Spin interactions in graphene-single molecule magnets hybrid materials

Abstract

This thesis work employs magnetic molecules, belonging to the family of single molecule magnets (SMMs), as model systems to study the relaxation of mesoscopic spins on graphene, and their interaction with graphene charge carriers in real devices. Their large uniaxial anisotropy makes SMMs behave like giant spins, with relaxation times of years at low temperatures. Their spin dynamics combines a classical and a quantum relaxation mechanism, that can be selectively switched on and off by either applying an external magnetic Field or by varying the temperature. The work is organized as follows. The First part presents a thorough structural characterization of the SMMs-graphene hybrid materials via multiple techniques, including atomic force microscopy, x-ray photoelectrons spectroscopy, mass spectrometry, Raman spectroscopy, and electronic transport measurements on graphene-based Feld-effect transistors. The analysis of the dynamical arrangement of molecular adsorbates on graphene reveals new opportunities to control the supramolecular surface arrangement. A comprehensive study of the magnetization dynamics of SMMs on graphene is carried out by means of ac-susceptibility techniques in a broad temperature range (T = 4K - 13 mK). The details of the complex spin-graphene interaction are unraveled in the framework of a newly developed theoretical model that accounts for all the possible fundamental contributions and the two-dimensional nature of graphene. The focus of the second part is the design, fabrication and characterization of graphene-based spintronic devices. Diffrent strategies for the injection of spin-polarized carriers in graphene are implemented and tested down to very low temperatures (T = 300 mK). To conclude the first spin-transport and spin-relaxation measurements in SMMs-graphene devices are presented.

Die Kopplung von Graphen zu solch mesoskopischen magnetischen Systemen bietet neue Wege Spin-Zustände elektronisch zu manipulieren. Gleichwohl stellt es eine ungeheure Herausforderung dar solche Spin-Systeme in reale Bauelemente zu integrieren, da die Wechselwirkungen der Spins mit in einer komplexen Umgebung nur schwer zu verstehen oder gar handzuhaben sind. Zwei wichtige Größen die Kopplungseigenschaften zu charakterisieren sind zum einen die Spin-Relaxationszeit T1 und die Spin-Dephasierungs Zeit T2. Erstere beschreibt die Lebenszeit eines "klassischen Bits", in welchem die Informationen in "up" und "down" Zuständen kodiert sind. Im Gegensatz dazu beschreibt T2 die kohärente Lebenszeit eines "Quantenbits" wobei die Informationen durch die Phase der Spin-Wellenfunktion verschlüsselt werden. Im Zuge dieser Arbeit werden magnetische Moleküle aus der Familie der "Single Molecule Magnets" als Modellsysteme verwendet, um die Relaxationsprozesse solch mesoskopischer Spins in Verbindung mit Graphen und ihren Einfluss auf die Ladungsträger innerhalb realer Bauelemente zu untersuchen. Dabei werden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt. Im ersteren werden die Single Molecule Magnets (SMMs) als Modellsysteme genutzt um die komplexen Wechselwirkungs-Mechanismen zwischen Spin und Umgebung zu entwirren. Dahingehend kombinieren wir Graphen mit dem SMM [Fe4(L)2(dpm)6]. Als Ligande L, fungiert triply deprotonated H3L=2-hydroxymethyl-2-(4-(pyren-1-yl)butoxy)methylpropane-1,3-diol, welcher eine Pyrengruppe enthält welche eine nichtkovalente Bindung an die Graphenoberfläche via pi-stacking ermöglicht. Die erzeugten Hybridsysteme werden dann durch mehrere Techniken charakterisiert. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Fabrikation und Optimierung von Graphen basierten Spinvalve-Bauelementen und deren Charakterisierung bei tiefen Temperaturen.