[논문 리뷰] Supporting Information for Role of the magnetic anisotropy in atomic-spin sensing of 1D molecular chains

Christian Wäckerlin, Aleš Cahlík외 12명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Magnetism in coordination complexes참고 문헌 77인용 수 30

한 줄 요약

이 연구는 X선 자기회절성분이질현상(XMCD), NiCp2 기능화된 STM 단자와 함께 사용되는 비탄성 전자 턨널링 분광법(IETS), 그리고 고급 DFT+U 및 다중준거계산을 결합하여 Au(111) 상면에 존재하는 1차원 Co 및 Cr 기반 금속유기 체인의 자화이성도, 스핀 상태 및 스핀 결합을 규명한다. 주요 발견은 자화이성도가 스핀 자극 탐지에 강력한 영향을 미치며, 이는 IETS가 자화 중심을 탐측하고 있음에도 불구하고 교환분열을 나타내지 않는 이유를 설명한다.

ABSTRACT

Parameters for the multiplet calculations and M(H) data, constrained random phase approximation calculations, DFT+U calculations, hybrid DFT calculations at the PBE0 level with different amount of Fock exchange, additional STM spectroscopy data and fit of the Kondo resonance, experimental height measurements and induced electron density at chain 3.4 Å above the Au(111) surface, and parameters of simulations of IETS in the Hubbard model.

연구 동기 및 목표

• Au(111) 상면에 존재하는 1차원 Co 및 Cr 기반 금속유기 협동 체인의 자화이성도 및 스핀 상태(고스핀 대비 저스핀)를 규명하는 것.
• NiCp2-IETS가 자화 중심을 탐측하고 있음에도 불구하고 교환분열을 탐지하지 못하는 이유를 이해하는 것.
• 저차원 시스템에서 화학 조성과 전자 구조가 자성 성질에 미치는 영향을 연관시키는 것.
• XMCD, IETS 및 백터 기반 시뮬레이션을 융합한 다중 기술 프레임워크를 구축하여 원자 척도의 자성 특성 분석을 가능하게 하는 것.
• 1차원 분자 나노자기체에서 자화이성도 에너지, 스핀 크기 및 방향성 간의 정량적 연관성을 제공하는 것.

제안 방법

• 다중준거 분석을 통한 X선 자기회절성분이질현상(XMCD)을 활용하여 3d 전자 구조 및 자화모멘트를 추출하였다.
• NiCp2 기능화된 STM 단자를 사용한 비탄성 전자 터널링 분광법(IETS)을 통해 局부 스핀 자극을 탐측하였다.
• 전자 및 자성 성질을 모델링하기 위해 GGA+U 및 하이브리드 상관 에너지 함수(40% Fock 교환을 포함한 PBE0)를 사용한 DFT 계산을 수행하였다.
• IETS 스펙트럼 및 스핀 자극 에너지를 시뮬레이션하기 위해 위치별 3d 파arameter(ε, Fk, ζ, Bkq)를 갖는 Hubbard 모델 시뮬레이션을 실시하였다.
• dI/dV 스펙트럼에서 Kondo 온도를 추출하기 위해 Fano 및 Frota 선형형태 피팅을 적용하였다.
• 실험적 IETS 스펙트럼과 다중위치 스핀 해밀토니안 모델을 사용한 시뮬레이션된 d2I/dV2 간의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CoQDI 및 CrQDI 체인에서 자화이성도 에너지와 자화의 용이한 축은 무엇인가?
• RQ2 Co 및 Cr 중심은 고스핀 상태인지 저스핀 상태인지이며, 이는 그들의 자성 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 NiCp2-IETS가 자화 중심을 탐측하고 있음에도 불구하고 교환분열을 해석하지 못하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 리간드 필드 효과 및 스핀-오르빗 결합은 관측된 스핀 자극 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 XMCD와 IETS를 DFT와 융합할 경우, 1차원 분자 체인에서 자성 구조에 대해 일관된 그림을 제공할 수 있는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• CoQDI는 저스핀(LS) 상태를 보이며, LS와 HS 상태 간의 계산된 에너지 차이는 +22.97 meV로, 안정한 저스핀 기저 상태를 나타낸다.
• 저스핀 상태의 Co(II)에서 교환결합 상수 J는 −1.50 meV(AFM)로, 반자성 결합을 나타낸다.
• CrQDI는 고스핀(S = 2) 상태이며, J = −6.66 meV(AFM)로, 저스핀 해는 존재하지 않아 강한 스핀 곤경을 나타낸다.
• 자화이성도 에너지가 뚜렷하게 크며, 자화의 용이한 축이 체인의 길이 방향으로 정렬되어 있어 IETS에서 교환분열이 나타나지 않는 이유를 설명한다.
• Fano 및 Frota 피팅을 통한 Kondo 온도 추정치는 약 34–35.7 K로, Cr 위치에서 강한 Kondo 걸러내기가 일어나고 있음을 나타낸다.
• IETS 시뮬레이션 결과, 4 meV 피크는 NiCp2 단자에서의 스핀 플립을, 37 meV 피크는 Co 위치에서의 스핀 플립을, 41 meV 피크는 양쪽 위치에서의 동시 스핀 플립을 각각 나타낸다.