STM Studies on Properties of Fe(TCNE) on Ultrathin Insulating Layer

Abstract

Spin relaxation time (T1) has been investigated extensively as it plays a key role towards miniaturization of memory devices at atomic scale. When the spin of an atom or a molecule is excited by electrical pump voltages, it relaxes back to its ground state due to interaction with its local environment. One of the approaches to probe the spin dynamics at atomic scale is to use scanning tunneling microscopy (STM). In particular, controlling the spin relaxation time of individual atoms via physical and chemical interaction with organic molecules has been one of highly interesting topics since the organic molecules may offer various tunability via chemical methodologies. Here, we form metal (iron, Fe)-organic molecule (tetracyanoethylene, TCNE) complexes on two monolayer of magnesium oxide (MgO) grown on silver (Ag (100)) surface using atomic manipulation and study the evolution of the spin relaxation time of iron site of Fe(TCNE) complex using electrical pump probe method. We also studied the relationship between distance between tip and sample, or tunneling current, or conductance and the spin relaxation time (T1). With these studies, we found out that the spin relaxation time of iron site in Fe(TCNE) complex is approximately 10 μs, which is 2 orders of magnitude smaller than that of an isolated iron atom on MgO/Ag(100). We could understand that this was due to the 2 orders of magnitude decrease in conductance from TCNE rather than the decrease in spin relaxation time of iron. Because the intrinsic spin state of iron did not change before and after forming the complex, it implies that the Fe and TCNE are weakly coupled in the complex. In addition, we successfully map the spin relaxation time across the metal-organic molecule complex and this helps us understand the spin dynamics of the complex in microsecond range. This technique is utilized for identification of the location of the Fe atom within Fe(TCNE) complex with atomic precision. This work may contribute to the understanding of how the local environment influence the spin dynamics and the structures in the contents of metalloorganic complexes.;스핀 이완 시간 (T1)은 메모리 소자를 원자 단위로 초소형화 하기 위해 중요한 역할을 한다. 원자의 스핀에 전자 펌프 전압이 가해지면 스핀은 들뜬 상태로 여기되고, 이후 주변 환경과의 상호작용을 통해 원래의 바닥 상태로 돌아온다. 이러한 스핀의 역학을 조사하기 위해 STM을 이용할 수 있다. 구체적으로, 스핀 이완 시간(T1)을 조절하기 위해 단일 원자와 유기 분자의 물리적, 화학적 상호작용을 이용할 수 있는데, 이는 유기 분자를 이용하여 다양한 화학적 특성을 조절할 수 있다는 특징 때문에 흥미로운 주제로 알려져있다. 우리는 은(100) 표면 위에 두 원자층의 산화 마그네슘 (MgO)을 길러서 그 위에 금속(철, Fe)과 유기 분자 (테트라사이아노에틸렌, TCNE)를 원자 조종 방식으로 결합시키고, 철과 유기분자 복합체 내 철 위치의 스핀 이완 시간이 어떻게 변화하는지 전기적 펌프-탐침 방식을 이용하여 관측하였다. 또한 탐침과 샘플 사이의 거리에 따라, 혹은 터널링 전류, 또는 전도도에 따라 스핀 이완 시간 (T1)이 어떻게 변화하는지 알아보았다. 본 연구를 통해, 우리는 철-유기분자 복합체 내의 철 위치에서의 스핀 이완 시간이 은(100) 표면 위 산화 마그네슘 (MgO) 위에서 계산된 단일 철 원자의 스핀 이완 시간보다 100배 낮은 것을 확인할 수 있었다. 이는 철 자체의 스핀 이완 시간이 줄어든 것이 아니라, TCNE가 전도도가 100배 낮추는 데 영향을 미쳤기 때문이다. 철 자체의 스핀은 복합체 형성 전후에 변화가 없으므로 이는 철과 TCNE 분자가 약하게 결합한다는 것을 뜻한다. 또한, 스핀 이완 시간 (T1)이 철-유기분자 복합체 속에서 어떻게 나타나는지 원자지도를 그렸고, 이는 스핀 역학을 마이크로 초 단위에서 이해하는 데 도움을 주었다. 이를 통해 원자 단위의 정확도로 철-유기분자 복합체 내에서의 철 원자 위치를 확인할 수 있었다. 따라서 원자 지도는 철-유기분자 결합체 내의 스핀 역학과 구조에 국소적 환경이 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 데 기여할 수 있다.