Elaboration de dispositifs de spintronique basés sur des nanoaimants moléculaires

par Yiting Wang

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Talal Mallah.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences Chimiques : Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes , en partenariat avec Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-11-2015 .


  • Résumé

    Conception et synthèse des molécules-aimants La synthèse des objets, leur auto-assemblage et leur caractérisation sur des supports solides seront réalisé en trois étapes. Étape 1: Conception et synthèse des objets: a) conception de ligands; b) l'assemblage et la caractérisation des objets. Les objets seront synthétisés par deux voies différentes, soit par condensation simultanée d'une amine et d'un aldéhyde dans une matrice d'ions métalliques, ou par pré-synthèse des ligands, suivie d'une coordination avec un ion métallique. Les deux voies de synthèse seront étudiées en parallèle. Une variété de ligands avec différentes propriétés stériques et électroniques sera préparée. Des architectures monométalliques simples seront d'abord examinés. Nous allons explorer l'auto-assemblage autour des métaux de transition de la première série (ex. Fe, Ni, Co), et puis les ions lanthanides. Les complexes seront étudiées par RMN, EPR, IR, SM, voltampérométrie cyclique, SQUID et cristallographie aux rayons X. Une attention particulière sera placée dans la détermination des paramètres qui régissent l'anisotropie et la température de blocage. Les nano-structures les plus stables thermodynamiquement seront étudiées à l'étape 2 Étape 2 : Auto-assemblage des objets L'étudiant devra se concentrer sur l'adsorption des molécules sur un support solide . Les premiers tests seront effectués sur l'oxyde de fer ferrimagnétique . Les surfaces d'oxyde de fer seront fournis par le groupe du Dr Moussy au CEA - Saclay . Les surfaces seront immergées dans une solution contenant les complexes de métaux de transition. Le support et l'épaisseur du film et la qualité seront caractérisés par ellipsométrie , XPS , et l'AFM . Le contrôle du processus d'auto-assemblage à l'interface FM / OSC est d'une importance cruciale pour que le dispositif de vanne de spin fonctionne correctement , et pour obtenir des résultats reproductibles . Par conséquent, nous allons développer des méthodologies pour ancrer les complexes métalliques sur le substrat d'oxyde par l'introduction de fonctionnalités au niveau du bloc de construction.

  • Titre traduit

    Elaboration of devices based on Single Molecule Magnets for Molecular Spintronics


  • Résumé

    Step 1: Design and synthesis of the supramolecular entities: a) design of ligands; b) assembly and characterization of the nano-objects. The nano-objects will be synthesized via two different routes, either by simultaneous condensation of an amine and an aldehyde around a metal ion template, or by pre-synthesis of the ligands followed by a coordination with a metal ion. The two synthetic pathways will be investigated in parallel. A variety of ligands with different steric and electronic properties will be prepared. Simple monometallic architectures will be investigated first. We will explore the self-assembly around first row transition metals (ex. Fe, Ni, Co), then we will explore lanthanide ions. The assembly of polynuclear complexes from the SMM building blocks will eventually be carried out. The complexes will be studied by NMR, EPR, IR, MS, cyclic voltammetry, SQUID and X-ray crystallography. Particular attention will be placed into determining the parameters that govern anisotropy and blocking temperatures. The nano-structures the most thermodynamically stable will be investigated in step 2. Step 2: Fundamental investigation of the self-assembly The student will focus on the adsorption of the molecules onto a solid support. The initial tests will be done on ferromagnetic iron oxide. The iron oxide surfaces will be provided by the group of Dr. Moussy at the CEA-Saclay. The solution containing the metal complexes will be spin-coated or dip-coated onto the support and the film thickness and quality will be characterized by ellipsometry, XPS, and AFM. We envision that there will be four distinct scenarios: 1) no adsorption, 2) the complexes self-assemble in a well-organized thin film, 3) the complexes self-assemble in a disorderly film The control of the self-assembly process at the FM / OSC interface is of crucial importance in order for the spin valve device to function properly, and for obtaining reproducible results. Therefore, we will develop methodologies to reproducibly anchor the metal-complexes onto the oxide substrate by introducing functionalities at the building block level. Shown schematically in Figure 3b is the bottom-up approach envisioned. Ligands equipped with functional groups (such as a silane, a phosphonate ester, or a carboxylic acid group) that will allow direct anchoring to the oxide surface will be synthesized. Their surface anchoring will be tested followed by the self-assembly of the metal-complex directly onto the surface. Ultimately these complexes will be incorporated into a molecular spin-valve and their ability to transport a spin current as part of one of these devices will be investigated. Although, we might not reach our ultimate goal of detecting spin transport through these supramolecular nano-objects, the fundamental research that we will conduct is expected to lead us closer to employing self-assembled metallasuprastructures in nanospintronic devices with the purpose of rendering the storage of information in a single magnetic entity a reality