Riassunto analitico
I progressi che hanno portato dai primi calcolatori agli attuali dispositivi elettronici sono stati in larga parte resi possibili dalla miniaturizzazione dei loro componenti attivi. Ridurre ulteriormente le loro dimensioni rappresenta una sfida tecnologica imponente, poiché le dimensioni dei dispositivi stanno raggiungendo la scala atomica e molecolare. L’evoluzione di una nuova disciplina, la spintronica molecolare, sta contribuendo allo sviluppo di nuovi concetti e strumenti per il controllo e la manipolazione della materia a livello della singola molecola. In questo quadro, i magneti a singola molecola appaiono una scelta adeguata per la realizzazione delle unità funzionali di base dei dispositivi spintronici molecolari. Una delle applicazioni più interessanti riguarda la possibilità di fabbricare dispositivi a tre terminali contenenti una singola molecola, i cosiddetti transistor molecolari, grazie ai quali sono stati ottenuti risultati all’avanguardia come la lettura e la manipolazione di un singolo spin nucleare. In questo contesto, è stato proposto l’utilizzo del grafene per la fabbricazione di elettrodi adatti a contattare singole molecole. La sua struttura a legami covalenti assicura infatti un’elevata stabilità meccanica e il suo “telaio” 2D riduce notevolmente il mismatch dimensionale tra elettrodi e molecole, offrendo inoltre la possibilità di ancorare sulla propria superficie una grande varietà di specie molecolari. Nella prima parte della tesi, è stata implementata una procedura di electroburning (EB) per l’apertura di gap nanometrici in giunzioni di grafene adatti a contattare singole molecole. L’EB è stato caratterizzato in maniera sistematica lavorando su diversi tipi di grafene (aderente al substrato o sospeso) in condizioni di vuoto o a pressione ambiente. L’EB sfrutta la reazione chimica degli atomi di carbonio con l’ossigeno alle alte temperature che sono generate dall’effetto Joule dovuto ad elevate densità di corrente. La presenza di un meccanismo di feedback elettronico è essenziale per evitare la rottura improvvisa del grafene e per controllare con maggiore precisione la struttura finale dei gap nanometrici. Grazie ad esso, è stato possibile aumentare la resa del processo fino al 90%. Mediante l’EB, è stato possibile realizzare transistor molecolari in cui un unico magnete a singola molecola a base di Tb (TbPc2 o Tb2Pc3) è integrato tra due nanoelettrodi di grafene. Effettuando misure di trasporto a bassa temperatura, è stato possibile rilevare l’inversione dello spin elettronico del Tb indotto dalla variazione del campo magnetico esterno. Inoltre, è stato possibile caratterizzare l’interazione di scambio tra la corrente che fluisce attraverso la molecola nel regime di “Coulomb blockade” e lo spin elettronico del Tb. Nella seconda parte della tesi, sono stati impiegati impulsi alle microonde per indurre l’inversione dello spin elettronico di un singolo ione di Tb contenuto in un magnete a singola molecola (TbPc2) inserito all’interno di una giunzione d’oro ottenuta per elettromigrazione. A causa dell’interazione di scambio tra lo spin elettronico del Tb e il quantum dot creato dalle Pc, la conduttanza del transistor molecolare dipende dall’orientazione dello spin e una sua misura fornisce una lettura dello stato di questo spin. Si è dimostrato che è possibile indurre un’inversione dello spin elettronico del Tb applicando sequenze di impulsi alle microonde. Il processo di inversione dello spin non è risonante né coerente con gli impulsi alle microonde, risultando inoltre indipendente dal campo magnetico esterno. Per spiegare questi risultati sperimentali, è stato sviluppato un semplice modello che prende in considerazione lo scambio di energia e momento fra lo spin elettronico del Tb e l’ambiente circostante.
|
Abstract
The massive advancements in performance from the first computing machines to the current electronic devices are mainly due to the extreme miniaturization of their active components. At present, further downscaling represents an enormous technological challenge, as the size of the devices is reaching the ultimate limit of the molecular and atomic scale. The evolution of a novel discipline, molecular spintronics, is contributing to develop new concepts and tools to control matter at the single-molecule scale and to manipulate spins and charges in electronic devices containing one or more molecules.
In this framework, single-molecule magnets are expected to be suitable candidates as building blocks for molecular spintronic devices. One of the most interesting applications is the realization of electronic circuits addressing individual molecules in the three-terminal configuration, the so-called single-molecule transistors. Groundbreaking results have been achieved, including the electrical read-out and manipulation of an individual nuclear spin. In this context, the use of graphene has recently been proposed as a valid solution for the fabrication of molecular-scale electrodes. Indeed, its covalent-bond structure assures a high mechanical stability even above room temperature and its two-dimensional fabric limits the size mismatch between electrode and molecule, allowing also for the anchoring of a wide spectrum of different molecules.
In the first part of the thesis, a feedback-controlled electroburning (EB) procedure was employed to open nanometer-sized gaps in graphene junctions suitable to contact single molecules. The EB process was systematically characterized on different types of (substrate-supported or suspended) graphene devices both under air and vacuum conditions. The EB exploits the chemical reaction of carbon atoms with oxygen at the high temperatures induced by Joule heating at large current densities. The presence of a fast feedback loop is vital to avoid the abrupt breaking of graphene and allows for a more accurate control on the final structure of the nm-sized gap. With that, it was possible to increase the yield of the process up to about 90%. By means of this EB procedure, three-terminal molecular devices were prepared in which a Tb-based single-molecule magnet (TbPc2 or Tb2Pc3) was embedded between two nm-sized graphene electrodes. At low temperature, these devices worked as molecular spin transistors allowing to detect the Tb electronic spin flip during the sweeping of an external magnetic field. The magnetic exchange coupling between the current passing through the molecular system in the Coulomb blockade regime and the Tb electronic spin was also characterized.
In the second part of the thesis, microwave (MW) pulses were used to induce the spin reversal in an individual Tb ion enclosed in a “double decker” single-molecule magnet (TbPc2) and embedded between two nano-gapped gold electrodes obtained via electromigration. The Tb electronic spin being exchange-coupled to the read-out quantum dot formed by the Pc ligands, the conductance through the read-out dot is spin-dependent, allowing for an electrical and non-destructive read-out of the Tb electronic spin state. It was shown that a reversal of the Tb electronic spin can be actually induced by applying sequences of MW pulses. Data analysis revealed that the spin flip process is non-resonant and non-coherent with the MW pulses and it does not depend on the applied magnetic field. To explain these experimental findings, a simple model was derived taking into account the exchange of energy and momentum between the spin and the surrounding environment.
|