[论文解读] 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 49

一句话总结

本研究提出了一种坚固、非接触式的自旋交叉（SCO）/石墨烯混合器件，采用可蒸镀的[Fe(Pyrz)₂]分子沉积于CVD石墨烯上，实现了快速、可电学检测的热致和光致自旋转变。通过一种新型生长工艺，成功分离出难以捉摸的四角 polymorph [Fe(Pyrz)₂]，在PMMA中间层作用下，5分钟内实现约100%的光诱导自旋转变产率，展现出优异的循环稳定性和性能，为分子自旋电子学提供了重要进展。

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.

研究动机与目标

• 开发一种坚固、可加工且可电学检测的自旋交叉（SCO）/二维异质结构，兼容工业电子技术协议。
• 通过使用可蒸镀的[Fe(Pyrz)₂]分子和非接触式结构，克服传统SCO材料在热、光和电应力下脆弱的局限性。
• 在非接触式器件架构中，实现快速高效的光诱导自旋转变（LIESST效应），并具备高产率和电学读出能力。
• 证明该混合器件在反复热循环和光循环下具有长期循环稳定性和耐久性。
• 探究界面层（如PMMA）在提升SCO/石墨烯异质结构中光诱导自旋转变效率方面的作用。

提出的方法

• 在高真空条件下，通过直接蒸镀[Fe(Pyrz)₂]分子至预先制备电极的CVD石墨烯衬底上，制备了水平、四探针器件。
• 开发了一种新型蒸镀工艺，选择性地在石墨烯上生长出此前难以获得的四角相[Fe(Pyrz)₂]，与常见的三斜相明显不同。
• 采用非接触式结构，在石墨烯与[Fe(Pyrz)₂]薄膜之间引入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中间层，以解耦电学与光学耦合。
• 利用PPMS系统中的四探针电输运测量，通过石墨烯电导率的变化作为SCO转变态的读出信号。
• 在低温（2 K）和激光照射（532 nm，35 mW）条件下，通过Fe L2,3边X射线吸收谱（XAS）定量分析高自旋（HS）组分，确认LIESST效应。
• 结合拉曼光谱、AFM和PXRD/SXRD对[Fe(Pyrz)₂]薄膜及其与石墨烯集成后的结构、形貌和晶体性质进行表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用可蒸镀的[Fe(Pyrz)₂]分子，制备出坚固、非接触式的SCO/石墨烯异质结构，实现快速且可电学检测的自旋转变？
• RQ2 与三斜相相比，选择性生长[Fe(Pyrz)₂]的亚稳态四角相是否能提升光诱导自旋转变（LIESST效应）的效率？
• RQ3 在SCO/石墨烯器件中，插入PMMA中间层如何影响光诱导自旋转变产率和电响应？
• RQ4 该混合器件在反复热循环和光循环下，其循环稳定性和耐久性在多大程度上得以保持？
• RQ5 Fe L2,3边XAS能否为这些器件中LIESST效应期间高自旋组分的定量确认提供支持？

主要发现

• 一种新型蒸镀工艺成功实现了在CVD石墨烯上选择性生长出此前被认为不具备SCO活性的难觅四角相[Fe(Pyrz)₂]。
• 在未使用PMMA中间层的情况下，器件表现出快速且高效的光诱导自旋转变（LIESST效应），5分钟内产率约为50%。
• 在石墨烯与[Fe(Pyrz)₂]之间插入PMMA中间层，显著提升了光诱导自旋转变效率，5分钟内实现约100%的产率。
• 该混合器件表现出卓越的鲁棒性，在超过一个月的反复热循环和光循环中保持性能和循环稳定性。
• XAS测量结果证实，在2 K下经532 nm激光照射后，高自旋组分定量增加；通过LS与HS参考谱的线性组合分析，实现了高自旋分数的精确量化。
• 四探针电输运测量揭示了石墨烯电导率具有可逆且高度灵敏的响应，使得在室温附近可靠地电学检测热致和光致自旋转变成为可能。