء C والمشبك في المكان. يجب على تجميعها انشاء تشبه الشكل 1A.
    11. رفع حمام الزيت لتغطية الجزء السفلي بأكمله من T-القارب.
    12. فتح خط فراغ للوصول إلى الضغط من 30-35 مم زئبق.
    13. ضبط معدل تدفق إلى 56 SCCM لV (CO) 6 و 84 SCCM لTCNE. يجب أن يبدأ رد الفعل على الفور مع وجود مادة مخضر التكثيف على جدار منطقة التفاعل.
    14. السماح رد فعل على المضي قدما لمدة من الوقت المطلوب. ويستند سمك طبقة رقيقة على وقت رد الفعل والمكان داخل المفاعل، كما هو مبين في الشكل (2).
    15. لوقف رد الفعل، على مقربة خط فراغ وإيقاف سخان وحمام الزيت.
ove_title "> 3. نظفوا

  1. اتخاذ ما عدا النظام في أي أمر.
  2. نقع جميع الأواني الزجاجية إلا لفائف سخان في حل حمام قاعدة 02/01 على الأقل ساعة.
  3. شطف الأواني الزجاجية بالماء وتجفيفها في الفرن.

الشكل 1
الشكل 1. (A) ترسيب الأبخرة الكيميائية المخصصة تجميعها بشكل كامل (الأمراض القلبية الوعائية) النظام. (B) عرض الموسع للمكونات لنظام الأمراض القلبية الوعائية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 2
الشكل 2. (A) وجهة نظر العلوي من ركائز في المفاعل تظهر موقعهم. (B) التقريبيسمك الفيلم وظيفة من موقف داخل أنبوب المفاعل، الجزء ألف من الشكل 1B للافادة من 75 دقيقة. الرجاء النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

الطريقة الأولى والأسهل لتحديد ما إذا كانت ترسب ناجحا هو أن تفعل الفحص البصري للأفلام. يجب أن يظهر الفيلم الأرجواني الداكن مع الانتهاء من المرآة التي هي موحدة في جميع أنحاء ركائز. إذا كان هناك بقع على سطح الركيزة التي لا يوجد فيها V [TCNE] س ~ 2 أو أنها أخف في اللون، ثم وهذا هو الأرجح بسبب وجود المذيبات أو غيرها من الشوائب على سطح الركيزة. بالإضافة إلى ذلك يجب أن يكون الفيلم مبهمة. إلا إذا تم إيداع طبقة رقيقة على مدى فترة زمنية قصيرة لا تتجاوز بضع دقائق، والأفلام شفافة غالبا ما يعني انه قد يكون هناك مشكلة مع معدل تدفق السلائف خلال الترسيب.

من المهم أن نلاحظ أنه بالإضافة إلى ظروف النمو دون المستوى الأمثل، والتعرض في الغلاف الجوي يمكن أن تتحلل الفيلم الذي قد يؤدي في الأفلام التي تبدو أقل مواتاة الصفات. لذا فمن الضروري لمنع التعرض للاكسجين عند نقل وmeasurinز العينات لتحليلها. نقل العينة خارج صندوق قفازات يتطلب تغليف الفيلم مع مواد مثل الايبوكسي 24 أو 25 أو parylene تضم العينة في علب مصممة خصيصا التي تتلاءم مع أداة قياس 4. ويمكن وصف هيكل المحلي وتكوين الفيلم بواسطة الأشعة X إصدار ضوئي الطيفي (XPS) وتحويل فورييه الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (FTIR).

ويمكن قياس الخواص المغناطيسية باستخدام المغنطيسية الحبار. أفلام الأمثل تسفر درجة حرارة كوري استقراء (T C) حول 500-600 K. نظرا لتصوير انهيار فوق RT، يتم استخراج قيمة T C من مغنطة مقابل قياس درجة الحرارة، مثل واحد هو مبين في الشكل 3A. يتم تنفيذ هذا القياس في الكم تصميم الحبار المغنطيسية مع حقل تطبيقها من 100 أوي. وجود انقسام كبير من الميدان الصفر تبريد (ZFC) و (FC) القيم مغنطة تبريد الحقل عند أدنىدرجة الحرارة دليل على عزلة البيئات تدور المحلية وهي وجود أكبر في أقل أفلام الجودة. وT C من الأفلام يمكن استخلاصها من المناسب القيم مغنطة فوق قمة للقانون بلوخ

M الصورة (T) = M الصورة (0) (1 - BT 02/03)،

حيث M S هو مغنطة التشبع وB معلمة المناسب. للبيانات هو مبين في الشكل 3A هذا يصلح غلة T C 600 K.

بالإضافة إلى تميز استجابة المغناطيسية لدرجة الحرارة، ومغنطة بوصفها وظيفة من الحقل التطبيقي كما يمكن قياس الناتج في حلقة التباطؤ مثل واحد هو مبين في الشكل 3B للحصول على أفلام الأمثل التحول من مغنطة حاد، وتحقيق الإشباع 100 عمر الفاروق. يجب أن يكون الأكراه حوالي 20 أوي في 300 K.

Fصدى erromagnetic (نشرة الهجرة القسرية) الدراسات تقنية رئيسية لتحديد نمو فيلم ناجح. وجود، وذروة الضيقة واحدة في قياس نشرة الهجرة القسرية أدلة قوية على وجود نمو المثالي. أفضل الأفلام والعرض الكامل في نصف كحد أقصى (FWHM) linewidth بناء على أمر من 1-2 G. قياس معدلات النمو دون المستوى الأمثل صدى سيؤدي إلى الطيف الذي يظهر ملامح الرنين متعددة في بعض أو كل زوايا الدوران. ويبين الشكل 4 الطيف نشرة الهجرة القسرية من فيلم المثالي في زوايا مختلفة من الموجات الدقيقة التطبيقية والمجالات DC، بالتناوب من في الطائرة (90 درجة) إلى خارج الطائرة (0 درجة) على 300 K مع تردد الموجات الدقيقة التطبيقية 9.85 غيغاهيرتز. يتم تطبيع العينات لحساب التباين في حجم وكثافة بسبب الظروف تجويف.

ويمكن وصف الخواص الكهربائية للأفلام من خلال قياسات النقل. أبسط هندسة القياس هو قياس يومين مسبار لقياس التيار بوصفها وظيفة من المجلد المئوية لدرجات حرارة مختلفة. ويبين الشكل 5A فيلم المودعة على الزجاج مع 30 نيوتن متر من القاعدة و40 نانومتر من أعلى اتصالات الاتحاد الافريقي التي تم إنشاؤها عن طريق التبخر الحراري. يتم الاتصال الكهربائية من خلال الصحافة الإنديوم إلى عفريت محكمة الغلق مخصص لتصميم الكم الخصائص الفيزيائية نظام القياس (PPMS). تتم الجهد الحالي (IV) القياسات باستخدام شنيعة 2400 sourcemeter. هذه القياسات تكشف خصائص أومية IV في جميع درجات الحرارة مع المقاومة التي تزداد مع انخفاض درجة الحرارة كما هو مبين في الشكل 5B. يمكن للبيانات المقاومة تعتمد درجة الحرارة يكون لائقا لمعادلة أرينيوس

R = R 0 ه -E أ / ك B T،

لاستخراج طاقة التنشيط، E و~ 0.50 فولت. وتمثل هذه القيمة طاقة فجوة في البنية الإلكترونية لهذه المواد شبه الموصلة 12.

: المحافظة على together.within صفحة = "دائما"> الشكل (3)
تبريد الشكل 3. (A) حقل (الدوائر المفتوحة) وتبريده الحقل صفر (الدوائر شغل) مغنطة مقابل درجات الحرارة مع الحقل المغناطيسي التطبيقية من 100 أوي. خط أسود خالص هو نوبة تستخدم لاستخراج T C 600 K. (B) المغنطة مقابل ميدانية مقاسة في 300 K. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 4
الرقم 4. درجة حرارة الغرفة نشرة الهجرة القسرية أطياف بوصفها وظيفة من زاوية من في الطائرة (90 درجة) إلى خارج الطائرة (0 درجة). الرجاء انقر هنا لعرض أكبر فرسأيون من هذا الرقم.

الرقم 5
الرقم 5. (A) رسم تخطيطي للهيكل نموذج لعينة النقل. (B) قيم المقاومة المستخرجة من قياسات الجهد الحالي هو مبين في أقحم لدرجات حرارة من 150 إلى 300 K K. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 لديها أكبر تأثير على معدل التسامي من السلائف TCNE 26. درجة الحرارة يمكن تعديل كل من قيمة تعيين على وحدة تحكم في درجة الحرارة وأيضا من خلال ادخال تعديلات على المباعدة بين الأسلاك على ملف التسخين وعلى هذا النحو سوف تحتاج إلى معايرة لكل نظام. يتم تنفيذ المعايرة عن طريق قياس درجة الحرارة داخل المفاعل قبل تجميع النظام بشكل كامل لترسب. من المهم أن تضع القارب TCNE في أهم منطقة المفاعل عند درجة حرارة قريبة من 75 درجة مئوية.

المعلمة أهم التالية هي تدفق الغاز الناقل. معدل تدفق الغاز الناقللTCNE ينبغي أن يكون أعلى من V (CO) 6. معدلات التدفق الموصى بها هي 56 SCCM لV (CO) 6 و 84 SCCM لTCNE، وأنه من المهم لرصد هذه معدلات التدفق خلال ترسب لضمان الاستقرار (تردد أخذ العينات من ما يقرب من 10 دقيقة غير كافية عادة).

إذا كان الضغط أعلى من 35 ملم زئبقي في رد فعل على الأرجح لن يحدث. إذا كان الضغط مرتفع ولم يبدأ رد الفعل (لا يوجد V [TCNE] س ~ 2 الظهور) من المحتمل هناك تسرب في النظام. تسرب كبير يعني أن النظام لا يضخ إلى أسفل في كل شيء، ولكن إذا كان هناك تسرب صغير النظام قد تصل إلى 40-50 مم زئبق. المقام الأول للتحقق من وجود تسرب هو في كافة الاتصالات الأواني الزجاجية. الأكثر شيوعا، والشحوم فراغ على خطوط تدفق يمكن أن تتسخ ويحتاج إلى أن تمحى نظيفة واستبدالها. بالإضافة إلى التسريبات، يمكن أن يكون سبب مشاكل ضغط من الأواني الزجاجية نجس أو وجود الملوثات التي outgas داخل الغرفة. من اجل هذاالسبب من المهم أن تنظر بعناية في أي مادة وضعت داخل دائرة رد الفعل.

بالإضافة إلى الاستفادة المثلى من المعلمات رد فعل، والمعالجة السطحية للركائز أمر بالغ الأهمية للنمو فيلم جيد. V [TCNE] س ~ 2 يمكن إيداعها على مجموعة واسعة من ركائز، ولكن يجب أن يكون السطح نظيفة وخالية من المذيبات المتبقية. يمكن حتى السطوح الركيزة لمس مع ملاقط تلوث لهم. أيضا، والعينات التي تم تجهيزها قد تتطلب خطوات تنظيف إضافية. على سبيل المثال، على أن تودع V [TCNE] س ~ 2 على مقاومة للضوء، يجب أن يكون قد خبز مقاومة للضوء لفترة طويلة بما فيه الكفاية لإزالة أي أثر للالمذيبات. بالإضافة إلى ذلك، لترسب V [TCNE] س ~ 2 على سطح معالجتها كيميائيا، مثل أحادي الطبقة الذاتي تجميعها قد تتطلب المواد الكيميائية الصف أشباه الموصلات لتجهيز.

أفلام نابعة من الأمراض القلبية الوعائية من V [TCNE] س ~ 2 مثالية لINCORPخطبة في هياكل الجهاز. ولكن هناك معالجة المحدود الذي يمكن القيام به لV [TCNE] س ~ 2 الأفلام لأنها حساسة للمذيبات والماء، والهواء، وارتفاع درجات الحرارة. V [TCNE] س ~ 2 الافلام يمكن الظل ملثمين لالحراري، الحزم الإلكترونية، أو تفل ترسب المواد العضوية أو المعادن الأخرى. تقنيات التغليف المختلفة يمكن استخدامها لنقل العينات مع V [TCNE] س ~ 2 إلى أدوات القياس، بل هو التحدي للعمل مع هذه المواد. ومع ذلك، هذه الصعوبة هي أيضا مشتركة للأجهزة العضوية الأخرى، مثل ضوء الثنائيات العضوية (شاشات OLED)، لذلك هناك مجموعة كبيرة من العمل على تقنيات لتغليف 27-29.

ما وراء القدرة على النمو أفلام V [TCNE] س ~ 2 للعديد من التطبيقات المختلفة، وهذه الطريقة من ترسيب الأبخرة الكيميائية هو مناسب لtunability الكيميائية واستكشاف أنواع أخرى من الأفلام رقيقة العضوية، مثل V [MeTCEC]30. وتوفر هذه التقنية القدرة على خلق فيلم المغناطيس العضوية رقيقة في سمك تتراوح بين بضعة عشرات نانومتر إلى عدة ميكرومتر لتطبيقات من الأجهزة والإلكترونيات الدورانية إلى تطبيقات الميكروويف وخارجها.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgments

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

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Yoo, J. W., et al. Spin injection/detection using an organic-based magnetic semiconductor. Nat. Mater. 9, 638-642 (2010).
  2. Li, B., et al. Room-temperature organic-based spin polarizer. Appl. Phys. Lett. 99, 153503 (2011).
  3. 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).
  4. Fang, L., et al. Electrical Spin Injection from an Organic-Based Ferrimagnet in a Hybrid Organic-Inorganic Heterostructure. Phys. Rev. Lett. 106, 156602 (2011).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Pokhodnya, K. I., Epstein, A. J., Miller, J. S. Thin-film V TCNE (x) magnets. Adv. Mater. 12, 410-413 (2000).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Haskel, D., et al. Local structural order in the disordered vanadium tetracyanoethylene room-temperature molecule-based magnet. Phys. Rev. B. 70, 054422 (2004).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Caro, D., et al. CVD-grown thin films of molecule-based magnets. Chem. Mat. 12, 587-589 (2000).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Shima Edelstein, R., Yoo, J. -W., Raju, N. P., Bergeson, J. D., Pokhodnya, K. I., Miller, J. S., Epstein, A. J. Materials Research Society. Tessler, N., Arias, A. C., Burgi, L., Emerson, J. A. , (2005).
  27. Katz, H. E. Recent advances in semiconductor performance and printing processes for organic transistor-based electronics). Chem. Mat. 16, 4748-4756 (2004).
  28. 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).
  29. Lungenschmied, C., et al. Flexible, long-lived, large-area, organic solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 91, 379-384 (2007).
  30. Lu, Y., et al. Thin-Film Deposition of an Organic Magnet Based on Vanadium Methyl Tricyanoethylenecarboxylate. Adv. Mater. 26, 7632-7636 (2014).

Tags

الكيمياء، العدد 101، المغناطيس أساس عضوي، رقيقة، درجة حرارة الغرفة، والإلكترونيات الدورانية، المغناطيسية، وترسيب الأبخرة الكيميائية
ترسيب الأبخرة الكيميائية لمغناطيس العضوي، والفاناديوم تيتراسيانويثيلين
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Harberts, M., Lu, Y., Yu, H.,… More

Harberts, M., Lu, Y., Yu, H., Epstein, A. J., Johnston-Halperin, E. Chemical Vapor Deposition of an Organic Magnet, Vanadium Tetracyanoethylene. J. Vis. Exp. (101), e52891, doi:10.3791/52891 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter