Tailoring molecular magnetism

Esat, Taner; Wegewijs, Maarten Rolf; Tautz, Frank Stefan; Morgenstern, Markus

doi:HT019316083

Tailoring molecular magnetism = Gestaltung von molekularem Magnetismus

Esat, Taner

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Taner Esat

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (viii, 163 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Tautz, Frank Stefan (Thesis advisor)^RWTH* ; Wegewijs, Maarten Rolf (Thesis advisor) ; Morgenstern, Markus (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-04-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-04086
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/688891/files/688891.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/688891/files/688891.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
spin (frei) ; delocalized spin (frei) ; Kondo effect (frei) ; quantum phase transition (frei) ; quantum critical point (frei) ; chemical interaction (frei) ; metal-molecule complex (frei) ; magnetic molecules (frei) ; surface (frei) ; Co islands (frei) ; organic molecules (frei) ; STM (frei) ; SP-STM (frei) ; PTCDA (frei) ; NTCDA (frei) ; TPT (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Magnetismus von Molekülen ist im Fokus aktueller Forschung, da er zu neuen spin-basierten elektronischen Geräten führen könnte. In diesem Zusammenhang bilden Moleküle, die auf Metalloberflächen adsorbiert sind und ein magnetisches Moment besitzen, ein wichtiges Modellsystem, welches hilft die fundamentalen Eigenschaften des molekularen Magnetismus zu verstehen – insbesondere die Wechselwirkung mit der Umgebung oder anderen Molekülen, die ein magnetisches Moment besitzen. In typischen molekularen Magneten befindet sich der Spin in d oder f Orbitalen von Metallionen, welche von organischen Liganden abgeschirmt werden. Dadurch können diese molekularen Magnete nur schwach durch die Umgebung beeinflusst oder manipuliert werden. Eine Kopplung zu anderen molekularen Magneten ist ebenfalls kaum möglich. In dieser Doktorarbeit wird das Problem bezüglich der Kopplung von molekularen Magneten und deren Manipulierbarkeit dadurch gelöst, dass organische Moleküle mit einem ungepaarten Spin, der sich in einem ausgedehnten Orbital befindet, verwendet werden, d.h. Moleküle mit einem delokalisierten Spin. Der Vorteil von solchen delokalisierten Spins liegt in deren Tendenz leichter mit der Umgebung oder anderen magnetischen Molekülen wechselzuwirken. Mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie und –spektroskopie sind die magnetischen Eigenschaften von organischen Molekülen mit wohl definierten Ladungs- und Spin-Freiheitsgraden auf Metalloberflächen untersucht worden. Der Kondo-Effekt diente dabei als Sonde für die magnetischen Eigenschaften der Moleküle mit einem delokalisierten Spin. Es wurde zum Beispiel demonstriert, dass Moleküle mit delokalisierten Spins durch Adsorption von einzelnen Metallatomen auf einer molekularen Schicht oder durch Ladungstransfer von der Metalloberfläche hergestellt werden können. Außerdem wurde gezeigt, dass die magnetischen Eigenschaften der Moleküle direkt an das Orbital, in welchem der Spin residiert, gekoppelt sind und deswegen nicht mehr separat betrachtet werden können. Konsequenterweise führt das zu neuen Möglichkeiten, um spin-basierte Systeme zu gestalten. Das Schlüsselergebnis dieser Arbeit ist, dass die nicht-magnetische, chemische Wechselwirkung aufgrund des Überlapps der Wellenfunktionen zwischen zwei Molekülen, die magnetischen Eigenschaften des Systems diktieren kann. Dies ist beispielhaft an zwei Metall-Molekülkomplexen, in denen sich der Spin in einem ausgedehnten Orbital befindet, gezeigt. Interessanterweise führt in diesem Beispiel ein Wettstreit zwischen dem Kondo Effekt und der chemischen Wechselwirkung zu einem Quantenphasenübergang in dem System. Lediglich kleine Änderungen des Überlapps der Wellenfunktionen reichen aus um das System von einem „underscreened“ Kondo-Triplett zu einem Singulett Grundzustand zu treiben. Die beiden Grundzustände des Systems sind dabei durch einen quantenkritischen Punkt voneinander getrennt.Weiterhin wurden wohl-geordnete Strukturen aus Molekülen mit delokalisierten Spins unter dem Aspekt von kollektiven Spin-Phänomenen untersucht. Auch die spin-abhängige Hybridisierung von organischen Molekülen auf ferromagnetischen Oberflächen wurde mit Hilfe der spin-polarisierten Rastertunnelmikroskopie und –spektroskopie studiert.

Magnetism of molecules is in the focus of intense research, because it could lead to new spin-based electronic devices. In this context, molecules adsorbed on a metal surface and carrying magnetic moments constitute an important model system which helps to understand the fundamental properties of molecular magnetism – in particular the interaction with the environment and other molecules carrying magnetic moments. In common molecular magnets the spin usually resides in d or f orbital of a metal ion which is shielded by organic ligands. Hence, common molecular magnets can only be influenced or tuned weakly by the environment or barely coupled to other molecular magnets.In this thesis the problem regarding the coupling of molecular magnets and tuning their magnetic properties is overcome by using organic molecules which carry an unpaired spin in an extended orbital, i.e. a delocalized spin. The advantage of such delocalized spins lies in their propensity to interact more easily with the environment or other magnetic molecules. By means of scanning tunneling microscopy and spectroscopy the magnetic properties of organic molecules with well-defined charge and spin degrees of freedom adsorbed on metal surfaces are investigated. In particular, the Kondo effect is used in order to probe the magnetic properties of the molecules with the delocalized spins. It is demonstrated that molecules with delocalized spins can be tailored by adsorption of single metal atoms onto molecules, which are embedded into a molecular layer, or by charge transfer from a metal surface due to hybridization. Furthermore, it is shown that the magnetic properties of the molecules with the delocalized spins are directly coupled to the spin carrying orbital and cannot be considered separately. Consequently, this leads to new possibilities for tailoring spin-based system.The key finding is that the non-magnetic, chemical interaction due to wave function overlap between two molecules can become the decisive effect in defining the magnetic properties. This is demonstrated exemplary for two metal-molecule complexes, where the spin-carrying orbital is extended in space. Interestingly, in this scenario a competition between kinetic energy gain due to the Kondo effect and binding energy gain because of the chemical interaction is the driving force of a quantum phase transition (QPT) in the system. Only tiny changes in the wave function overlap are enough to drive the system through a quantum critical point (QCP) from an underscreened triplet to a singlet ground state. Moreover, well-ordered structures consisting of molecules with delocalized spins have been investigated under the aspect of collective phenomena and also the spin-dependent hybridization of organic molecules on ferromagnetic surfaces has been studied by means of spin-polarized scanning tunneling microscopy.

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