Stable Purely Organic Radical Thin Films and Interfaces for Applications

Abstract

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf rein organischen Radikalen, die aufgrund ihrer strukturellen Vielfalt, ihrer Funktionalität und ihres intrinsischen magnetischen Moments eine spannende Spielwiese für Anwendungen in der Spintronik darstellen. Die ausgewählten Radikale wurden aufgedampft und durch organische Molekularstrahlabscheidung auf unterschiedliche Substraten abgeschieden, anschießend wurden die Proben mit Hilfe von kombinierten Methoden wie die Röntgenphotoelektronenspektroskopie, Röntgen-NahkantenAbsorptions-Spektroskopie und Rasterelektronenmikroskopie charakterisiert. Der erste Teil der Arbeit ist dem Dicyano-Tetrazolinyl-Radikal gewidmet, das eine starke Tendenz zur Inselbildung aufweist, wenn es aufgedampft und auf verschiedenen Substraten abgeschieden wird. Das Radikal bildet Cluster mit einer Nanonadel-Morphologie auf der SiO2/Si(111)-Oberfläche und Nanostäbchen auf Gold. Die Untersuchung der Radikale auf einem hybriden Substrat, bestehend aus SiO2/Si(111) und polykristallinem Gold, ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Wechselwirkung zwischen Radikal und Substrat und der Art des Substrats auf die Morphologie der Radikale. Ein besseres Verständnis des Wachstumsprozesses an der hybriden Grenzfläche kann, bei der Entwicklung einer Strategie zur Herstellung eindimensionaler Nanostrukturen mit spezifischer Morphologie als integraler Bestandteil von Nanobauteilen, helfen. Der zweite Teil der Arbeit ist dem Radikalderivat Blatter gewidmet. Die Stabilität von Blatterpyr- und diBlatter-Filmen wird unter Luftexposition untersucht. Die überlegene Luftstabilität von Blatter-pyr mit einem Radikalzentrum im Vergleich zu diBlatter, das zwei Radikalzentren aufweist, lässt sich durch die Wasserbeständigkeit der Blatter-pyr-Moleküle in den Filmen erklären. Im folgenden Teil werden die elektronischen und magnetischen Eigenschaften der Blatter-pyr/Co-Hybrid-Grenzfläche beschrieben. Hybridisierung und Ladungstransfer an der Grenzfläche führen zum Verlust der radikalen Funktionalität der Filmmoleküle und zur Unterdrückung des magnetischen Moments der an die organischen Moleküle gebundenen Co-Atome. Die Ergebnisse zeigen, dass die Interaktion an der Grenzfläche die lokalen chemischen und magnetischen Eigenschaften der hybriden Grenzfläche bestimmt und als ein leistungsfähiger Ansatz zur Manipulation und Kontrolle des Spintransports in zukünftigen molekularen spintronischen Bauelementen angesehen werden kann.

Die Dissertation ist gesperrt bis zum 18. Dezember 2025 !

The spotlight of this work is on purely organic radicals, which built an exciting playground for spintronic applications due to their structural diversity, functionality, and intrinsic magnetic moment. The selected radicals were evaporated and deposited on various substrates by organic molecular beam deposition and characterized by joined methods such as X-ray photoelectron spectroscopy, near-edge X-ray fine structure and scanning electron microscopy. The first part of the thesis is dedicated to the dicyano tetrazolinyl radical that shows a strong tendency toward island formation when evaporated and deposited on different substrates under the presented preparation conditions. The radical forms assemblies with a nanoneedle morphology on SiO2/Si(111) surface and “monoliths” on gold. The study of radical assemblies on the hybrid substrate, consisting of SiO2/Si(111) and polycrystalline gold, allowed to investigate the influence of radical-substrate interaction and substrate nature on the assembly morphology. Improved understanding of the growth process on the hybrid interface can aid in the development of a strategy to achieving nanostructures with specific morphology as an integral component of nanodevices. The second part of the work is dedicated to the Blatter radical derivatives. The stability of Blatter-pyr and diBlatter films is probed under air exposure. The superior air stability of Blatter-pyr with one radical site in comparison to diBlatter that poses two radical centers can be explained by water-resistance of Blatter-pyr molecules in films. The following part captures the electronic and magnetic properties of the Blatter-pyr/Co hybrid interface. Hybridization and charge transfer at the interface result in loss of the radical functionality of film molecules and the suppression of the magnetic moment of Co atoms bonded to the organic molecules. The results demonstrate that interface interaction defines the hybrid interface’s local chemical and magnetic properties and can be viewed as a powerful approach for manipulating and controlling spin transport in future molecular-based spintronic devices.