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Fabrication of Metal-Insulator-Metal assemblies for spintronic devices using self-assembled monolayers

Chesneau, Frédérick

German Title: Herstellung von Metall-Isolator-Metall Sperr–schichten fuer Spintronik Geraete aus selbstorganisirenden Monolagen

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Abstract

New, efficient and reproducible methods for the fabrication of Metal-Insulator-Metal (MIM) junctions for applications in spintronic devices have been developed. The junctions consisted of a gold substrate as bottom contact, p-terphenyl-based self-assembled monolayers (SAMs) as insulator layer, and thin ferromagnetic metal films (nickel) as top contact. Both pristine and electron irradiated (denoted by the prefix CL-) SAMs of [1,1’:4’,1”-terphenyl]-4,4”-dimethanethiol (TPDMT), (4’-(pyridin-4-yl)biphenyl-4-yl)alkanethiol (PPPn, n = 1,3) and perfluoroterphenyl-substituted alkanethiols (FTPn, n = 2,3) on Au(111) were used as test systems. All molecules were found to form well-ordered, high quality SAMs, a prerequisite for the fabrication of SAM-based MIM devices. In addition, the influence of the SAMs’ molecular architecture on its transport properties has been investigated. In particular, we have studied the effect of the small alkane linker (between the head group and the p-terphenyl backbone) found in all the molecules used in this work. The alkane linker was found act as an insulator, allowing us to decouple of the aromatic core’s electronic system from the substrate. We then studied the effects of electron irradiation on PPPn/Au and FTPn/Au SAMs. Both SAMs were modified with electrons. In particular, the charge transport properties of the FTPn/Au surface could be fine-tuned simply by controlling the irradiation dose. Finally, nickel was deposited on all SAMs to test their usefulness as dielectric layers in MIM devices. Whereas nickel was found, by XPS and NEXAFS spectroscopy, to penetrate into and through the SAMs of TPDMT, CL-TPDMT, PPP1 and CL-PPP1 on Au(111), a single layer of palladium chloride, deposited from solution on either TPDMT/Au or CL-PPPn/Au, promoted the nucleation and growth of nickel thin films on top of the respective SAMs via alloying of nickel with palladium. Furthermore, reaction of nickel with the perfluorinated FTPn SAMs yielded a new class of organometallic thin films in which nickel was found to reside mainly at the top. Irradiation of the FTPn monolayers with electrons gave us precise control over the work function of the CL-FPTn/Au surfaces (a crucial parameter for the fabrication of nanoelectronic devices) while favouring the nucleation and growth of top ferromagnetic contacts. The penetration of nickel into and through CL-FTPn/Au SAMs was found to decrease by as much as 30 % at high irradiation doses (> 30 mC/cm2) making FTPn systems attractive as dielectric layers for nano junctions.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit wurden neue, effiziente und reproduzierbare Methode für die Herstellung von Metall-Isolator-Metall (MIM) Sperr–schichten für Spintronik Anwendungen entwickelt. Die Sperrschichten wurden aus einen gold Substrat als unterem Kontakt, p-terphenyl-basierten selbstorganisirenden Monolagen (SAMs) als Isolator, und dünnen ferromagnetischen Metallschichten (nickel) als oberen Kontakt konstruiert. Unbestrahlte SAMs und Elektronenbestrahlte CL-SAMs aus [1,1’:4’,1”-terphenyl]-4,4”-dimethanthiol (TPDMT), (4’-(pyridin-4-yl)biphenyl-4-yl)alkanthiol (PPPn, n = 1,3) und perfluoroterphenyl-basierten alkanthiolen (FTPn, n = 2,3) auf Au(111) wurden als Testsysteme verwendet. Die Qualität von SAMs (z.B. die Dichte) war bei allen Molekülen hoch, was für nanoelektronische Anwendungen wichtig ist. Der Einfluss der Molekularen Architektur auf die Transporteigenschaften der SAMs wurde erforscht. Insbesondere wurde der Einfluss der kleinen Alkankette zwischen dem aromatischen Teil der Moleküle und dem Thiol geprüft. Durch die Alkankette wurde der aromatische Kern vom Substrat entkoppelt. Als nächstes wurde der Einfluss der Elektronenbestrahlung auf PPPn/Au und FTPn/Au SAMs erforscht. Beide SAMs wurden durch Elektronenbestrahlung stark modifiziert, besonders die Leitfähigkeit von FTPn/Au konnte durch die Kontrolle der Elektronenbestrahlung, fein eingestellt werden. Schliesslich wurde Nickel auf alle SAMs aufgedampft. Stabile, dünne Nickelschichten konnten auf SAMs aus TPDMT, CL-TPDMT, PPP1 and CL-PPP1 auf Au(111) nicht hergestellt werden. Eine Palladium Chlorid Monolage auf TPDMT/Au oder CL-PPPn/Au, konnte jedoch die Kernbildung und Wachstum einer dünnen Nickelschichte auf den jeweiligen SAMs fördern, da Nickel und Palladium eine Legierung bilden. Anschliessend wurde eine neue Klasse von dünnen Organometallischen Schichten durch die Reaktion von Nickel mit perfluorirten FTPn SAMs konstruiert. Nickel lagerte sich nur im oberen Bereich der SAMs an. Die Austrittsarbeit der FTPn SAMs, eine wichtige Eingenschaft eines Nanoelektronikgeraetes, konnte durch Elektronenbestrahlung der FTPn SAMs präzise kontrolliert werden. Trotz des Verlustes von Fluor können ferromagnetische Schichten auf CL-FTPn/Au SAMs hergestellt werden. Die Eindringtiefe von Nickel in die CL-FTPn/Au SAMs nahm bei einer hohen Elektrondosis (>30 mC/cm2) bis zu 30 % ab. FTPn SAMs sind dann besonders attraktive Systeme für die Herstellung von Nanoelektronikgeräten.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Zharnikov, Dr. apl. P Michael
Date of thesis defense: 15. July 2011
Date Deposited: 27. Jul 2011 07:19
Date: 2011
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords: SAM , nickel , spintronic , physical vapour deposition , nanoelectronic
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