[論文レビュー] Electrical sensing of the thermal and light induced spin transition in robust contactless spin-crossover/graphene hybrid devices

Miguel Gavara‐Edo, Rosa Córdoba+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2022

Magnetism in coordination complexes参考文献 46被引用数 49

ひとこと要約

本研究では、CVDグラファイト上に昇華可能な[Fe(Pyrz)₂]分子を堆積させた、接触なしの耐久性のあるスピンクロスオーバー（SCO）/グラファイトハイブリッドデバイスを提案する。このデバイスは、迅速で電気的に検出可能な熱的および光誘発スピン遷移を可能にする。新規な成長プロトコルにより、これまで不明瞭とされてきたテトラゴナル多形の[Fe(Pyrz)₂]が分離され、PMMA中間層を介して5分間で約100％の光誘発スピン遷移収率を達成した。これは分子スピントロニクス分野において優れたサイクル性と性能を示している。

ABSTRACT

Hybrid devices based on spin-crossover (SCO)/2D heterostructures grant a highly sensitive platform to detect the spin transition in the molecular SCO component and tune the properties of the 2D material. However, the fragility of the SCO materials upon thermal treatment, light irradiation or contact with surfaces and the methodologies used for their processing have limited their applicability. Here, we report an easily processable and robust SCO/2D hybrid device with outstanding performance based on the sublimable SCO [Fe(Pyrz)2] molecule deposited over CVD-graphene, which is fully compatible with electronics industry protocols. Thus, a novel methodology based on growing an elusive polymorph of [Fe(Pyrz)2] (tetragonal phase) over graphene is developed that allows us to electrically detect a fast and effective light-induced spin transition in the devices (~50% yield in 5 minutes). Such performance can be enhanced even more when a flexible polymeric layer of PMMA is inserted in between the two active components in a contactless configuration, reaching a ~100 % yield in 5 minutes.

研究の動機と目的

• 産業用電子プロトコルと互換性のある、耐久性があり、プロセス可能で、電気的に検出可能なスピンクロスオーバー（SCO）/2Dヘテロ構造の開発。
• 接触なしの構造と昇華可能な[Fe(Pyrz)₂]分子を用いることで、熱的・光的・電気的ストレス下で脆くなるSCO材料の限界を克服する。
• 接触なしのデバイス構造において、高速かつ効率的な光誘発スピン遷移（LIESST効果）を実現し、高い収率と電気的リードアウトを達成する。
• 繰り返し熱的および光学的サイクルにさらされた状態でも、ハイブリッドデバイスの長期的サイクル性と安定性を示す。
• 中間層（例：PMMA）がSCO/グラファイトヘテロ構造における光誘発スピン遷移効率に与える影響を調査する。

提案手法

• 高真空下で、事前に電極が付加されたCVDグラファイト基板上に[Fe(Pyrz)₂]分子を直接昇華させることで、水平型四端子デバイスを形成した。
• [Fe(Pyrz)₂]の未知のテトラゴナル多形をグラファイト上に選択的に成長させるための新規な昇華プロトコルを開発した。これは一般的に知られている triclinic 相とは異なる。
• グラファイトと[Fe(Pyrz)₂]膜との間にポリメチルメタクリレート（PMMA）中間層を設けることで、電気的および光学的結合を分離した接触なしの構造を採用した。
• PPMSシステムを用いた四端子電気的輸送測定により、グラファイトの電導度の変化をSCO遷移状態のリードアウトとして検出した。
• 低温（2 K）およびレーザー照射（532 nm、35 mW）条件下でFe L2,3端でのX線吸収スペクトロスコピー（XAS）を実施し、高スピン（HS）分率を定量し、LIESST効果の確認を行った。
• Raman分光法、AFM、PXRD/SXRDを用いて、[Fe(Pyrz)₂]膜の構造的・形態的・結晶的特性およびグラファイトとの統合状態を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 昇華可能な[Fe(Pyrz)₂]分子を用いた耐久性があり、接触なしのSCO/グラファイトヘテロ構造を、迅速で電気的に検出可能なスピン遷移を可能にするように作製可能か？
• RQ2 不安定なテトラゴナル多形の[Fe(Pyrz)₂]の選択的成長は、三斜晶相と比較して光誘発スピン遷移（LIESST効果）の効率を向上させるか？
• RQ3 PMMA中間層の挿入は、SCO/グラファイトデバイスにおける光誘発スピン遷移収率および電気的応答にどのような影響を与えるか？
• RQ4 ハイブリッドデバイスは、繰り返し熱的および光学的サイクルにさらされても、どの程度のサイクル性と安定性を維持できるか？
• RQ5 Fe L2,3端でのXASは、これらのデバイスにおけるLIESST効果中における高スピン分率の定量的確認を可能にするか？

主な発見

• 新規な昇華プロトコルにより、CVDグラファイト上に、かつてSCO不活性とされていた未知のテトラゴナル多形の[Fe(Pyrz)₂]の選択的成長に成功した。
• PMMA中間層を用いないテトラゴナル相を用いたデバイスは、5分間で約50％の収率で迅速かつ効果的な光誘発スピン遷移（LIESST効果）を示した。
• グラファイトと[Fe(Pyrz)₂]の間にPMMA中間層を挿入することで、光誘発スピン遷移が著しく向上し、5分間で約100％の収率を達成した。
• ハイブリッドデバイスは優れた耐久性を示し、繰り返し熱的および光学的サイクルにさらされても、1か月以上にわたり性能とサイクル性を維持した。
• XAS測定により、2 Kで532 nmレーザー照射時に高スピン分率が定量的に増加していることが確認された。LSおよびHS基準スペクトルの線形結合解析により、正確なHS分率の定量が可能となった。
• 四端子電気的輸送測定により、グラファイトの電導度に可逆的かつ高感度の応答が観察され、室温付近で熱的および光誘発スピン遷移の信頼性のある電気的検出が可能となった。