Development of Organic-Based Thin Film Magnets for Spintronics

In the growing field of spintronics, development of semiconducting magnets is a high priority. Organic-based molecular magnets are attractive candidates since their properties can be tailor-made by organic chemistry. Other advantages include low weight and low temperature processing. Vanadium tetracyanoethylene, V(TCNE)x, x~2, is particularly interesting since it is one of very few semiconducting magnets with magnetic ordering above room temperature. The aim of the research presented in this thesis was to prepare and characterize thin film organic-based magnets with focus on V(TCNE)x. Photoelectron and absorption spectroscopy studies were performed leading to a more complete picture of the electronic and chemical structure of the material. Depending on the preparation method of V(TCNE)x, the material contains varying amounts of disorder which among other things makes it very air sensitive. In this thesis, a new preparation method for organic-based magnets based on physical vapor deposition is presented and the first result shows that it generates less air sensitive V(TCNE)x than previous methods reported. A new spin valve design based on V(TCNE)x was proposed where the material delivers both spin-filtering and spintransporting functionality, making use of its fully spin-polarized transport levels. In such devices, the interface of V(TCNE)x with ferromagnetic metals is of great importance and was hence studied. As vanadium ions always are very reactive towards oxygen, substituting vanadium by a less reactive ion would be desirable from both an interface engineering and device packaging perspective. Very few alternatives exist however that orders magnetically above room temperature. In order to find out what are the key design criteria for preparing thin film semiconducting room temperature magnets, we have begun to study systems which order magnetically much below room temperature and compared them with V(TCNE)x. Populärvetenskaplig sammanfattning I mitten av 1980-talet började forskare studera magneter baserade på organiska material. Vanadin tetracyanoetylen är ett av de mest uppmärksammade materialen eftersom det är magnetiskt i rumstemperatur samt halvledande. Fördelen med magneter baserade på organiska material jämfört med konventionella magneter av metall är att deras egenskaper kan skräddarsys med hjälp av organisk kemi. Möjliga användningsområden för dessa material finns bl.a. inom framtidens elektronik, s.k. spinntronik, där inte bara elektronens laddning utan även dess spinn (rotation kring den egna axeln) kan användas för att lagra information. Spinntronik baserad på metall finns redan i dag i varje hårddisk och uppmärksammades med Nobelpriset 2007. Syftet med forskningen som presenteras i denna avhandling var att tillverka och studera tunna filmer av vanadin tetracyanoetylen. Innan organiska magneter kan realiseras i komponenter är det viktigt att få mera kunskap om materialens uppbyggnad och därför har vanadin tetracyanoetylen karakteriserats med olika typer av fotoelektronspektroskopi och absorptionsspektroskopi. Beroende på vilken tillverkningsmetod som materialet framställts med så innehåller det olika grader av strukturella defekter vilket bl.a. leder till att det blir mycket luftkänsligt och oxideras. I denna avhandling presenteras en ny tillverkningsmetod och de första resultaten tyder på att vanadin tetracyanoetylen tillverkat med denna metod blir mera beständigt mot syre. Vidare föreslås en ny design av en spinntronikkomponent (s.k. spinnventil) som är baserad på denna magnet. Dessa komponenter innehåller metall och därför är gränssnittet mellan vanadin tetracyanoetylen och metall viktigt och studerades med ovan nämnda metoder. Vanadin är mycket reaktivt med syre och därför är det önskvärt att byta ut det mot en mindre reaktiv metall, dock finns det få alternativ som ger material som är magnetiska i rumstemperatur. För att finna de designkriterier som ger material som är magnetiska vid rumstemperatur har vi genomfört studier på liknande material som endast är magnetiska vid mycket lägre temperaturer och jämfört dem med vanadin tetracyanoetylen.