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Titel: Building a 300mK-17T-UHV scanning tunnelling microscopy system and spin-resolved investigation of individual bis(phthalocyaninato)terbium single-molecule magnets
Sonstige Titel: Aufbau einer 300mK-17T-UHV Rastertunnelmikroskopanlage und spinaufgelöste Untersuchung von einzelnen bis(phthalocyaninato)terbium Einzelmolekülmagneten
Sprache: Englisch
Autor*in: Schwöbel, Jörg
Schlagwörter: spinpolarisierte Rastertunnelmikroskopie; chiral; TbPc2; spin-polarized scanning tunneling microscopy; chiral; TbPc2
GND-Schlagwörter: Rastertunnelmikroskop; Rastertunnelmikroskopie; Spektroskopie; Tieftemperatur; Molekül; Molekularer Nanomagnet; Phthalocyanin; Oberfläche
Erscheinungsdatum: 2018
Tag der mündlichen Prüfung: 2018-02-12
Zusammenfassung: 
Diese Arbeit präsentiert eine Untersuchung des Einzelmolekülmagneten Bis-(phthalocyaninato)terbium mit spinaufgelöster Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie, eine Untersuchung des Schaltens von chiralen zu achiralen Konformationen ebendieses Moleküls, sowie den Aufbau einer Rastertunnelmikroskopanlage für die Untersuchung von Molekülen bei tiefen Temperaturen und in hohen Magnetfeldern.
Einzelmolekülmagnete sind einzelne Moleküle, die eine (wenn auch kurzzeitig und bei tiefen Temperaturen) stabile Magnetisierung aufweisen. Ein vielversprechender Vertreter ist Bis(phthalocyaninato)terbium (TbPc2), ein Doppeldeckermolekül, in dem zwei parallele Phthalocyaninliganden ein zentrales Terbiumion umschließen. Neben dem zentralen Terbiumion (J = 6) stellt der Spin eines über beide Liganden delokalisierten ungepaarten Elektrons ein zweites Spinsystem dar. Beide, ihre Wechselwirkung, der Zugriff auf diese Systeme und ihre Interaktion mit der Umgebung sind Gegenstand intensiver Forschung. TbPc2 kann einerseits als kleiner und stabiler Vertreter der Klasse von Einzelmolekülmagneten gesehen werden, andererseits als ein Modellsystem für paramagnetische Einzelatome, die mithilfe eines molekularen Ligandenfelds zu Superparamagneten werden.
In der vorliegenden Arbeit wurden einzelne TbPc2-Moleküle auf einem unmagnetischen und, zur magnetischen Kopplung, einem ferromagnetischen Substrat präpariert. Adsorption, Konformation und elektronische Struktur wurden mittels konventioneller spinmittelnder Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie mit intramolekularer Ortsauflösung untersucht. Die spinaufgelöste elektronische Struktur wurde mittels spinpolarisierter Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie untersucht.
Die adsorbierten Moleküle wurden als intakte TbPc2 Doppeldecker identifiziert, und ihr Adsorptionsplatz bestimmt. Eine Spinaufspaltung des niedrigsten unbesetzten Orbitals wurde beobachtet und quantifiziert, dabei beide Spinkanäle energetisch und örtlich aufgelöst, und die räumliche Verteilung des spinaufgespaltenen Orbitals dargestellt. Aus dieser Beobachtung kann auf den Ladungszustand des Moleküls geschlossen werden: Es ist negativ geladen durch einen Ladungstransfer vom Substrat. Dies bedeutet insbesondere, dass der Ligandenspin, eines der Spinsysteme des Moleküls, verschwindet. Die Spinaufspaltung des Orbitals zeigt, dass dennoch eine magnetische Kopplung der Liganden des Moleküls zum ferromagnetischen Substrat besteht. Diese lässt sich auf eine direkte Kopplung der Phthalocyaninliganden zum Substrat zurückführen; eine Beteiligung des Terbiumzentrums des Moleküls ist hierzu nicht notwendig. Eine Spinpolarisation, die eindeutig dem Terbiumzentrum zuzuordnen wäre, wurde nicht beobachtet.
Die Konformationen des auf dem unmagnetischen Substrat adsorbierten TbPc2 konnten mit der Spitze des Rastertunnelmikroskops geschaltet werden. Damit konnte insbesondere ihre Chiralität an- und ausgeschaltet und die Händigkeit der Chiralität geändert werden.
Für weitere Fortschritte in der Erforschung des molekularen Magnetismus wurde eine neue Rastertunnelmikroskopanlage für die Untersuchung von Molekülen bei tieferen Temperaturen (T = 380 mK) und in höheren Magnetfeldern (B = 17 T) aufgebaut.

This work presents an investigation of bis(phthalocyaninato)terbium single-molecule magnets by spin-polarised scanning tunnelling microscopy and spectroscopy, as well as the construction of a scanning tunnelling microscopy system for the investigation of molecules at low temperature and in high magnetic field.
Single-molecule magnets are single molecules exhibiting a stable magnetisation, albeit short-lived and only at low temperature. A promising one is bis(phthalocyaninato)terbium (TbPc2), a double-decker molecule consisting of two parallel phthalocyanine ligands sandwiching a central terbium ion. Additional to the magnetic moment of the central terbium ion (J = 6), an electron (S = 1/2) delocalised over both ligands forms a second spin system. Both magnetic moments, their interaction, the access to these magnetic systems, and their interaction with the environment are subject of intense research. TbPc2 can be perceived as a comparably small and stable single-molecule magnet, or as a model system for paramagnetic single ions which become superparamagnetic in a molecular ligand field.
In the present work, individual TbPc2 molecules were deposited on a non-magnetic support, and a ferromagnetic support for magnetic coupling. Adsorption, conformation and electronic structure have been investigated by conventional spin-averaging scanning tunnelling microscopy and spectroscopy with sub-molecular spatial resolution. The spin-resolved electronic structure has been investigated by spin-polarised scanning tunnelling microscopy and spectroscopy.
The adsorbed molecules have been identified to be intact TbPc2 double-deckers. Their adsorption site has been determined. A spin splitting of the lowest unoccupied molecular orbital has been observed and quantified, resolving both spin channels with energy resolution and spatial resolution, and imaging the spatial distribution of the spin-split orbital. The observation of a spin splitting on this orbital reveals the charge state of the molecule. It is negatively charged due to charge transfer from the substrate. Notably, this implies that the ligand spin, one of the spin systems of this molecule, is quenched. Still, the observation of a spin splitting of the orbital indicates that there is a magnetic coupling of the molecular ligands to the ferromagnetic support. This is caused by direct coupling of the substrate and the phthalocyanine ligands; an influence of the central terbium ion is not necessary to explain the observation. A spin polarisation stemming uniquely from the terbium centre has not been observed.
TbPc2 adsorbed on the non-magnetic substrate has been found to exhibit a chiral and an achiral conformation. These conformations have been switched into each other by manipulation with the scanning tunnelling microscope tip. By switching, their chirality is turned on and off; the handedness can be changed by repeated switching.
For further progress in the investigation of molecular magnetism, a new scanning tunnelling microscopy system for the investigation of individual molecules at lower temperature (T = 380mK) and higher magnetic field (B = 17 T), was constructed.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/7599
URN: urn:nbn:de:gbv:18-90358
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Wiesendanger, Roland (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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