Spin and vibrational excitation of single metallocene molecules in the junction of a scanning tunneling microscope

par Léo Garnier

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Laurent Limot.

Soutenue le 05-02-2021

à Strasbourg , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....) , en partenariat avec Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg) (laboratoire) .

Le président du jury était Christian Mény.

Le jury était composé de Muriel Sicot, Christine Goyhenex.

Les rapporteurs étaient Jérôme Lagoute, Jörg Kröger.

mots clés

• Cobaltocène
• Nickelocène
• STM
• Spectroscopie à excitation de spin
• Vibrations moléculaires
• Effet Kondo
• Microscopie tunnel à balayage
• Spintronique
• Kondo, Effet
• Magnétisme moléculaire

Titre traduit

Excitation de spin et vibrationnelle d’une molécule unique de métallocène dans la jonction d’un microscope à effet tunnel.

Résumé

Cette thèse se focalise sur le magnétisme à l'échelle atomique grâce au microscope à effet tunnel (STM). Nous étudions des métallocènes, le nickelocène [Ni(C5H5)2], qui présente une signature spectroscopique due à son excitation de spin et le cobaltocène [Co(C5H5)2] qui possède une résonance Kondo. Ces molécules protègent les propriétés magnétiques du métal, si celui-ci est adsorbé sur la surface ou la pointe de notre STM. En plus de la signature caractéristique du nickelocène, nous sommes capables d'étudier les vibrations de ce système lorsqu'il est placé dans un réseau de molécules et en les dopants avec des atomes. Dans ce cas, nous avons pu identifier l'excitation de spin, vibrationnel, ainsi que l'excitation de spin assistée par un vibron. Il en va de même pour le cobaltocène adsorbé sur la pointe, où, certains électrons excitent l'effet Kondo et les modes de vibrations propres de la molécule. De plus, la signature magnétiques de ces molécules sur la pointe, nous permet de créer un champ d'échange avec des objets en surface, nous permettant d'utiliser ces métallocènes comme sonde magnétique et même d'obtenir des images à contraste magnétique pour le nickelocène .

mots clés

• Cobaltocene
• Nickelocene
• STM
• Spin excitation spectroscopy
• Molecular vibrations
• Kondo effect

Résumé

This thesis focus on the magnetism at the atomic scale using a scanning tunneling microscope (STM). We study metallocenes, the nickelocene [Ni(C5H5)2], which present a spectroscopic signature due its spin excitation and the cobaltocene [Co(C5H5)2] which possess a Kondo resonance. These molecules protect the magnetic properties of their metal if it is adsorbed on a surface or at the apex of our STM tip. In addition to the characteristic signature of the nickelocene, we can study the vibration of this system when placed into a layer of these molecules doped with atoms. In this case, we could identify the spin and vibrational excitations as well as the vibron-assisted spin excitation. The same applies to the cobaltocene adsorb on the STM tip, since, some inelastic electrons can excite the Kondo resonance and the vibrational modes of the molecule. Furthermore, the magnetic signature of these molecules on the tip can create an exchange field with objects on the surface, allowing us to use the metallocene as magnetic probes and even to obtain images with a magnetic contrast using the nickelocene.