Organic free radicals for molecular electronics and spintronics

Abstract

La presente tesis doctoral se centra en el campo de la electrónica molecular, en particular se ocupa del desarrollo de nuevos dispositivos moleculares y del estudio de los fenómenos de transferencias electrónica asociados a ellos. Las propiedad de los policloro trifenilmetil radicales (PTM) han sido utilizadas en este trabajo para investigar los diferentes mecanismos de transferencia de carga asociados a varios sistemas en los cuales los PTM están involucrados. En la primera parte de la tesis se ha descrito el estudio de los procesos de transferencia de carga a través de dos diferentes familias de hilos moleculares, una de vinilo tiofene y la otra de oligo-p-fenilenos vinilenos fusionado conectados a dos moléculas de PTM las cuales actúan como dadores y aceptores de electrones en sistemas de valencia mixta D-B-A. Estos sistemas han sido completamente caracterizados por diferentes técnicas espectroscópicas en sus diferentes estados de oxidación: neutro, de valencia mixta y oxidada. Además, los mecanismos para la transferencia electrónica intermolecular a través de estos hilos moleculares han sido elucidados. En la segunda parte de la tesis ha sido reportada la síntesis de una familia de derivados de PTM con grupos tiol conectados al PTM a través de un cadena alquílica de diferentes longitudes, capaces de formar monocapas auotensambladas (SAM) sobre substratos de oro. Asimismo, se ha estudiado los mecanismos de transferencia electrónica a través de las SAMs de PTM en sus diferentes estados de oxidación, contactadas estas por el electrodo de eutéctico galio-indio y por el microscopio de efecto túnel. Para finalizar, en la última parte de la tesis, se ha reportado el estudio de las propiedades magnéticas y eléctricas de dos derivados de PTM en break-juction unimoleculares de oro y HOPG. Interesante fue el hecho de que en las break-juction unimoleculares de oro, se detectó un pico Kondo lo que indica que el momento magnético del radical PTM interactúa con los electrones de conducción.

The present Doctoral Thesis is framed in the field of molecular electronics, specifically is focused on the development of new molecular electronic devices and on the study of the electron transfer phenomena associated to them. We exploit the properties of polychloro thriphenylmethyl radical (PTM) molecules to explore the charge transfer mechanisms involved in many different systems containing PTM derivatives. In the first part of the Thesis, we have described the study of the charge transfer process through two different families of molecular wires, oligo vinylene-thiophne (nTV) and fused oligo-p-phenylene vinylene (nCOPV), connecting two PTM moieties acting as electron donor/acceptor in mixed valence systems D-B-A. These systems were fully characterized by different spectroscopic techniques in their neutral, mixed valence and oxidized states. The mechanism for the intramolecular charge transfer through these wires was elucidated. In the second part of Thesis we have reported the synthesis of a family of PTM derivatives containing a thiol terminal group connected to the PTM through an alkyl chain with different length, able to form self-assembled monolayers (SAM) on gold substrates. We have studied the charge transport mechanisms through PTM SAMs contacted by eutectic gallium-indium electrode and scanning tunneling microcopy, in their different redox states. Finally, in last part of the thesis we have reported the study of the electric and magnetic properties of two PTM derivatives in gold and HOPG single molecule break-junctions. On gold PTM break-junctions, a Kondo peak was detected indicating that the localized magnetic moment of PTM radical interacts with conducting electrons.