[논문 리뷰] Electrical sensing of the thermal and light induced spin transition in robust contactless spin-crossover/graphene hybrid devices

Miguel Gavara‐Edo, Rosa Córdoba외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 01.

Magnetism in coordination complexes참고 문헌 46인용 수 49

한 줄 요약

이 연구는 고체 증착된 [Fe(Pyrz)₂] 분자를 CVD 그래핀에 도포하여 접촉이 없는 스핀 코어퍼전스(Spin-Crossover, SCO)/그래핀 하이브리드 장치를 개발하였으며, 이는 빠르고 전기적으로 감지 가능한 열 및 빛 유도 스핀 전이를 가능하게 한다. 새로운 성장 공정을 통해 기존에 알려지지 않은 테트라고널 다형체 [Fe(Pyrz)₂]를 분리하여, PMMA 인터레이어를 통해 5분 내로 약 100%의 광유도 스핀 전이 수율을 달성하였으며, 분자 스핀트로닉스 분야에서 뛰어난 사이클러빌리티와 성능을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 산업용 전자기기 프로토콜과 호환되는 내구성 있고 가공 가능한, 전기적으로 감지 가능한 스핀 코어퍼전스(Spin-Crossover, SCO)/2D 이종구조를 개발한다.
• 고체 증착 가능한 [Fe(Pyrz)₂] 분자와 접촉이 없는 구성 방식을 통해 열, 빛, 전기적 스트레스에 노출될 경우 취약한 SCO 재료의 한계를 극복한다.
• 접촉이 없는 장치 구조에서 빠르고 효율적인 빛 유도 스핀 전이(LIESST 효과)를 달성하고, 높은 수율과 전기적 판독 기능을 확보한다.
• 반복적인 열 및 광주기 조건에서 하이브리드 장치의 장기적인 사이클러빌리티와 안정성을 입증한다.
• PMMA와 같은 인터페이스 층이 SCO/그래핀 이종구조에서 광유도 스핀 전이 효율에 미치는 영향을 탐색한다.

제안 방법

• 고진공 조건에서 사전 접촉 처리된 CVD 그래핀 기판 위에 [Fe(Pyrz)₂] 분자를 직접 고체 증착하여 수평형 4점 측정 장치를 제작하였다.
• 기존에 알려진 삼단계 다형체와는 다름없이, [Fe(Pyrz)₂]의 희귀한 테트라고널 다형체를 선택적으로 성장시킬 수 있는 새로운 고체 증착 공정을 개발하였다.
• 그래핀과 [Fe(Pyrz)₂] 필름 사이에 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA) 인터레이어를 삽입하여 전기적 및 광학적 결합을 분리한 접촉이 없는 구성 방식을 적용하였다.
• PPMS 시스템 내에서 4점 전기 전도도 측정을 수행하여 그래핀의 전도도 변화를 스핀 코어퍼전스 전이 상태의 판독 수 Mittel로 사용하였다.
• 냉각 조건(2 K)과 레이저 조명(532 nm, 35 mW) 하에서 철의 Fe L2,3 에지에서 X선 흡수 스펙트로스코피(XAS)를 수행하여 고스핀(HS) 상의 비율을 정량화하고 LIESST 효과를 확인하였다.
• Raman 스펙트로스코피, AFM, PXRD/SXRD를 활용하여 [Fe(Pyrz)₂] 필름의 구조적, 표면형상적, 결정성 특성과 그래핀과의 통합 상태를 특성화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고체 증착 가능한 [Fe(Pyrz)₂] 분자를 사용하여 내구성 있고 접촉이 없는 SCO/그래핀 이종구조를 제작할 수 있으며, 이는 빠르고 전기적으로 감지 가능한 스핀 전이를 가능하게 하는가?
• RQ2 불안정한 테트라고널 다형체 [Fe(Pyrz)₂]의 선택적 성장이 삼단계 다형체에 비해 빛 유도 스핀 전이(LIESST 효과)의 효율을 향상시키는가?
• RQ3 PMMA 인터레이어의 삽입은 SCO/그래핀 장치에서 광유도 스핀 전이 수율과 전기적 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이러한 하이브리드 장치는 반복적인 열 및 광주기 조건에서 얼마나 오랫동안 사이클러빌리티와 안정성을 유지하는가?
• RQ5 Fe L2,3 에지에서의 XAS 측정은 이러한 장치에서 LIESST 효과 기간 동안 고스핀 상 비율을 정량적으로 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 새로운 고체 증착 공정을 통해 기존에 SCO 비활성으로 간주되었던 CVD 그래핀 상에서 희귀한 테트라고널 다형체 [Fe(Pyrz)₂]의 선택적 성장에 성공하였다.
• 테트라고널 다형체를 사용할 경우 PMMA 인터레이어 없이도 5분 내 약 50%의 수율로 빠르고 효과적인 빛 유도 스핀 전이(LIESST 효과)를 나타내었다.
• 그래핀과 [Fe(Pyrz)₂] 사이에 PMMA 인터레이어를 삽입함으로써 광유도 스핀 전이 효율이 크게 향상되어 5분 내로 약 100%의 수율을 달성하였다.
• 하이브리드 장치는 반복적인 열 및 광주기 조건에서 한 달 이상 성능과 사이클러빌리티를 유지하는 뛰어난 내구성을 보였다.
• XAS 측정 결과, 2 K에서 532 nm 레이저 조명 조건에서 고스핀 상 비율이 정량적으로 증가했으며, 저스틴(Least-Squares) 분석을 통해 저스핀(LS) 및 고스핀(HS) 기준 스펙트럼의 선형 조합을 통해 정확한 HS 비율 정량화가 가능했다.
• 4점 전기 전도도 측정을 통해 그래핀의 전도도 변화가 열 및 광유도 스핀 전이에 대해 가역적이고 매우 민감하게 반응함을 확인하였으며, 실온 근처에서 이들의 전기적 감지가 신뢰성 있게 가능하다는 것을 입증하였다.