Ab initio investigations of π-conjugated-molecule-metal interfaces for molecular electronics and spintronics

Callsen, Martin; Lüchow, Arne; Blügel, Stefan

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-004575

Ab initio investigations of π-conjugated-molecule-metal interfaces for molecular electronics and spintronics = Ab initio Untersuchungen π-konjugierter-Molekül-Metall Schnittstellen für Molekularelektronik und Molekularspintronik

Callsen, Martin

2015

VerantwortlichkeitsangabeMartin Callsen

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich 2015

UmfangVIII, 155 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Schlüsseltechnologien ; 92

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Prüfungsjahr: 2014. - Publikationsjahr: 2015

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Blügel, Stefan (Thesis advisor) ; Lüchow, Arne (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-05-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-004575
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/461820/files/461820.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/461820/files/461820.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Der stete Wunsch nach Miniaturisierung stellt die konventionelle Elektronik vor eine enorme Herausforderung. Elektronische Bauelemente nach der "bottom up" Strategie zu entwerfen, ist eine viel versprechende Alternative zur weiteren Verkleinerung der bereits etablierten, Silizium basierten Technologie. Als derzeit kleinste vorstellbare Elemente elektronischer Bauteile sind auf Oberflächen adsorbierte Atome und Moleküle im Fokus aktueller Forschung auf dem Gebiet der Molekularelektronik. Weitere Vorteile gegenüber konventioneller Elektronik, wie z.B. ein geringerer Energieverbrauch, verspricht das schnell wachsende Feld der Molekularspintronik, in dem der Ladungsstrom durch einen Spinstrom ersetzt wird. Um neue Bauteile zu entwickeln, ist sowohl für die Molekularelektronik als auch für die Molekularspintronik eine realistische theoretische Modellierung unverzichtbar. Wenn es um die mikroskopische Beschreibung von Grenzflächen zwischen Molekülen und Oberflächen geht, ist Dichtefunktionaltheorie die Methode der Wahl. Für eine realistische Simulation der betrachteten Systeme muss eine angemessene Näherung für das Austausch-Korrelations-Funktional gemacht werden. Gerade bei schwach gebundenen, auf Oberflächen adsorbierten organischen Molekülen, für welche die van der Waals Wechselwirkungen der dominierende Beitrag zur Bindung sind, gelangen verbreitete Näherungen für das Austausch-Korrelations-Funktional an ihre Grenzen. Eine Lösung für dieses Problem zu finden, ist Gegenstand aktueller Forschung.In dieser Arbeit untersuchen wir die Adsorption π konjugierter Moleküle auf Metall-Oberflächen. Thiophen chemisorbiert schwach auf der Cu(111) Oberfläche, während Cyclooctatetraen auf der Au(111) Oberfläche physisorbiert und auf den (100) Oberflächen von Au, Ag und Cu chemisorbiert. Für all diese Bereiche der Bindungsstärke testen wir neuartige semi-empirische und ab initio Formulierungen der bis dato unzureichenden Beschreibung von van der Waals Wechselwirkungen in Dichtefunktionaltheorie. Basierend auf den dabei gewonnenen Erkenntnissen über die Schnittstelle zwischen organischen Molekülen und Metall-Oberflächen bei verschiedenen Bindungsstärken, schlagen wir zwei viel versprechende magnetische Systeme für Anwendungen in der Molekularspintronik vor. Die elektronische Struktur von Cyclooctatetraen adsorbiert auf Übergangsmetall-Adatomen auf der Au(111) Oberfläche zeigt scharfe, Austausch aufgespaltene, Molekülorbital ähnliche Merkmale, welche die Charakteristiken eines Spinfilters erfüllen. Paracyclophan adsorbiert auf der ferromagnetischen Fe/W(110) und der antiferromagnetischen Fe/W(100) Oberfläche ist neben seiner Eigenschaft als Spinfilter ein Beispiel für die Modifikation magnetischer Eigenschaften von Oberflächen durch die Adsorption organischer Moleküle. Insbesondere wird die magnetische Austauschwechselwirkung unter den direkt mit dem Molekül wechselwirkenden Fe Atomen verstärkt, was zu einer Erhöhung des Koerzivitätsfeldes und der Curie-Temperatur führt.

The demand for continuous miniaturization of electronic devices poses an enormous challenge to conventional electronics. Instead of further miniaturizing the already established silicon based technology beyond the nanoscale, designing electronic devices by the bottom-up strategy is a promising alternative. As the currently smallest imaginable parts for electronic devices, single atoms or molecules adsorbed on a substrate are the subject of research in the field of molecular electronics. In addition molecular spintronics is a quickly rising field, which promises advantages over electronics like a lower power consumption. In spintronics the charge current is replaced by a spin current. Both molecular electronics and molecular spintronics require a proper theoretical description to design new materials and to propose candidates for future devices. Density functional theory is the method of choice to efficiently describe the molecule surface interfaces under consideration. For a realistic description of the system a suitable approximation for the exchange correlation functional has to be made. In particular for weakly bound organic molecules adsorbed on surfaces common approximations to the exchange correlation functional fail tocorrectly account for van der Waals interactions, which are in this case the dominant contribution to the binding. To find a correction for this deficiency is still subject of current research. In this thesis we investigate molecule surface systems of small π conjugated molecules adsorbed on metal surfaces. For thiophene on Cu(111) we find weak chemisorption as binding mechanism while cyclooctatetraene is physisorbed on Au(111) and chemisorbed on the metal (100) surfaces of Au, Ag and Cu. In all these regimes of binding strength we asses semi-empirical and ab initio approaches to correct for vdW interactions in DFT. Based on the insights gained about the organic metal interfaces for different molecule surface interaction strengths, we propose two promising magnetic systems for molecular spintronics applications. Cyclooctatetraene adsorbed on magnetic transition metal adatoms on Au(111) shows sharp spin split molecular orbital like features, which are characteristic for a spin filter. Paracyclophane adsorbed on the ferromagnetic Fe/W(110) surface and the antiferromagnetic Fe/W(100) surface in addition to the spin filter characteristics is an example for the modification of the magnetic properties of a surface by the adsorption of organic molecules. In particular the exchange coupling strength between the Fe atoms directly interacting with the molecule is increased, which leads to higher coercivity fields and Curie temperatures of the sample.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(zusätzliche Dateien)