Chemical Vapor Deposition eines Organic Magnet, Vanadium Tetracyanethylen

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

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.

Protokoll

1. Synthese und Herstellung von Vorstufen

1. Herstellung von [Et _{& sub4;} N] [V (CO) _6] ²³
   1. 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.
   2. 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.
   3. Die Lösung wird auf 0 ° C.
   4. 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.
   5. 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.
   6. Aus dem Stickstoff und dem Rühren für 15 Stunden. Langsam auf RT indem Flasche im Eiskübel ermöglicht das Eis zu schmelzen O / N.
   7. 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.
   8. Man rührt die Lösung unter einer Kohlenmonoxid-Atmosphäre bei 0 ° C für 15 h und dann langsam auf RT erwärmen.
   9. 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.
   10. Filtern Sie die resultierendegelbe Aufschlämmung in eine Lösung von 20,8 g Tetraethylammoniumbromid zusammensetzt (Et ₄ NBr) in 200 ml H ₂ O.
   11. Waschen des Filterkuchens mit O ₂ freies Wasser, bis sie farblos ist.
   12. Filtern der resultierenden Aufschlämmung aus [Et _{& sub4;} N] [V (CO) _6] wird durch Vakuumfiltration und trockene unter Vakuum.
   13. Shop [Et ₄ N] [V (CO) _6] in einem Handschuhfach Gefrierschrank für die zukünftige Verwendung.
2. Herstellung von V (CO) ₆ ²³
   1. 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.
   2. In einer Argon Glovebox mischen 100 mg [Et _{& sub4;} N] [V (CO) _6] mit 1 g Phosphorsäure in einem Rundkolben mit einem magnetischen Rührstab.
   3. Schließen Sie den Rundkolben zu einem Dreihalsrundkolben, über Glas Zwei-Wege-Anschluss Badewannee in der Argon-Glovebox.
   4. Entfernen Sie den verschlossenen Kolben-System aus dem Handschuhfach und in chemischen Abzugshaube eingestellt.
   5. 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.
   6. 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.
   7. 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.
   8. Drehen Sie den Reaktionskolben wie nötig, um alle Reaktanten zu mischen.
   9. Die Reaktion kann sich fortsetzen, bis der verbleibende Rückstand in Rundkolben ist weiß-grau und nicht mehr sprudeln.
   10. Gießen Kupferpellets in eine kalte sichere Behälter und kühlen mit Flüssigstickstoff.
   11. 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.
   12. Wischen Sie Öl und Kondenswasser aus dem Kolben-System vor der Übertragung in einer Argon-Handschuhfach.
   13. 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.
   14. Shop V (CO) ₆ in einer Flasche unter einer Argonatmosphäre und hält unterhalb RT.
3. Reinigung von TCNE durch Sublimation
   1. Bestellen Sie im Handel erhältlich Tetracyanoethylen (TCNE) und an einem chemischen Kühlschrank.
   2. Mischen Sie ~ 5 g TCNE mit ~ 0,5 g Aktivkohle und mahlen mit einem Mörser und Stößel.
   3. Zeigen TCNE / Kohle-Mischung in einen Glasboot oder wickeln in heikle Aufgabe Tüchern und in der Unterseite des setzeneinen Kolben, der mit einer Vakuumleitung.
   4. Platzieren eines kalten Finger in die Oberseite der Form und Abdichtung der beiden Teile mit einer Klammer.
   5. 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.
   6. Öffnen Sie die Unterdruckleitung, um einen Druck von 10 ^-4 Torr erreichen und schließen Sie die Unterdruckleitung.
   7. 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.
   8. Entfernen des Methanols aus dem Kühlfinger mit einer Mikropipette.
   9. Wischen Sie Öl und Kondenswasser aus dem Kolben-System vor der Übertragung in einer Argon-Handschuhfach.
   10. 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.
   11. Stoerneut gereinigt TCNE im Kühlschrank unter RT unter einer inerten Atmosphäre.

2. bis Deposition-System innerhalb einer Argon Glovebox Set

1. Montieren Sie den Reaktor innerhalb einer Argon-Handschuhfach, wie in 1A gezeigt.
   1. Einrichten einer Verbindung zu einer Vakuumpumpe.
   2. Einrichten der Gasstrom-Verbindungen durch den Anschluss eines 3-Wege-Hahn zwischen einem Durchflussmesser und zwei Leitungen zu den Ventilen Mikrometer.
   3. Schieben Sie die Glas Heizwendel um den Reaktor (Teil A, 1B).
   4. Wickeln Sie ein Glasobjektträger mit Polytetrafluorethylen (PTFE) Gewindedichtband.
   5. Schieben Sie die Glasobjektträger etwa 10 cm von der rechten Seite des Reaktors, Teil A.
   6. Ein O-Ring für Teil B und schieben Sie in die rechte Seite des Reaktors. Begleiten Sie die beiden Stücke zusammen mit einer Klemme.
   7. Befestigen Sie eine Unterdruckleitung an den Anschluss unten auf Teil A und befestigen Sie den Sensor an die Spitze Verbindung.
   8. 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.
   9. Fetten Sie die Verbindung von Teil C und schieben Sie sie in die linke Seite des Reaktors.
   10. Schmieren Sie beide Seiten des T-Boot mit V (CO) ₆ und Schieber gefüllt in das rechte Ende des Teils B.
   11. 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.
   12. Einen Test durch Abscheidung zu bestimmen, wo sich die Reaktionszone befindet.
2. Kaution V [TCNE] _{x ~ 2} auf Substrate
   1. 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.
   2. Schieben Sie die Scheibenheizung coil um den Reaktor (Teil A, 1A).
   3. Wickeln Sie ein Glasobjektträger mit Polytetrafluorethylen (PTFE) Gewindedichtband. Vereinbaren Proben überdachte Rutschbahn innerhalb eines Zwei-Zoll-Raum.
   4. 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.
   5. Ein O-Ring für Teil B und schieben Sie in die rechte Seite des Reaktors. Begleiten Sie die beiden Stücke zusammen mit einer Klemme.
   6. Befestigen Sie eine Unterdruckleitung an den Anschluss unten auf Teil A und befestigen Sie den Sensor an die Spitze Verbindung.
   7. 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).
   8. 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.
   > Fetten Sie die Verbindung von Teil C und schieben Sie sie in die linke Seite des Reaktors.
   9. Schmieren Sie beide Seiten des T-Boot und gleiten in das rechte Ende des Teils B.
   10. 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.
   11. Heben Sie das Ölbad, um die gesamte Unterseite des T-Persenning.
   12. Öffnen Sie die Unterdruckleitung, um einen Druck von 30-35 mmHg zu erreichen.
   13. 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.
   14. 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.
   15. Um die Reaktion, in der Nähe Vakuumleitung zu stoppen und schalten Sie die Heizung und Ölbad.

ove_title "> 3. Clean up

1. Auseinander nehmen das System in beliebiger Reihenfolge.
2. Einweichen alle Glaswaren mit Ausnahme der Heizwendel in einer Basis Badlösung für mindestens 1-2 Stunden.
3. 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.

Ergebnisse

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 opa...

Diskussion

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 Temperaturregle...

Materialien

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