X-ray absorption spectroscopy of molecular-based spin-hybrid systems
Within the framework of this thesis, molecular spin-hybrid systems are studied for
their structural, electronic and magnetic properties. The results are divided into two
chapters with respect to the investigated classes of molecules. In the first part, systems
including (quasi-)planar paramagnetic molecules having a 3d transition metal
ion in the molecules’ center have been investigated. By means of XMCD measurements
it is shown that the magnetic moments of the FePc molecules align on a
ferromagnetic Co film. In direct contact, a ferromagnetic coupling exists at room
temperature. Due to an interlayer of oxygen separating the molecules from the Co
surface, the coupling becomes antiferromagnetic. However, a graphene interlayer on
a Ni(111) single crystal solely reduces the coupling strength, but the parallel spin
alignment of the Co substrate and the Fe ions of the FePc molecules is maintained.
The situation is different in the case of CoOEP molecules. On the same substrate
graphene/Ni(111), the Co ions couple antiferromagnetically via the graphene layer
to the Ni substrate. The magnetic coupling can be shown for the first layer only,
additional layers are decoupled. Due to the two different coupled molecular layers,
the net magnetization of the CoOEP molecules in a multilayer can be switched by
variation of the external magnetic field.
The second molecular class are so-called single molecule magnets of the type LnPc2.
By field-dependent XMCD measurements, a magnetic remanence of the molecules
is proven at submonolayer coverage on HOPG substrate. Furthermore, a magnetic
remanence can be achieved by antiferromagnetic coupling to ferromagnetic films.
On a Ni film with perpendicular anisotropy the coupling is stronger than on the
Co film with parallel anisotropy with respect to the surface. A systematic study of
XMCD measurements and DFT calculations on the three molecules TbPc2, DyPc2
and ErPc2 on a Ni(111) single crstal shows antiferromagnetic coupling between the
Ni substrate and each of the molecules. TbPc2 and DyPc2 feature a perpendicular
anisotropy, while ErPc2 has an easy axis of magnetization in the Pc plane. The
coupling is highly anisotropic and in case of TbPc2 stable up to 120 K. By means
of DFT calculations the communication channels in the Ln ion and the ligands
which are responsible for the magnetic interaction are determined. The antiferromagnetic
character of the coupling is also mediated via a graphene layer between the
substrate and the TbPc2 molecules, but is significantly weaker than for the direct
contact between Ni and TbPc2.
Im Rahmen dieser Arbeit werden molekulare Spin-Hybrid Systeme auf ihre strukturellen,
elektronischen und magnetischen Eigenschaften untersucht. Die Resultate
sind entsprechend der verwendeten Molekülklassen in zwei Kapitel unterteilt. Im
ersten Teil werden Systeme mit (quasi-)planaren paramagnetischen Molekülen mit
einem 3d-Übergangsmetallion im Zentrum des Moleküls untersucht. Mit Hilfe von
XMCD-Messungen wird gezeigt, dass sich die magnetischen Momente von FePc-
Molekülen auf ferromagnetischen Co-Filmen ausrichten. Bei direktem Kontakt existiert
eine ferromagnetische Kopplung bei Raumtemperatur. Durch eine Zwischenlage
Sauerstoff, die die Moleküle von der Co-Oberfläche trennt, wird die Kopplung
zwischen Molekül und Substrat antiferromagnetisch. Hingegen wird die Kopplung
durch eine Graphen-Zwischenlage auf einem Ni(111)-Substrat lediglich geschwächt,
aber die parallele Spinausrichtung von Co-Substrat und Fe-Ionen des FePc-Moleküls
bleibt erhalten. Anders stellt sich die Situation bei CoOEP-Molekülen dar. Auf dem
gleichen Substrat Graphen/Ni(111) koppeln die Co-Ionen antiferromagnetisch durch
die Graphenschicht an das Ni-Substrat. Die magnetische Kopplung kann jedoch
nur für die erste Moleküllage gezeigt werden, weitere Lagen sind entkoppelt. Durch
die zwei verschieden gekoppelten Moleküllagen kann die Netto-Magnetisierung der
CoOEP-Moleküle in der Multilage durch Veränderung des äußeren Magnetfeldes
umgeschaltet werden.
Die zweite Molekülklasse sind sogenannte Einzelmolekülmagneten des Typs LnPc2.
Mit feldabhängigen XMCD-Messungen wird eine magnetische Remanenz der Moleküle
bei Submonolagenbedeckung auf einem HOPG-Substrat nachgewiesen. Desweiteren
kann eine magnetische Remanenz auch durch die antiferromagnetische
Kopplung zu ferromagnetischen Filmen erzielt werden. Auf einem Ni-Film mit senkrechter
Anisotropie ist die Kopplung stärker als auf dem Co-Film mit paralleler
Anisotropie bezüglich der Oberfläche. Eine systematische Studie von XMCD Messungen
und DFT-Rechnungen an den drei Molekülen TbPc2, DyPc2 und ErPc2
auf einem Ni(111)-Einkristall zeigt eine antiferromagnetische Kopplung zwischen
dem Ni-Substrat und jedem der drei Moleküle. TbPc2 und DyPc2 weisen dabei eine
senkrechte Anisotropie auf, wohingegen ErPc2 die leichte magnetische Richtung in
der Pc-Ebene besitzt. Die Kopplung ist stark anisotrop und ist im Falle von TbPc2
stabil bis zu einer Tempe-ratur von 120 K. Mit Hilfe von DFT-Rechnungen werden
die Kommunikationskanäle im Ln-Ion und dem Liganden bestimmt, die für die
magnetische Wechselwirkung wichtig sind. Die antiferromagnetische Kopplung wird
durch Graphen zwischen dem Substrat und den TbPc2 Molekülen übertragen, ist
jedoch deutlich schwächer als bei direktem Kontakt zwischen Ni und TbPc2.
Preview
Cite
Citation style:
Could not load citation form.