Scanning tunneling microscopy of single-molecule magnets and hybrid-molecular magnets: Two approaches to molecular spintronics

Die molekulare Spintronik vereint die Vorteile der Spintronik und der molekularen Elektronik in einem neuen Forschungsgebiet mit dem Ziel sowohl der Verbesserung bestehender als auch der Entwicklung neuartiger elektronischer Bauteile. Die Entwicklung und Untersuchung der Eigenschaften von molekularen Magneten und deren schlussendliche Verwendung in Bauteilen ist ein Hauptziel der molekularen Spintronik. Zwei verschiedene Arten von molekularen Magneten sind dafur aussichtsreiche Kandidaten: Einzelmolekulmagnete und molekulare Hybridmagnete. Beide stellen ideale Bausteine fur Spintronikbauteile dar. Die Herstellung von Spintronikbauteilen erfordert die Abscheidung von molekularen Magneten auf Oberflachen. Da die Wechselwirkung zwischen Oberflachen und Molekulen jedoch hochkomplex ist, ist ein grundlegendes Verstandnis dieser Phanomene unumganglich fur die erfolgreiche Verwendung von molekularen Magneten. Um das Verstandnis der Molekul-Oberflachen-Wechselwirkung zu verbessern, wurden beide Ansatze zu molekularen Magneten in dieser Dissertation untersucht. Da Oberflachen sehr anfallig fur Verschmutzung sind, wurden diese Experimente im Ultrahochvakuum durchgefuhrt. Um bessere Einblicke in solche Systeme und deren Adsorptionseigenschaften zu erlangen, wurden ihre strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften auf einer mikroskopischen Langenskala mit Rastertunnelmikroskopie (RTM) und -spektroskopie (RTS) untersucht. Die Wechselwirkung zwischen Einzelmolekulmagneten und Oberflachen wurde exemplarisch an der Abscheidung von Ni4 auf Au(111) untersucht. Ni4 ist ein kurzlich synthetisierter Einzelmolekulmagnet mit einem kubanen Ni4Cl4 Kern, welcher fur die magnetischen Eigenschaften verantwortlich ist. Der magnetische Kern wird von organischen Liganden mit einer Thioether-Funktionalisierung stabilisiert. Da Thioether-Funktionalisierungen in fruheren Experimenten weitestgehend vernachlassigt wurden, wurde die Abscheidung von Ni4 aus Losung auf Au(111) und die daraus resultierenden Adsorptionseigenschaften mit RTM und Rontgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. Beide Methoden finden deutliche Indizien fur eine Loslosung der Liganden vom magnetischen Kern wahrend der Adsorption. Der magnetische Kern bleibt dabei jedoch moglicherweise strukturell intakt. Versuche, die losgelosten Liganden durch in-situ Anlassen zu desorbieren und den magnetischen Kern mit RTM abzubilden, waren nicht erfolgreich. Stattdessen fuhrt das Anlassen zum Zerfall des magnetischen Kerns und zu sehr wahrscheinlich Schwefel induzierten Rekonstruktionen der Au(111) Oberflache. Als ein Ergebnis dieser Untersuchung konnten neue Strategien vorgeschlagen werden, welche die Loslosung von Liganden in zukunftigen Experimenten verhindern. In einem alternativen Ansatz wird die Wechselwirkung zwischen Molekulen und Oberflachen fur die Entstehung von molekularen Hybridmagneten ausgenutzt. In diesem Ansatz konnen vergleichsweise stabile nichtmagnetische Molekule verwendet werden. Die Wechselwirkung fuhrt dann zu einem magnetischen Molekul-Oberflachen-Hybrid oder "molekularen Hybridmagneten". Fur das in diesem Fall benotigte magnetische Substrat wurde das gut verstandene Fe/W(110)-System ausgewahlt und mit spinpolarisierter RTM (SP-RTM) charakterisiert. Die Herstellung von geeigneten magnetischen Spitzen fur SP-RTM ist aufgrund der schlechten Vorhersehbarkeit und Reproduzierbarkeit nicht trivial. Die Charakterisierung von SP-RTM Spitzen zeigte, dass Cr-bedampfte Spitzen die fur nachfolgende Experimente benotigte Magnetisierungsrichtung aufweisen. Weiterhin wurde eine Spinpolarisation von bis zu 12,4% fur das Gesamtsystem Spitze-Probe nachgewiesen. Triphenyl-Triazin (TPT) wurde exemplarisch fur eine Studie zu molekularen Hybridmagneten ausgewahlt. TPT besteht aus verschiedenen aromatischen Ringen, was im Zusammenhang mit der Entstehung von molekularen Hybridmagneten noch nicht untersucht wurde. Der erste Schritt in dieser Untersuchung ist die Bestimmung der Adsorptionsposition und -geometrie mithilfe von RTM. Ein Vergleich mit Dichtefunktionaltheorie (DFT) Simulationen, erstellt von Kollegen aus dem PGI-1, bestatigte, dass die experimentell gefundene Adsorptionsgeometrie die hochste Adsorptionsenergie besitzt. Die elektronischen Eigenschaften von TPT auf Fe/W(110) wurden mit RTS untersucht und zeigen stark verbreiterte Zustande, was auf eine Chemisorption hindeutet. Anschliesend wurde die spinabhangige Hybridisierung mittels SP-RTM untersucht. Dabei wird in Ubereinstimmung mitDFT-Rechnungen eine stark orts- und energieabhangige Spinpolarisation des molekularen Hybridmagneten aufgedeckt. Die Resultate dieser Studie eroffnen neue Moglichkeiten zur Optimierung der Eigenschaften von organisch-ferromagnetischen Grenzschichten durch die Realisierung variierender Adsorptionsgeometrien.