[논문 리뷰] Engineering on-surface spin crossover: spin-state switching in a self-assembled film of vacuum-sublimable functional molecule

Senthil Kumar Kuppusamy, Michał Studniarek외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Molecular Junctions and Nanostructures참고 문헌 65인용 수 66

한 줄 요약

이 논문은 weakly interacting 표면에서 자가 조립된 vacuum-subli mable Fe(II) 복합체의 얇은 필름에서의 스핀 크로스오버 스위칭을 시연하며, 층상 이중층 유사 배열에 의해 벌크와 10 nm 두께의 필름에서 유사한 스핀 스위칭이 나타난다.

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.

연구 동기 및 목표

• 나노 구조화된 표면 환경에 제한될 때 SCO 복합체의 스핀 크로스오버(SCO) 거동을 조사한다.
• 얇은 SCO 필름에서 분자 간 상호작용을 제어하기 위한 분자 자가 조립 전략을 개발한다.
• 얇은 필름이 벌크와 유사한 SCO 스위칭 특성을 유지하는지 평가한다.
• 분자 스핀트로닉스 응용을 위한 이 접근법의 적합성을 탐구한다.

제안 방법

• 부모 SCO 복합체 [Fe(H2B(pz)2)2(bpy)]를 수정하여 C12 알킬 사슬을 부착해 [Fe(H2B(pz)2)2(C12-bpy)]를 형성하고, 진공 증발 가능하고 양친매성 amphiphile-like Fe(II) 복합체를 얻는다.
• SCO 거동을 비교하기 위해 quartz glass/SiOx 위에 얇은 필름(10 nm)과 벌크 분말 샘플을 제작한다.
• 벌크 및 얇은 필름 상태 모두에서 층상 이중층 유사 배열에 기인하는 스핀 상태 스위칭 및 자가 조립 특성을 특성화한다.
• 인터페이스 억제를 최소화하고 SCO 활성을 보존하기 위해 약하게 상호작용하는 기판(HOPG, CuN)을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자가 조립되고 vacuum-sublimable SCO 복합체가 얇은 필름에서도 벌크와 같은 스핀 크로스오버 거동을 유지할 수 있는가?
• RQ2 자가 조립된 필름에서의 분자 간 상호작용이 표면에서의 SCO 스위칭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 10 nm 두께의 필름에서의 스핀 상태 전이는 벌크 분말과 유사한 lamellar bilayer–like 배열에 의해 좌우되는가?
• RQ4 이 접근법이 분자 스핀트로닉스에서 SCO 기반 기능을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 벌크 분말과 10 nm 필름은 유사한 스핀 상태 전환 특성을 보인다.
• SCO 거동은 두 상태에서 유사한 lamellar bilayer–like 자가 조립 및 분자 상호작용에 의해 매개된다.
• 약하게 상호작용하는 표면에서의 제작은 SCO의 인터페이스 소멸을 완화하는 데 도움이 된다.
• 분자 설계는 고전적인 amphiphile-like 기능을 산출하고 스핀 스위칭을 보존한다.
• 결과는 분자 스핀트로닉스에서 SCO 기반 응용 가능성을 뒷받침한다.