Molekulare Spintronik mit endohedralen Fullerenen: Anordnung und Spindetektion

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Fragestellungen im Hinblick auf die Entwicklung eines Quantencomputers aus endohedralen Fullerenen bearbeitet. Zum einen wurden Möglichkeiten einer gezielten Anordnung der thermolabilen endohedralen Fullerene N@C60 bzw. P@C60 auf Oberflächen untersucht. Zum anderen wurden Experimente zur Entwicklung eines Ausleseverfahrens für einzelne molekulare Elektronenspins durchgeführt. Im Mittelpunkt des ersten Teils dieser Arbeit stand ein mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM) beobachteter Selbstorganisationsprozess eines Fullerenadduktes auf Graphit. Diese Moleküle ordnen sich abhängig von der Konzentration der zur Deposition verwendeten Toloullösung entweder in Form von eindimensionalen Ketten oder in Form von langgezogenen grabenartigen Strukturen an. Die Strukturen lassen sich mit der Spitze des Rasterkraftmikroskops manipulieren und anschließend stattfindende eindimensionale Wachstumsprozesse konnten mit dem AFM in situ beobachtet werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die flächenselektive Anordnung kleiner, aus Toluollösungen deponierter, C60 Cluster auf einer mit lokaler anodischer Oxidation (LAO) mit dem Rasterkraftmikroskop strukturierten Silizium(111)-Oberfläche untersucht. Eine bevorzugte Ablagerung der C60 Cluster auf den nicht modifizierten Bereichen der Siliziumoberfläche wurde in Abhängigkeit der Höhe und Breite des LAO-Musters beobachtet. Als Ursache für die selektive Anordnung der Cluster wurde die Wechselwirkung des Lösungsmittels mit der Oberfläche diskutiert. Im dritten Teil dieser Arbeit wurden erstmalig Messungen zur gepulsten elektrisch detektierten magnetischen Resonanz an C60 Filmen durchgeführt. Dabei wurde bei Raumtemperatur eine, durch einen spinabhängigen Rekombinationsprozess hervorgerufene, Hauptresonanz bei einem g-Faktor von 2,0018(5) beobachtet. Dieser g-Faktor weist auf eine Beteiligung eines, in einem paramagnetischen Defektzustand wie z.B. [C120O]-, getrappten Spins hin. Die Anzahl der zum Signal beitragenden Ladungsträger wurde zu etwa 10000 abgeschätzt. Damit ist die Empfindlichkeit mit dieser Messmethode um 6 bis 7 Größenordnungen besser als mit konventioneller ESR erreichbar wäre. Es konnten Rabioszillationen gemessen werden, die das erwartete Verhalten eines S = ½ Spins widerspiegeln. Im vierten Teil der Arbeit wurde der Aufbau eines Messplatzes zur optisch detektierten magnetischen Resonanz (ODMR) an NV-Zentren in Diamant beschrieben. Die ODMR- Spektren der NV-Zentren aus verschiedenen Nanodiamanten zeichnen sich auch bei gleichen Messparametern durch eine große Breite von unterschiedlichen Fluoreszenzintensitäten, Zeeman-Aufspaltungen, Linienpositionen und Linienbreiten sowie Größen des ODMR-Effekts aus. Es wurden erste Experimente zum Nachweis dipolarer Kopplung des Elektronenspins von N@C60 an den Spin des NV-Zentrums durchgeführt.

This thesis deals with two main questions that are important for the realization of a quantum computer based on endohedral fullerenes. Firstly the possibility of generating specific arrangements of the thermolabile endohedral fullerenes N@C60 and P@C60 on surfaces was investigated. Secondly experiments aiming at the development of a single spin read-out mechanism where carried out. In the first part of this work a self-organization process of the fullerene adduct C60(biphenyl)5H on a graphite substrate was observed with the help of an atomic force microscope (AFM). These molecules posses the shape of a shuttlecock and tend to arrange in one-dimensional structures on the graphite surface. They can be manipulated with the AFM operated in contact mode. Afterwards their one dimensional growth was monitored in situ with the AFM operated in dynamic force mode. In the second part of this work the area selective arrangement of C60 clusters deposited from toluene solutions onto a textured silicon(111) surface was shown. Texturing of the silicon surface was achieved by applying the technique of local anodic anodization with an AFM. A preferred deposition of C60 clusters onto the unmodified regions of the silicon substrate was observed. The process was studied depending on the height and width of the generated LAO-structures on silicon. The role of the solvent for the area selective deposition process is discussed. In the third part of this work pulsed electrically detected magnetic resonance (EDMR) was measured on a polycrystalline C60 film for the first time. A main resonance caused by a spin dependent recombination process was observed at a g-factor of 2.0018(5). This g-factor indicates the involvement of a paramagnetic defect such as [C120O]- . Rabi oscillations typical for a S = ½ spin were observed at room temperature. The number of manipulated spins was estimated to be in the range of 10000. That means that the sensitivity of the EDMR measurements is 6 to 7 orders of magnitude higher than it can be achieved with conventional ESR In the fourth part of this work the set-up of a measuring station for optically detected magnetic resonance (ODMR) investigations on nitrogen vacancy centers (NV-centers) in diamond is described. The ODMR spectra of NV- centers in nanodiamonds measured with the same parameters show a wide range of different fluorescence intensities, Zeeman splittings, line positions, line widths and magnitudes of the ODMR-effect. First experiments to investigate the possibility of dipolar coupling of the N@C60 electron spin to the spin of the NV-center in nanodiamonds have been carried out.