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Assembling Fe 4 single-molecule magnets on a TiO 2 monolayer

Andrea Luigi Sorrentino, Lorenzo Poggini, Giulia Serrano, Giuseppe Cucinotta, Brunetto Cortigiani, Luigi Malavolti, Francesca Parenti, Edwige Otero, Marie-Anne Arrio, Philippe Sainctavit, Andrea Caneschi, Andrea Cornia, Roberta Sessoli, Matteo Mannini

Nanoscale· Volume 16· Issue 30

Abstract

The decoration of technologically relevant surfaces, such as metal oxides, with Single-Molecule Magnets (SMMs) constitutes a persistent challenge for the integration of these molecular systems into novel technologies and, in particular, for the development of spintronic and quantum devices. We used UHV thermal sublimation to deposit tetrairon(III) propeller-shaped SMMs (Fe4) as a single layer on a TiO2 ultrathin film grown on Cu(001). The properties of the molecular deposit were studied using a multi-technique approach based on standard topographic and spectroscopic measurements, which demonstrated that molecules remain largely intact upon deposition. Ultralow temperature X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) with linearly and circularly polarized light was further employed to evaluate both the molecular organization and the magnetic properties of the Fe4 monolayer. X-ray Natural Linear Dichroism (XNLD) and X-ray Magnetic Circular Dichroism (XMCD) showed that molecules in a monolayer display a preferential orientation and an open magnetic hysteresis with pronounced quantum tunnelling steps up to 900 mK. However, unexpected extra features in the XAS and XMCD spectra disclosed a minority fraction of altered molecules, suggesting that the TiO2 film may be chemically non-innocent. The observed persistence of SMM behaviour on a metal oxide thin film opens new possibilities for the development of SMM-based hybrid systems.
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Research context

OpenAlex topics: Magnetism in coordination complexes · Porphyrin and Phthalocyanine Chemistry · Magnetic properties of thin films

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Department of Industrial Engineering - DIEF - and INSTM Research Unit, University of Florence, Via Santa Marta 3, 50139 Florence, Italy

Department of Chemistry “U. Schiff” - DICUS - and INSTM Research Unit, University of Florence, Via della Lastruccia 3-13, 50019 Sesto Fiorentino, FI, Italy

Institute for Chemistry of Organo-Metallic Compounds (ICCOM-CNR), Via Madonna del Piano, 50019 Sesto Fiorentino, FI, Italy

Max Planck Institute for Solid State Research, Heisenbergstr. 1, 70569 Stuttgart, Germany

Department of Chemical and Geological Sciences and INSTM Research Unit, University of Modena and Reggio Emilia, Via G. Campi 103, 41125 Modena, Italy

Synchrotron-SOLEIL, L'Orme des Merisiers, 91192 Saint-Aubin, France

CNRS UMR7590, Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie (IMPMC), Sorbonne Université/MNHN, 4 place Jussieu, 75252 Paris Cedex 5, France

Funding

Ente Cassa di Risparmio di Firenze · Ministero dell'Università e della Ricerca · Agence Nationale de la Recherche

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