Kurzfassung
Fortschritte auf dem Gebiet der molekularen Spintronik basieren auf dem fundamentalen Verständnis der elektronischen und insbesondere der magnetischen Eigenschaften von molekularen Grundbausteinen. In den meisten der bisherigen Veröffentlichungen Untersuchungen, welche sich mit dieser Fragestellung befassen, sind die molekularen Orbitale stark mit den elektronischen Zuständen des Substrats hybridisiert, weshalb in diesen Arbeiten nicht das Molekül selbst, sondern das Hybridsystem aus Molekül und Substrat charakterisiert wurde. Aus diesem Grund wurden unterschiedlichste Methoden entwickelt, um die Eigenschaften der Moleküle vom darunterliegenden Substrat zu entkoppeln, mit dem Ziel, die unbeeinflussten magnetischen Eigenschaften des Moleküls bestimmen zu können. Ein effizienter Weg ist es, inerte Materialien für solche Untersuchungen zu verwenden. Die Wechselwirkung inerter Substrate ist in der Regel sehr schwach, was eine Grundvoraussetzung für die Erhaltung der molekularen Orbitale darstellt.
Diese Dissertationsschrift befasst sich mit der Entstehung von Magnetismus in molekularen Systemen beginnend mit dem Verständnis über den grundlegenden Ursprung bis hin zur Beschreibung von molekularen Wechselwirkungen mit dem Substrat. Darüber hinaus wird das Konzept von spin-basierten Logikbauelementen und deren experimentelle Realisation vorgestellt und erläutert. Zusammen mit der Darstellung des experimentellen Aufbaus wird ebenfalls die Rastertunnelmikroskopie als wichtigste Messmethode dieser Arbeit eingeführt. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wird der Fokus insbesondere auf die Untersuchung der magnetfeldabhängigen Eigenschaften von einzelnen 5,5'-Dibromcobaltsalophen Molekülen auf der Eisen-interkallierten Grapheneoberfläche gelegt. Hierbei ist entscheidend, dass die mit Eisen interkallierte Oberfläche magnetisch ist und eine nur sehr schwache Wechselwirkung mit den adsorbierten Molekülen zeigt. Die Untersuchungen wurden mittels spin-polarisierter Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie durchgeführt. Aus den gemessenen lokalen Magnetisierungskurven, den spin-abhängigen Tunnelspektren und den Karten der magnetischen Asymmetrie einzelner5,5'-Dibromcobaltsalophen Moleküle lassen sich Rückschlüsse auf deren magnetische Eigenschaften und deren Kopplung mit ihrer lokalen Umgebung ziehen. Für dieses Molekül wurden drei magnetische Zustände gefunden, dessen magnetische Momente parallel bzw. antiparallel zu den magnetischen Momenten des Substrats ausgerichtet sind, was durch eine verhältnismäßig starke bzw. schwache Hybridisierung hervorgerufen wird. Im letzten Fall kann die Wechselwirkung darüber hinaus so schwach sein, dass sich die magnetischen Momente der Moleküle durch ein äußeres Magnetfeld beeinflussen lassen. Das spezifische magnetische Verhalten der Moleküle hängt zusätzlich noch von der relativen Position zum Moiré Muster des mit Eisen interkallierten Graphenes ab. Hierbei bestimmt die räumliche Variation der elektronischen Zustände des Substrats in der Kombination mit der Adsoptionsgeometrie, wie stark die Hybridisation zwischen den molekularen Orbitalen und den Zuständen des π-Komplexes des Substrats ausgeprägt ist.
Advances in molecular spintronics rely on the in-depth characterization of the molecular building blocks in terms of their electronic and, more importantly, magnetic properties. In most of the studies with that aim published till date, the molecular orbitals were strongly hybridized with the substrates’ electronic states. Therefore, the investigations did not characterize the molecules but rather the molecule-substrate hybrid system and there have been concerns about how to separate the two contributions to the measured magnetic signal. An efficient approach is the use of an inert substrate for such studies. Its interaction with the adsorbed molecules is usually weak, which is required in order to preserve the molecule’s electronic states. This dissertation deals with the emergence of magnetism in molecules, from understanding of its origin to the description of molecular interactions with a substrate. It is followed by the description of the concept of spin-based logic devices and their experimental realization. The introduction to the measurement technique (scanning tunneling microscopy) is also provided together with its implementation in the experimental setup. In particular the dissertation focuses on the investigations of the magnetic-field response of a single paramagnetic 5,5’-dibromosalophenatocobalt(II) molecule adsorbed on an Fe-intercalated graphene substrate. This substrate is magnetic and interacts only weakly with the adsorbed molecules. The investigations had been performed by means of spin-polarized scanning tunneling microscopy and spectroscopy. The obtained local magnetization curves, spin-dependent tunneling spectra, and spatial maps of magnetic asymmetry for a single 5,5’-dibromosalophenatocobalt(II) molecule reveal its magnetic properties and coupling to the local environment. The molecules are found to be in three magnetic states. Their magnetic moments align parallel or anti-parallel to the magnetic moment of the substrate caused by relatively strong or weak hybridization, respectively. In the latter case, however, the interaction can be weak enough for manipulation of the molecule’s magnetic moment with an external magnetic field. The distinct magnetic behavior of the molecule is found to rely on its position relative to the Fe-intercalated graphene moiré structure. Spatial variations of the electronic properties of the substrate surface in combination with the molecule’s adsorption geometry determine the level of hybridization between the molecular orbitals and the surface π-system.