[論文レビュー] Engineering on-surface spin crossover: spin-state switching in a self-assembled film of vacuum-sublimable functional molecule

Senthil Kumar Kuppusamy, Michał Studniarek+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Molecular Junctions and Nanostructures参考文献 65被引用数 66

ひとこと要約

この論文は、弱く相互作用する表面上の真空昇華可能なFe(II)複合体の自己組織化薄膜におけるスピンクロスオーバー切替を実証し、バルクと10 nm薄膜で層状二重層様の組織による局所的なスピン切替が同程度であることを示す。

ABSTRACT

Realization of spin crossover (SCO) based applications requires studying of spin state switching characteristics of SCO complex molecules at nanostructured environments especially on-surface. Except for a very few cases, the SCO of a surface bound thin molecular film is either quenched or heavily altered due to (i) strong molecule-surface interactions and (ii) differing intermolecular interactions in films relative to the bulk. By fabricating SCO complexes on a weakly interacting surface such as highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) and copper nitride (CuN), the interfacial quenching problem has been tackled. However, engineering intermolecular interactions in thin SCO active films is rather difficult. This work proposes a molecular self-assembly strategy to fabricate thin spin switchable surface bound films with programmable intermolecular interactions. Molecular engineering of the parent complex system [Fe(H$_{2}$B(pz)$_{2}$)$_{2}$(bpy)] (pz = pyrazole, bpy = 2,2'-bipyridine) with a dodecyl (C$_{12}$) alkyl chain yielded a classical amphiphile-like functional and vacuum sublimable charge neutral Fe$^{\ m II}$ complex, [Fe(H$_{2}$B(pz)$_{2}$)$_{2}$(C$_{12}$-bpy)] (C$_{12}$-bpy = dodecyl[2,2'-bipyridine]-5-carboxylate). The bulk powder and 10 nm thin film, on quartz glass/SiO$_{\ m x}$ surface, of the complex showed comparable spin state switching characteristics mediated by similar lamellar bilayer like self-assembly/molecular interactions in both bulk and thin film states. This unprecedented observation augurs well for the development of SCO based applications, especially in molecular spintronics.

研究の動機と目的

• ナノ構造化された表面環境に制限されたSCO複合体のスピンクロスオーバー（SCO）挙动を調査する。
• 薄層SCO膜における分子間相互作用を制御する分子自己組織化戦略を開発する。
• 薄膜がバルク様のSCO切替特性を保持するか評価する。
• 分子スピントロニクス応用への適用可能性を検討する。

提案手法

• 元のSCO複合体[Fe(H2B(pz)2)2(bpy)]にC12アルキル鎖を付加して[Fe(H2B(pz)2)2(C12-bpy)]を形成し、真空昇華可能で両親媒性アナログのFe(II)複合体を得る。
• クォーツガラス/SiOx上で薄膜（10 nm）とバルク粉末サンプルを作製し、SCO挙動を比較する。
• バルクおよび薄膜状態の両方で、層状二重層様配置に起因するスピン状態切替と自己組織化特性を特性評価する。
• 相互作用の弱い基板（HOPG, CuN）を用い、界面のクエンチを最小化してSCO活性を保持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己組織化され真空昇華可能なSCO複合体は、薄膜でもバルク様のスピンクロスオーバー挙動を保持できるか。
• RQ2 自己組織化膜における分子間相互作用は、表面でのSCO切替にどのように影響するか。
• RQ3 10 nm薄膜におけるスピン状態切替は、層状二重層様組織に支配され、バルク粉末に類似しているか。
• RQ4 このアプローチは分子スピントロニクスにおけるSCOベースの機能を実現できるか。

主な発見

• バルク粉末と10 nm薄膜は、同等のスピン状態切替特性を示す。
• SCO挙動は、両状態で同様の層状二重層様自己組織化と分子間相互作用によって媒介される。
• 弱く相互作用する表面上での作製は、界面のSCOクエンチを緩和するのに役立つ。
• 分子設計は古典的な両親媒性様機能を生み出し、スピン切替を保持する。
• 結果は分子スピントロニクスにおけるSCOベースの応用可能性を裏付ける。