Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Chemistry

Kemisk Vapor Deposition af en organisk Magnet, Vanadium tetracyanoethylen

doi: 10.3791/52891 Published: July 3, 2015

Summary

Vi præsenterer syntesen af det organisk-baserede ferrimagnet vanadium tetracyanoethylen (V [TCNE] x, x ~ 2) via lav deposition temperatur kemisk damp (CVD). Denne optimerede opskrift giver en stigning i Curie temperatur fra 400 K til over 600 K og en dramatisk forbedring i magnetisk resonans egenskaber.

Abstract

Nylige fremskridt inden for organiske materialer har givet enheder såsom organiske lysdioder (OLED), som har fordele, som ikke findes i traditionelle materialer, herunder lave omkostninger og mekanisk fleksibilitet. På samme måde ville det være fordelagtigt at udvide brugen af ​​organiske i højfrekvente elektronik og afledte baserede elektronik. Dette arbejde præsenterer en syntetisk fremgangsmåde til væksten af tynde film af rumtemperaturen organiske ferrimagnet, vanadium tetracyanoethylen (V [TCNE] x, x ~ 2) ved lav temperatur deposition kemisk damp (CVD). Den tynde film dyrkes ved <60 ° C, og kan rumme en lang række materialer, herunder, men ikke begrænset til, silicium, glas, teflon og fleksible substrater. Den konform deposition er befordrende for pre-mønstret og tredimensionale strukturer samt. Derudover kan denne teknik give film med tykkelser i området fra 30 nm til flere mikrometer. Nylige fremskridti optimering af vækst film skaber en film, hvis egenskaber, såsom højere Curie temperatur (600 K), forbedret magnetisk homogenitet, og smalle ferromagnetisk resonans line-bredde (1,5 G) viser lovende for en lang række applikationer i spintronik og mikrobølge elektronik.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Den organiske baserede ferrimagnetiske halvleder vanadium tetracyanoethylen (V [TCNE] x, x ~ 2) udviser stuetemperatur magnetiske bestilling og lover fordelene ved økologiske materialer til magnetoelectronic applikationer, såsom fleksibilitet, lave produktionsomkostninger, og kemisk justerbarhed. Tidligere undersøgelser har påvist funktionalitet i spintronic enheder, herunder hybrid organisk / uorganisk 1,2 og alle-økologiske spin-ventiler 3, og som spin polarisator i en aktiv organisk / uorganisk halvleder heterostruktur 4. Derudover har V [TCNE] x ~ 2 viste lovende for optagelse i høj frekvens elektronik på grund af sin ekstremt smalt ferromagnetisk resonans linewidth 5.

Der er fire forskellige metoder, som er blevet oprettet til at syntetisere V [TCNE] x ~ 06-09 februar. V [TCNE] x ~ 2 blev først syntetiseret som powder i dichlormethan via omsætning af TCNE og V (C6 H6) 6. Disse pulvere udviste den første rumtemperatur magnetiske bestilling observeret i et organisk materiale. Imidlertid pulverform af dette materiale er yderst følsom luft, hvilket begrænser dens anvendelse i tyndfilm-enheder. I 2000 en kemisk dampudfældning (CVD) metode blev etableret for at skabe V [TCNE] x ~ 2 tynde film 7. For nylig fysisk dampudfældning (PVD) 8 og molekylær lag udfældning (MLD) 9 er også blevet anvendt til at fabrikere tynde film. PVD metode kræver et system, ultrahøjt vakuum (UHV), og både PVD og MLD fremgangsmåder kræver meget lange gange for at vokse film tykkere end 100 nm, hvorimod CVD filmene let kan deponeres i tykkelser i området fra 30 nm til flere mikrometer. Ud af de mange forskellige tykkelser til rådighed med CVD-metoden, har omfattende undersøgelser kun givet optimerede film, der konsekvent viser høj qVALITET magnetiske egenskaber, herunder: smal ferromagnetisk resonans (FMR) linjebredde (1,5 g), høj Curie temperatur (600 K), og skarpe magnetisk skifte 5.

Magnetisk bestilling i V [TCNE] x ~ 2 tynde film forløber via en utraditionel rute. SQUID magnetometri målinger viser stærk lokal magnetisk bestilling, men fraværet af røntgen- diffraktionstoppe og uden særlige træk transmissionselektronmikroskopi (TEM) 10 morfologi afslører en mangel på langtrækkende strukturel orden. , Udvidet X-ray absorption fin-struktur (EXAFS) studerer dog 11 viser, at hver vanadium ion er oktaedrisk koordineret med seks forskellige TCNE molekyler, hvilket indikerer en robust lokal strukturel orden med en vanadium-nitrogenbinding længde på 2,084 (5) Å. Magnetisme skyldes en antiferromagnetiske udveksling kobling mellem uparrede spin i TCNE - radikale anioner, som er fordelt over hele TCNE -molekylet, og de ​​spins på V 2 + -ioner, hvilket fører til en lokal ferrimagnetiske bestilling med T C ~ 600 K til optimerede film 5. Ud over at udstille stuetemperatur magnetisk bestilling, V [TCNE] x ~ 2 film halvledende med 0,5 eV båndgab 12. Andre egenskaber af note omfatter mulige sperimagnetism under en indefrysning temperatur på ~ 150 K 13,14, anomal positiv magnetisk resistans 12,15,16 og foto-induceret magnetisme 13,17,18.

CVD fremgangsmåde til syntese af V [TCNE] x ~ 2 tynde film er kompatibel med en række substrater på grund af lav temperatur (<60 ° C) og konform deposition. Tidligere undersøgelser har vist vellykkede aflejring af V [TCNE] x ~ 2 på begge stive og fleksible substrater 7. Endvidere er denne deposition teknik egner sig til tuning gennem ændring af prækursorer og growth parametre. 19-22 Mens protokollen her viste giver de mest optimerede film til dato, er der gjort betydelige fremskridt med at forbedre nogle af de filmegenskaberne siden opdagelsen af denne metode, og yderligere gevinster kan være muligt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Syntese og Udarbejdelse af prækursorer

  1. Fremstilling af [Et 4N] [V (CO) 6] 23
    1. I en nitrogen handskerum, skåret 1,88 g natriummetal i ~ 40 stykker og blandes med 14,84 g anthracen i 320 ml vandfrit tetrahydrofuran (THF) i en 1 liters, tre-halset rundbundet kolbe.
      ADVARSEL: Både natrium metal og tetrahydrofuran er meget brandfarlige.
    2. Opløsningen omrøres i 4,5 timer ved stuetemperatur under en nitrogenatmosfære, indtil en dybblå opløsning af NAC 14 H 10 er dannet.
    3. Opløsningen afkøles til 0 ° C.
    4. I en nitrogen handskerum, forberede en lyserød-rød opløsning af VCL 3 (THF) 3 ved tilsætning af 400 ml vandfri THF i 7,48 g VCL 3 (THF) 3 i en 500 ml rundbundet kolbe, og der omrøres ved stuetemperatur i 1 time.
    5. Fjern den pink-røde løsning VCL 3 (THF) 3 fra handskerummet og afkøles til 0 ° C i 20 min. Overførsel til den forrige Solution fra NAC 14 H 10 via kanyle under nitrogen atmosfære. En homogen dyb lilla opløsning dannes umiddelbart efter tilsætningen er afsluttet.
    6. Fjerne fra nitrogen og omrøres i 15 timer. Langsomt at opvarme til stuetemperatur ved at anbringe kolben i ice bucket tillader isen at smelte O / N.
    7. Opløsningen afkøles igen til 0 ° C, og reaktionskolben med carbonmonoxid udfylde. Løsningen vil ændre sig fra dyb violet til gul-brun i løbet af få minutter.
      ADVARSEL: Kulilte er meget giftigt. Dette trin bør ikke udføres alene og en kulilte alarm skal installeres i laboratoriet.
    8. Opløsningen omrøres under en carbonmonoxidatmosfære ved 0 ° C i 15 timer og derefter langsomt at opvarme til stuetemperatur.
    9. Fjern alle men 200 ml THF under vakuum. Tilsættes 500 ml O 2 frit vand under omrøring af opløsningen. V (CO) 6 let oxideres og tilstedeværelsen af O 2 vil resultere i et lavt udbytte.
    10. Filtrer den resulterendegule opslæmning i en opløsning bestående af 20,8 g tetraethylammoniumbromid (Et 4 NBR) i 200 ml H2O
    11. Vask af filterkagen med O 2 frit vand, indtil den er farveløs.
    12. Filtrer den resulterende opslæmning af [Et 4N] [V (CO) 6] ved vakuumfiltrering og tør under vakuum.
    13. Store [Et 4 N] [V (CO) 6] i en handskekasse fryseren til fremtidig brug.
  2. Fremstilling af V (CO) 6 23
    1. Smør forbindelsespunkter for et vakuum-adapter med stophane, glas to-vejs forbinder rør, og kold-finger. Placer en kold finger i midten hals og et vakuum-adapter med stophane i den tredje åbning.
    2. I et argon handskerum, blandes 100 mg [Et 4 N] [V (CO) 6] med 1 g phosphorsyre i en rundbundet kolbe indeholdende en magnetisk omrøringsstang.
    3. Forbind den rundbundede kolbe til en tre-halset rundbundet kolbe via glas tovejs forbinder badekare i argon handskerummet.
    4. Fjern de forseglede kolbe system fra handskerummet og oprettet i kemisk hætte.
    5. Tilsæt methanol til den kolde finger og omrøres med en spatel-under tilsætning af flydende nitrogen, indtil methanol er frosset. Pump down systemet ved at åbne stophane til en vakuumledning, indtil trykket når 5 x 10 -2 Torr.
    6. Nedsænkes rundbundet kolbe i et oliebad indstillet til 45 ° C og tænde for magnetisk omrøring. Når reaktionen starter, vil phosphorsyren smelte og en sort-blå pulver kondenserer på den kolde finger.
    7. Åbne vakuumledningen når en sort pulver kondenserer på den rundbundede kolbe i stedet for den kolde finger fordi trykket er for højt. Pump systemet tilbage til 5 x 10 -2 Torr før du lukker igen.
    8. Reaktionskolben nødvendigt rotere for at blande alle reaktanterne.
    9. Tillad reaktionen at fortsætte, indtil den tilbageværende remanens i rundbundet kolbe er hvid-grå og ikke længere boblende.
    10. Hæld kobber piller i en kold sikker beholder og afkøles med flydende nitrogen.
    11. Fjernelse af methanolen fra den kolde finger med en mikropipette. Hæld kølet kobber piller i det kolde finger til at holde det koldt om overførsel til handskerummet.
    12. Tør olie og kondensvand fra kolben, inden overførsel til et argon handskerummet.
    13. Inde i handskerummet, fjerne den kolde finger fra kolben system og bruge en spatel til at skrabe det sorte V (CO) 6 pulver på et stykke vejepapir.
    14. Store V (CO) 6 i en flaske under en argonatmosfære og holde under RT.
  3. Oprensning af TCNE ved sublimering
    1. Køb kommercielt tilgængelig tetracyanoethylen (TCNE) og opbevares i et kemisk køleskab.
    2. Bland ~ 5 g TCNE med ~ 0,5 g aktiveret carbon og slibe med en morter og støder.
    3. Placer TCNE / carbon blandingen i et glas båd eller wrap i sarte opgave klude og sættes i bunden afen kolbe med en vakuumledning.
    4. Placer en kold finger ind i toppen af ​​kolben og forsegle de to dele sammen med en klemme.
    5. Tilsæt methanol til den kolde finger og omrøres med en spatel-under tilsætning af flydende nitrogen, indtil methanol er frosset. Placer bunden af ​​kolben indeholdende TCNE i et oliebad opvarmet til 70 ° C.
    6. Åbn vakuum linje for at nå et tryk på 10 -4 Torr og derefter lukke vakuum linje.
    7. Lejlighedsvis åbne vakuumledningen at opretholde trykket. TCNE kondenserer på den kolde finger som sublimering begynder. Når ikke mere TCNE akkumuleres på den kolde finger sublimeringen er færdig.
    8. Fjernelse af methanolen fra den kolde finger med en mikropipette.
    9. Tør olie og kondensvand fra kolben, inden overførsel til et argon handskerummet.
    10. Inde i handskerummet, fjerne den kolde finger fra kolben system og bruge en spatel til at skrabe TCNE pulver på et stykke vejepapir.
    11. Store oprenset TCNE i køleskab under stuetemperatur under inert atmosfære.

2. Opsæt Deposition System inde i en Argon Handskerum

  1. Saml reaktoren inde i en argon handskekassen som vist i figur 1A.
    1. Oprette en forbindelse til en vakuumpumpe.
    2. Oprette gasstrømmen forbindelser ved at forbinde en 3-vejs stophane mellem en flowmåler og to, der er tilsluttet præcisions- ventiler.
    3. Skub glasset varmespiralen omkring reaktoren (del A, figur 1 B).
    4. Wrap et objektglas med polytetrafluorethylen (PTFE) gevindtape.
    5. Skubbe objektglasset ca. 10 cm fra højre side af reaktoren, del A.
    6. Placere en O-ring på Del B og glide ind i højre side af reaktoren. Forene de to stykker sammen med en klemme.
    7. Vedhæft et vakuum linje til bunden forbindelse på del A og fastgør måleren til den øverste tilslutning.
    8. Placer en båd fylded med renset TCNE i del C nær slutningen, så TCNE vil sidde i den varmeste del af reaktoren.
    9. Smør tilslutning af del C og skub det ind i venstre side af reaktoren.
    10. Smør begge sider af T-båd fyldt med V (CO) 6 og glide ind i den højre ende af del B.
    11. Tilslut hver mikrometer ventil. Man skal være forbundet til den højre side af T-båden og den anden til den venstre side af del C og klemme både på plads.
    12. Kør en test deposition at fastslå, hvor reaktionszonen er placeret.
  2. Depositum V [TCNE] x ~ 2 på substrater
    1. Indstil temperaturen af ​​reaktionen varmefladen således at reaktionszonen er indstillet til en værdi nær 46 ° C, målt på bunden af ​​reaktoren og det område, som TCNE båden er nær 75 ° C. Indstil temperaturen af ​​et silicone oliebad til 10 ° C. Tillad temperaturerne til at stabilisere i mindst 30 min.
    2. Skub glasset varmer oplysninger om oprindelseslandel omkring reaktoren (del A, figur 1A).
    3. Wrap et objektglas med polytetrafluorethylen (PTFE) gevindtape. Arrangere prøver oven på overdækket slide inden for en to-tommers plads.
    4. Skub objektglas ind i reaktoren, så prøverne er placeret i reaktionszonen. Skiftevis prøver kan placeres direkte på bunden af ​​reaktoren, selv reaktionszonen kan forskydes uden et objektglas.
    5. Placere en O-ring på Del B og glide ind i højre side af reaktoren. Forene de to stykker sammen med en klemme.
    6. Vedhæft et vakuum linje til bunden forbindelse på del A og fastgør måleren til den øverste tilslutning.
    7. Put 50 mg TCNE i TCNE båden og 5 mg V (CO) 6 ind i T-båd (disse mængder er passende for en 75-90 min deposition).
    8. Skub TCNE båden i del C nær slutningen, så TCNE vil sidde i den varmeste del af reaktoren, som bør være omkring 75 ° C.
    9. > Smør tilslutning af del C og skub det ind i venstre side af reaktoren.
    10. Smør begge sider af T-båden og glide ind i den højre ende af del B.
    11. Skub fremløbet på højre side af T-båden og venstre side af del C og klemme på plads. Den samlede set-up skal ligne figur 1A.
    12. Hæv oliebad til at dække hele bunden af ​​T-båden.
    13. Åbne vakuumledningen at nå et tryk på 30-35 mmHg.
    14. Indstil strømningshastigheden til 56 sccm til V (CO) 6 og til 84 sccm for TCNE. Reaktionen bør begynde straks med en grønlig materiale kondenserer på væggen i reaktionszonen.
    15. Tillad reaktionen forløbe i det ønskede tidsrum. Tykkelsen af den tynde film er baseret på reaktionstiden og placering inden i reaktoren, som vist i figur 2.
    16. At standse reaktionen tæt vakuumledning og slukke for varmelegemet og oliebad.
ove_title "> 3. Ryd op

  1. Tag hinanden i systemet i vilkårlig rækkefølge.
  2. Soak alle glasvarer undtagen varmespiralen i en base bad opløsning i mindst 1-2 timer.
  3. Skyl glasvarer med vand og tør i en ovn.

Figur 1
Figur 1. Systemet (A) Færdigmonteret custom kemisk dampudfældning (CVD). (B) Udvidet visning af komponenterne for CVD-systemet. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. (A) En topbillede af substraterne i reaktoren viser deres placering. (B) Omtrentligfilmtykkelse som funktion af position inde i reaktoren rør, del A fra figur 1B for en aflejring af 75 min. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Den første og letteste metode til at bestemme om en aflejring er vellykket, er at gøre en visuel inspektion af filmene. Filmen skal vises mørk lilla med et spejl finish, der er ens på tværs af substrater. Hvis der er pletter på overfladen af substratet, hvor der ikke er nogen V [TCNE] x ~ 2 eller det er lysere i farven, så er dette sandsynligvis på grund af tilstedeværelsen af opløsningsmidler eller andre urenheder på substratoverfladen. Derudover bør filmen være uigennemsigtig. Medmindre en tynd film blev afsat over en kort periode på kun et par minutter, gennemskinnelige folier ofte betyder at der kan have været et problem med strømningshastigheden af ​​forstadierne under afsætningen.

Det er vigtigt at bemærke, at ud over suboptimale vækstbetingelser, kan atmosfærisk eksponering nedbryde filmen, som kan resultere i film, hvis egenskaber synes at være mindre gunstig; Derfor er det vigtigt at forhindre ilt eksponering ved transport og measuring prøverne til analyse. Transport af prøven uden handskerummet kræver indkapsling af filmen med materialer som epoxy 24 eller parylen 25 eller omslutter prøven i specialdesignede dåser, der passer målingen værktøj 4. Lokal struktur og film sammensætning kan karakteriseres ved røntgen- photoemission spektroskopi (XPS) og Fourier transformation infrarød spektroskopi (FTIR).

Kan måles magnetiske egenskaber bruge en SQUID magnetometer. Optimerede film opnåelse af en ekstrapoleret Curie temperatur (T C) omkring 500-600 K. Due til film opdeling ovenfor RT, er værdien af T C ekstraheret fra en magnetisering versus temperaturmåling, såsom den vist i figur 3A. Denne måling udføres i et Quantum Design SQUID magnetometer med et påført felt på 100 ørsted. Tilstedeværelsen af ​​en stor opdeling af nul-felt afkølet (ZFC) og felt-afkølet (FC) magnetiseringsmålinger værdier ved lavtemperatur er tegn på isolation af lokale spin-miljøer og er en større tilstedeværelse i lavere kvalitet film. T C af filmene kan ekstraheres ved at montere magnetiseringen værdier over toppen til Bloch lovgivningen

M s (T) = M s (0) (1 - BT 3/2),

hvor M S er mætningen magnetisering og B er en passende parameter. For dataene vist i figur 3A denne pasform giver en T C på 600 K.

Ud over at karakterisere den magnetiske respons på temperatur kan også måles, magnetiseringen som funktion af påførte felt resulterer i en hysteresesløjfe som vist i figur 3B. For optimerede film omskiftningen af magnetiseringen er skarp, opnå mætning med 100 oe. Koercivitet bør være omkring 20 Oe ved 300 K.

Ferromagnetic resonans (FMR) undersøgelser er en vigtig teknik til at identificere succesfulde film vækst. Tilstedeværelsen af ​​en enkelt, smal spids i FMR målingen er stærke beviser for en ideel vækst. De bedste film har fuld bredde ved halvt maksimum (FWHM) linewidth af størrelsesordenen 1-2 G. Målinger af resonans sub-optimal vækst vil resultere i et spektrum, der viser flere resonans funktioner på nogle eller alle drejningsvinkler. Figur 4 viser FMR spektrum af en ideel film i forskellige vinkler af den påførte mikrobølge og DC felter, roterende fra i planet (90 °) til ud-af-planet (0 °) ved 300 K med en anvendt mikrobølgefrekvens af 9,85 GHz. Prøverne normaliseret til at redegøre for variation i størrelsen af ​​intensiteten på grund af hulrum betingelser.

Elektriske egenskaber af filmene kan karakteriseres ved transport målinger. Den enkleste måling geometri er en to-sonde måling for at måle strøm som en funktion af volTage for forskellige temperaturer. Figur 5A viser en film deponeret på glas med 30 nm af Al og 40 nm af Au top kontakter skabt af termisk fordampning. Elektrisk kontakt sker via indium tryk til en brugerdefineret lufttæt puck for en Quantum Design fysiske egenskaber målesystem (PPMS). Aktuel spænding (IV) Målingerne udføres ved hjælp af en Keithley 2400 sourcemeter. Disse målinger afslører Ohmsk IV egenskaber ved alle temperaturer med resistens, der stiger med faldende temperatur, som vist i figur 5B. Afhængige resistens data Temperaturen kan være egnet til en Arrhenius ligning

R = R 0 e -E a / Kb T,

at udtrække en aktiveringsenergi, Ea ~ 0,50 eV. Denne værdi repræsenterer båndmellemrumenergi i den elektroniske struktur for denne halvledende materiale 12.


Figur 3. (A) Felt afkølet (åbne cirkler) og nul felt afkølet (udfyldte cirkler) magnetisering mod temperatur med et påført magnetfelt på 100 ørsted. Solid sort linje er en fit anvendes til at udtrække T C på 600 K. (B) Magnetizing versus felt målt ved 300 K. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Rumtemperatur FMR spektre som en funktion af vinkel fra in-plane (90 °) til out-of-plane (0 °). Klik her for at se et større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. (A) Skematisk af prøve struktur for transport prøve. (B) Resistance værdier udvundet fra de nuværende spænding målinger vist i indsatte for temperaturer fra 150 K til 300 K. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

De vigtigste parametre for V [TCNE] x ~ 2 deposition omfatter temperatur, bæregas flow, tryk og forholdet mellem forstadier. Fordi kemisk dampudfældning set-up er ikke kommercielt tilgængelig disse parametre skal være optimeret til hvert system. En tidligere undersøgelse af Shima et al. Viste, at temperaturen har den største indvirkning på sublimering satsen for TCNE precursor 26. Temperaturen kan ændres både med værdien indstillet på temperaturen controlleren og også ved at foretage justeringer til wiren afstand på varmefladen, og som sådan vil være nødvendigt at kalibrere for hvert system. Temperatur kalibrering udføres ved måling i reaktoren før fuldt samling systemet for deposition. Det er vigtigt at placere TCNE båd i den varmeste zone af reaktoren ved en temperatur nær 75 ° C.

Det næste vigtigste parameter er bæregasstrøm. Luftfartsselskabet gasstrømmenfor TCNE bør være højere end for V (CO) 6. De anbefalede strømningshastigheder er 56 sccm for V (CO) 6 og til 84 sccm for TCNE, og det er vigtigt at overvåge disse strømningshastigheder under afsætningen for at sikre stabilitet (en samplingfrekvens på cirka 10 minutter er typisk tilstrækkelig).

Hvis trykket er over 35 mmHg vil reaktionen sandsynligvis ikke forekomme. Hvis trykket er højt, og reaktionen ikke er startet (der er ingen V [TCNE] x ~ 2 vises) er der sandsynligvis en lækage i systemet. En stor lækage betyder, at systemet vil ikke pumpe ned på alle, men hvis der er en lille læk systemet kan nå 40-50 mmHg. Det første sted at tjekke for lækager er på alle de glasvarer forbindelser. Mest almindeligt, kan vakuummet fedt på flowlinierne få beskidte og skal tørres rene og udskiftes. Foruden lækager, kan pres problemer være forårsaget af urent glasudstyr eller tilstedeværelsen af ​​forurenende stoffer, der afgasse inden i kammeret. For detDerfor er det vigtigt nøje at overveje ethvert materiale placeret i reaktionskammeret.

Ud over at optimere reaktionsparametrene, overfladebehandling af substrater er kritisk for god film vækst. V [TCNE] x ~ 2 kan deponeres på en lang række materialer, men overfladen skal være ren og fri for tilbageværende opløsningsmidler. Selv rørende substratoverflader med pincet kan forurene dem. Ligeledes kan prøver, der er behandlet kræve yderligere rensetrin. For eksempel for at deponere V [TCNE] x ~ 2 på fotoresist, fotoresisten skal have været bagt længe nok til at fjerne ethvert spor af opløsningsmidler. Derudover, for aflejring af V [TCNE] x ~ 2 på en kemisk behandlet overflade, såsom en selv-samlet monolag kan kræve halvleder kemikalier til forarbejdning.

CVD-dyrket film af V [TCNE] x ~ 2 er ideelle til IncorpTale i enheden strukturer; men der er begrænset behandling, der kan gøres til V [TCNE] x ~ 2 film, fordi de er følsomme over for opløsningsmidler, vand, luft og høje temperaturer. V [TCNE] x ~ 2 film kan skygge maskeres til termisk, e-beam, eller sputter aflejring af andre organiske eller metaller. Forskellige indkapslingsteknikker kan bruges til at transportere prøverne med V [TCNE] x ~ 2 til måleværktøjer, men er en udfordring for at arbejde med dette materiale. Men denne vanskelighed er også almindeligt for andre organiske enheder, såsom organiske lysdioder (OLED), så der er en betydelig mængde arbejde på teknikker til indkapsling 27-29.

Ud over evnen til at vokse film af V [TCNE] x ~ 2 til mange forskellige applikationer, denne fremgangsmåde til kemisk dampaflejring er egnet til kemisk justerbarhed og udforskning af andre typer af organiske tynde film, såsom V [MeTCEC]30. Denne teknik giver mulighed for at skabe en tynd film organisk magnet i en tykkelse der spænder fra et par snese nanometer til flere mikrometer for ansøgninger fra spintronik enheder til mikroovn applikationer og videre.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af NSF Grant No. DMR-1207243, NSF MRSEC programmet (DMR-0.820.414), DOE Grant No. DE-FG02-03ER46054 og OSU-Instituttet for Materialeforskning. Forfatterne anerkender NanoSystems Laboratory ved Ohio State University, og teknisk bistand fra CY Kao og 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

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).
Kemisk Vapor Deposition af en organisk Magnet, Vanadium tetracyanoethylen
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).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