Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/10898
Title: Adsorption, metalation and magnetic properties of tetra phenyl porphyrins on metal surfaces
Authors: Panighel, Mirco
Keywords: tetra phenyl porphyrinsself-assemblynano-magnetismspintronicsmolecular electronicsSTMNEXAFSXMCDXPSadsorption
Issue Date: 24-Mar-2015
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Traditional semiconductor technology will reach a size limit within the next few years. A possible solution could be the use of organic molecules in technological applications as single functional units in metal-organic based devices; the success of this approach strongly depends on the understanding of the behaviour of these molecules on metallic surfaces. The interaction with metallic substrates and the interaction between the molecules themselves determine the electronic and magnetic properties of the system, and it is thus of fundamental interest to study these metal-organic interfaces both in the case of single molecules and layer structures. In this thesis, an extensive study of the electronic and magnetic properties of tetra-phenyl-porphyrin (2H-TPP) molecules adsorbed on metal surfaces is reported. By means of scanning tunnelling microscopy (STM) we studied the adsorption geometry of these molecules on the Au(111), Ag(111) and Cu(100) surfaces. By using X-ray photoemission spectroscopy (XPS) and near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy, a temperature-induced conformational adaptation reaction of the 2H-TPP molecules adsorbed on the Au(111) and Ag(111) surfaces, upon annealing at 550 K, is described. A possible dehydrogenation reaction, with the formation of new C-C bonds, could explain the rotation of the molecule phenyl rings parallel to the surface plane and the associated increasing in the molecule-substrate interaction. In-situ metalation of porphyrins in ultra-high vacuum is obtained by two methods: in the first one, the metalation of 2H-TPP on Ag(111) is achieved by direct metal evaporation (Mn, Rh and Fe) on the molecular layer; in the second case we report the self-metalation of 2H-TPP through the coordination with a metal atom from the Fe(110) and Al(111) substrates. In addition, we investigated the effects of metalation and temperature-induced conformational adaptation on the molecule-substrate interaction, by means of XPS and NEXAFS, in the case of CoTPP on Ag(111). The magnetic properties resulting from the metal coordination are studied by X-ray magnetic circular dichroism (XMCD). Here, a description of the magnetic coupling of a MnTPPCl single layer with a Fe(110) ferromagnetic substrate is disclosed. Moreover, we focused on the study of the magnetic properties and exchange coupling of two layer of molecule and a ferromagnetic thin film. In the case of a MnTPP layer on FeTPP/Fe(110) the magnetic coupling extends to the second layer of molecules, for which the magnetization is opposite with respect to the substrate.
Le tradizionali tecnologie utilizzate nell’industria dei semiconduttori raggiungeranno, entro breve tempo, il limite nella miniaturizzazione dei loro componenti. Una possibile alternativa potrebbe venire dall’utilizzo di molecole organiche come singole unità funzionali in dispositivi metallo-organici; d’altra parte il successo di questo approccio dipende in maniera sostanziale dalla comprensione del comportamento di queste molecole sulle superfici dei metalli. L’interazione con il substrato metallico e la stessa interazione tra le molecole determinano le proprietà elettroniche e magnetiche di questi sistemi, ed è dunque di fondamentale interesse lo studio di queste interfacce metallo-organiche sia nel caso di singole molecole che di strutture più complesse. In questa tesi è riportato uno studio dettagliato delle proprietà elettroniche e magnetiche di tetra-fenil-porfirine (2H-TPP) adsorbite su superfici metalliche. Attraverso la microscopia a scansione a effetto tunnel (STM) è stata studiata la geometria di adsorbimento di queste molecole sulle superfici Au(111), Ag(111) e Cu(100). Utilizzando le spettroscopie XPS (X-ray photoemission spectroscopy) e NEXAFS (near-edge X-ray absorption fine structure) è descritta la reazione di adattamento conformazionale delle 2H-TPP adsorbite sulle superfici Au(111) e Ag(111) a seguito del processo di annealing a 550 K. Una possibile reazione di de-idrogenazione, con la formazione di nuovi legami C-C, può spiegare la rotazione dei gruppi fenili della molecola verso la superficie e l’aumento dell’interazione molecola-substrato ad esso associato. La metallazione in-situ delle porfirine in ultra-alto vuoto è ottenuta in due modi: nel primo, la metallazione delle 2H-TPP su Ag(111) è raggiunta con la diretta evaporazione del metallo (Mn, Rh e Fe) sullo strato di molecole; nel secondo caso, sulle superfici Fe(110) e Al(111) la metallazione avviene automaticamente tramite la coordinazione della 2H-TPP con un atomo della superficie. Inoltre, gli effetti della metallazione e dell’adattamento conformazionale sull’interazione molecola-substrato sono stati studiati, tramite XPS e NEXAFS, nel caso di CoTPP su Ag(111). Le proprietà magnetiche risultanti dalla coordinazione della molecola con un atomo metallico sono state studiate per mezzo della tecnica XMCD (X-ray magnetic circular dichroism). In particolare, viene descritto l’accoppiamento magnetico di un singolo strato di MnTPPCl con un substrato ferromagnetico Fe(110). Inoltre, ci si è focalizzati sullo studio delle proprietà magnetiche tra due strati di molecole e un film sottile ferromagnetico. Nel caso specifico di MnTPP su FeTPP/Fe(110) l’accoppiamento magnetico si estende al secondo strato di molecole, per il quale la magnetizzazione è opposta rispetto al substrato.
Description: 2013/2014
URI: http://hdl.handle.net/10077/10898
NBN: urn:nbn:it:units-13694
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