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Electronic, magnetic and structural properties of 1D metal-acetylacetonate chains inside single-wall carbon nanotubes
Oleg Domanov
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)
Betreuer*in
Thomas Pichler
Mitbetreuer*in
Hidetsugu Shiozawa
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-24579.86487.283769-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNTs) sind insbesondere für ihre außergewöhnliche elektronische Struktur bekannt, da sie abhängig von der Gitterstruktur metallisch oder halbleitend sein können. Durch ihre mechanische und chemische Stabilität sowie die Vielfalt an Möglichkeiten, ihre Eigenschaften zu verändern, sind SWCNTs sehr vielversprechende Systeme für die Entwicklung von Materialien mit neuartigen elektronischen, mechanischen und magnetischen Eigenschaften. Dies führte bereits zur Entwicklung von CNT-basierten Nanoelektronik-Prototypen.
Metall-organische Einzelmolekülmagnete (SMM) sind auf Grund ihrer einzigartigen magnetischen und strukturellen Eigenschaften ebenfalls von großem Interesse, vor allem für die Herstellung von neuartigen auf Nano-Magnet basierenden Materialien für die nächste Generation an Datenträger mit hohen Datendichten. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Effekte von reduzierten Dimensionen und intramolekularen Wechselwirkungen auf die Eigenschaften der metallorganischen Moleküle, die im 1D-Nano-Volumen von SWCNTs eingebettet sind. Die Nanoröhren schützen nicht nur die Moleküllketten vor äußeren Einflüssen, sondern bilden auch ein leitfähiges Netzwerk aus Bündeln, welches Photoemissionsmessungen der nicht leitfähigen Moleküle erheblich erleichtert. Darüber hinaus ermöglicht diese einzigartige Anordnung von 1D-Hybrid-SMM @SWCNT-Bündeln die Co-Dotierung der Molekülkettenhybride durch Interkalation der Interstitalräume der Bündel mit Kalium.
In dieser Arbeit untersuche ich die magnetischen, elektronischen und strukturellen Eigenschaften von 1D-Ketten aus Einzelmolekülmagneten mittels Röntgen sowie UV-Photoemissionsspektroskopie (XPS, UPS), Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), zirkularen magnetischen Röntgendichroismus (XMCD), Röntgenbeugung (XRD) und SQUID-Magnetometrie (SQUID). Die Auswirkungen der In-situ-Kaliuminterkalation auf die mit Nickel(II)-Acetylacetonat (Ni(II)AcAc oder Ni-AcAc) Trimeren gefüllten 1D-SWCNT-Hybride wird mittels Synchrotron-basierten Methoden wie Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) und resonanter Photoelektronenspektroskopie (ResPES) untersucht.
Die gefüllten Proben zeigen eine 1D-Anordnung der Moleküle entlang der Nanoröhrenachse und einen Elektronentransfer von den Molekülen zu den Nanoröhren.
Die Valenz von Nickel verringert sich, wenn sich die Molekülorbitale bei Co-Dotierung durch Kaliuminterkalation hin zu einem metallischen Zustand verändert.
Die magnetischen Eigenschaften der 1D-Ni-AcAc-Trimerketten werden mittels SQUID und magnetisch Röntgenzirkulardichroismus (XMCD) untersucht. Die magnetische Suszeptibilität und Magnetisierung sind vom SWCNT Durchmesser anhängig und können auf Änderungen der Superaustausch-Wechselwirkungen der Nickelatome in den Ni-AcAc-Trimeren zurückgeführt werden. Das Vorhandensein von nicht lokalisierten magnetischen Momenten wird ersichtlich, da die elementspezifische (XMCD) Messungen der lokalen magnetischen Momente von Nickel nicht ausreichen, um die mittels SQUID ermittelten Gesamtmagnetisierung der Probe zu erklären.
Ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden fundamentalen Prozesse, die die elektronischen und magnetischen Eigenschaften von 1D-Nanostrukturen bestimmen, ist essentiell für die Entwicklung neuartiger Materialien für konkrete Anwendungen.
Abstract
(Englisch)
Single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) are renowned for their electronic structure as they can be of metallic or semiconducting nature, depending on their lattice structure. Their mechanical and chemical stability as well as the variety of ways in which we can tailor their properties make them promising systems for the development of materials with novel electronic, mechanical and magnetic properties leading to the development of CNT-based nanoelectronic device prototypes. Metal-organic single-molecule magnets (SMM) are also of great interest because of their unique magnetic and structural properties. These nano-magnets may potentially be used for next generation high density data storage devices.
The present work focuses on the effects of reduced dimensions, confinement and intra-molecular interactions on the properties of the metal-organic molecules encapsulated in the 1D nanospace of SWCNTs. The nanotubes do not only protect the client molecules from the ambient environment, but also provide a conductive network which aids in the collection of reliable photoemission data of the otherwise insulating molecules. Furthermore, this unique arrangement of 1D hybrid SMM@SWCNT bundles allows co-doping the molecular chain hybrids by intercalation of the interstitial spaces with potassium.
In this thesis I study the magnetic, electronic and structural properties of 1D molecular magnet chains by means of X-ray/UV Photoemission Spectroscopy (XPS, UPS), X-ray Absorption Spectroscopy (XAS), X-ray magnetic circular dichroism (XMCD), X-Ray Diffraction (XRD) and Superconducting Quantum Interference Device (SQUID). The effect of in-situ potassium intercalation of the filled 1D SWCNT hybrids is investigated by means of synchrotron-based methods such as x-ray absorption spectroscopy (XAS) and resonant photoelectron spectroscopy (ResPES).
The filled samples show a 1D arrangement of the molecules along the nanotube axis and electron transfer from the molecules to the nanotubes. The valency of nickel decreases as the molecular orbital changes towards a more metallic character upon co-doping by potassium intercalation.
The magnetic properties of the 1D Ni-AcAc trimer chains are investigated by means of SQUID and X-ray Magnetic Circular Dichroism (XMCD). A tube-diameter dependence of the magnetic susceptibility and magnetization is observed and attributed to changes in superexchange interactions of the nickel atoms within the Ni-AcAc trimers. The presence of delocalized magnetic moments is suggested as the element specific XMCD measurement of the localized magnetic moments at the nickel site are insufficient to account for the total magnetization observed in bulk magnetic measurements by SQUID.
A better understanding of the underlying fundamental processes governing the electronic and magnetic properties of 1D nanostructures is essential for the development of novel materials for real-life applications.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Kohlenstoffnanoröhrchen Interkalation Füllen Metall-organisch Ni-AcAc Magnetismus Superaustausch Photoelektronenspektroskopie XPS XAS RESPES SMM
Autor*innen
Oleg Domanov
Haupttitel (Englisch)
Electronic, magnetic and structural properties of 1D metal-acetylacetonate chains inside single-wall carbon nanotubes
Publikationsjahr
2018
Umfangsangabe
xi, 138 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Jana Kalbáčová Vejpravová ,
Jeremy Sloan
AC Nummer
AC15105417
Utheses ID
47195
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |