Synthese und magnetische Eigenschaften von Dysprosium-Nitrid-Clusterfullerenen

Der Fokus dieser Dissertation liegt auf den gemischt-metallischen Dysprosium-Nitrid-Clusterfullerenen. Durch die Inklusion von bis zu drei Lanthanoiden mit unvollständig gefüllten 4f-Orbitalen weisen diese Clusterfullerene eine Vielzahl interessanter magnetischer Eigenschaften auf. Die magnetische Charakterisierung der Nitrid-Clusterfullerene DyxSc3-xN@C80-Ih (x = 1 - 3) zeigte bereits 2014 den Einfluss der Stöchiometrie auf das magnetische Verhalten und stufte diese Verbindungen als Einzelmolekülmagnete ein. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Zusammenspiel zwischen den strukturellen Eigenschaften und dem magnetischen Verhalten der Clusterfullerene untersucht. Der Fokus lag auf der Synthese und der magnetischen Charakterisierung von Clusterfullerenen mit unterschiedlicher Kohlenstoffkäfiggröße bzw. -isomerie, unterschiedlicher Clusterzusammensetzung bzw. Cluster-bildender Metalle und dem Einfluss des nichtmetallischen Zentralatoms des Clusters. Die Dysprosium-Nitrid-Clusterfullerene wurden über ein modifiziertes Krätschmer-Huffman-Verfahren und unter Verwendung der trimetallischen Nitridtemplatmethode synthetisiert und anschließend mittels HPLC fraktioniert und massenspektrometrisch analysiert. Die magnetische Charakterisierung der Clusterfullerene gelang mittels DC-SQUID-Magnetometrie. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Fullerene konnten als Einzelmolekülmagnete identifiziert werden. Das magnetische Verhalten der Nitrid-Clusterfullerene wird hauptsächlich durch den Cluster M3N und weniger durch den diamagnetischen Kohlenstoffkäfig bestimmt. Jedoch wurde für DySc2N@C80-D5h und Dy2ScN@C80-D5h eine verringerte Lebensdauer der Magnetisierung im Vergleich zu ihren Analoga mit Ih-Kohlenstoffkäfigsymmetrie beobachtet. Stärkeren Einfluss hat die Kohlenstoffkäfiggröße. Für DySc2N@C68, Dy2ScN@C84 und Dy2ScN@C88 wurde eine deutliche Abnahme der Remanenz, der Blocktemperaturen und der Relaxationzeiten festgestellt. Als Ursache werden die veränderten Dy-N-Bindungslängen diskutiert. Die Clusterfullerene Dy2MN@C80-Ih und DyM2N@C80-Ih (M = Gd, Er, Lu) enthalten neben Dysprosium ein weiteres Lanthanoid im Cluster. Das zweite Lanthanoid M ruft eine erhebliche Änderungen der magnetischen Eigenschaften hervor. Die paramagnetischen Metalle Gd und Er wirken sich stark negativ auf die magnetische Remanenz aus. Für Dy2LuN@C80-Ih und DyLu2N@C80-Ih wurde ein ähnliches magnetisches Verhalten wie für DyxSc3-xN@C80-Ih (x = 1, 2) verzeichnet. Durch die Verdünnung des Fullerens DyLu2N@C80-Ih mit der diamagnetischen Verbindung Lu3N@C80-Ih wurde zusätzlich eine Erhöhung der Hysterese der Magnetisierung im untersuchten Temperaturbereich registriert. Der Einfluss der nichtmetallischen Clusterspezies auf die magnetischen Eigenschaften wurde anhand der Carbid-Clusterfullerene Dy2TiC@C80-Ih, -D5h und Dy2TiC2@C80-Ih untersucht. Obwohl die Fullerene Dy2TiC@C80-Ih bzw. -D5h sich nur durch die isoelektronische Ti-C-Clustereinheit von den Nitrid-Clusterfullerenen unterscheiden, ist deren Remanenz nur halb so groß. Ein weiteres Kohlenstoffatom im Cluster, wie in Dy2TiC2@C80-Ih, ruft eine weitere Abnahme der Hysterese der Magnetisierung hervor. Die veränderte Bindungssituation der Carbid-Cluster wird als Ursache für das beobachtete magnetische Verhalten herangezogen

Nanoscale X-ray investigation of magnetic metallofullerene peapods

Endohedral lanthanide ions packed inside carbon nanotubes (CNTs) in a one-dimensional assembly have been studied with a combination of high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), scanning transmission X-ray microscopy (STXM), and X-ray magnetic circular dichroism (XMCD). By correlating HRTEM and STXM images we show that structures down to 30 nm are resolved with chemical contrast and record X-ray absorption spectra from endohedral lanthanide ions embedded in individual nanoscale CNT bundles. XMCD measurements of an Er$_3$N@C$_{80}$ bulk sample and a macroscopic assembly of filled CNTs indicates that the magnetic properties of the endohedral Er3+ ions are unchanged when encapsulated in CNTs. This study demonstrates the feasibility of local magnetic X-ray characterization of low concentrations of lanthanide ions embedded in molecular nanostructures

Single-Molecule Magnets DyM2N@C80 and Dy2MN@C80 (M=Sc, Lu): The Impact of Diamagnetic Metals on Dy3+ Magnetic Anisotropy, Dy⋅⋅⋅Dy Coupling, and Mixing of Molecular and Lattice Vibrations

The substitution of scandium in fullerene single-molecule magnets (SMMs) DySc2N@C80 and Dy2ScN@C80 by lutetium has been studied to explore the influence of the diamagnetic metal on the SMM performance of dysprosium nitride clusterfullerenes. The use of lutetium led to an improved SMM performance of DyLu2N@C80, which shows a higher blocking temperature of magnetization (TB=9.5 K), longer relaxation times, and broader hysteresis than DySc2N@C80 (TB=6.9 K). At the same time, Dy2LuN@C80 was found to have a similar blocking temperature of magnetization to Dy2ScN@C80 (TB=8 K), but substantially different interactions between the magnetic moments of the dysprosium ions in the Dy2MN clusters. Surprisingly, although the intramolecular dipolar interactions in Dy2LuN@C80 and Dy2ScN@C80 are of similar strength, the exchange interactions in Dy2LuN@C80 are close to zero. Analysis of the low-frequency molecular and lattice vibrations showed strong mixing of the lattice modes and endohedral cluster librations in k-space. This mixing simplifies the spin–lattice relaxation by conserving the momentum during the spin flip and helping to distribute the moment and energy further into the lattice. © 2019 The Authors. Published by Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

Synthese und magnetische Eigenschaften von Dysprosium-Nitrid-Clusterfullerenen

Der Fokus dieser Dissertation liegt auf den gemischt-metallischen Dysprosium-Nitrid-Clusterfullerenen. Durch die Inklusion von bis zu drei Lanthanoiden mit unvollständig gefüllten 4f-Orbitalen weisen diese Clusterfullerene eine Vielzahl interessanter magnetischer Eigenschaften auf. Die magnetische Charakterisierung der Nitrid-Clusterfullerene DyxSc3-xN@C80-Ih (x = 1 - 3) zeigte bereits 2014 den Einfluss der Stöchiometrie auf das magnetische Verhalten und stufte diese Verbindungen als Einzelmolekülmagnete ein. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Zusammenspiel zwischen den strukturellen Eigenschaften und dem magnetischen Verhalten der Clusterfullerene untersucht. Der Fokus lag auf der Synthese und der magnetischen Charakterisierung von Clusterfullerenen mit unterschiedlicher Kohlenstoffkäfiggröße bzw. -isomerie, unterschiedlicher Clusterzusammensetzung bzw. Cluster-bildender Metalle und dem Einfluss des nichtmetallischen Zentralatoms des Clusters. Die Dysprosium-Nitrid-Clusterfullerene wurden über ein modifiziertes Krätschmer-Huffman-Verfahren und unter Verwendung der trimetallischen Nitridtemplatmethode synthetisiert und anschließend mittels HPLC fraktioniert und massenspektrometrisch analysiert. Die magnetische Charakterisierung der Clusterfullerene gelang mittels DC-SQUID-Magnetometrie. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Fullerene konnten als Einzelmolekülmagnete identifiziert werden. Das magnetische Verhalten der Nitrid-Clusterfullerene wird hauptsächlich durch den Cluster M3N und weniger durch den diamagnetischen Kohlenstoffkäfig bestimmt. Jedoch wurde für DySc2N@C80-D5h und Dy2ScN@C80-D5h eine verringerte Lebensdauer der Magnetisierung im Vergleich zu ihren Analoga mit Ih-Kohlenstoffkäfigsymmetrie beobachtet. Stärkeren Einfluss hat die Kohlenstoffkäfiggröße. Für DySc2N@C68, Dy2ScN@C84 und Dy2ScN@C88 wurde eine deutliche Abnahme der Remanenz, der Blocktemperaturen und der Relaxationzeiten festgestellt. Als Ursache werden die veränderten Dy-N-Bindungslängen diskutiert. Die Clusterfullerene Dy2MN@C80-Ih und DyM2N@C80-Ih (M = Gd, Er, Lu) enthalten neben Dysprosium ein weiteres Lanthanoid im Cluster. Das zweite Lanthanoid M ruft eine erhebliche Änderungen der magnetischen Eigenschaften hervor. Die paramagnetischen Metalle Gd und Er wirken sich stark negativ auf die magnetische Remanenz aus. Für Dy2LuN@C80-Ih und DyLu2N@C80-Ih wurde ein ähnliches magnetisches Verhalten wie für DyxSc3-xN@C80-Ih (x = 1, 2) verzeichnet. Durch die Verdünnung des Fullerens DyLu2N@C80-Ih mit der diamagnetischen Verbindung Lu3N@C80-Ih wurde zusätzlich eine Erhöhung der Hysterese der Magnetisierung im untersuchten Temperaturbereich registriert. Der Einfluss der nichtmetallischen Clusterspezies auf die magnetischen Eigenschaften wurde anhand der Carbid-Clusterfullerene Dy2TiC@C80-Ih, -D5h und Dy2TiC2@C80-Ih untersucht. Obwohl die Fullerene Dy2TiC@C80-Ih bzw. -D5h sich nur durch die isoelektronische Ti-C-Clustereinheit von den Nitrid-Clusterfullerenen unterscheiden, ist deren Remanenz nur halb so groß. Ein weiteres Kohlenstoffatom im Cluster, wie in Dy2TiC2@C80-Ih, ruft eine weitere Abnahme der Hysterese der Magnetisierung hervor. Die veränderte Bindungssituation der Carbid-Cluster wird als Ursache für das beobachtete magnetische Verhalten herangezogen

Single‐Molecule Magnets DyM2N@C80 and Dy2MN@C80 (M=Sc, Lu): The Impact of Diamagnetic Metals on Dy3+ Magnetic Anisotropy, Dy⋅⋅⋅Dy Coupling, and Mixing of Molecular and Lattice Vibrations

The substitution of scandium in fullerene single‐molecule magnets (SMMs) DySc2N@C80 and Dy2ScN@C80 by lutetium has been studied to explore the influence of the diamagnetic metal on the SMM performance of dysprosium nitride clusterfullerenes. The use of lutetium led to an improved SMM performance of DyLu2N@C80, which shows a higher blocking temperature of magnetization (TB=9.5 K), longer relaxation times, and broader hysteresis than DySc2N@C80 (TB=6.9 K). At the same time, Dy2LuN@C80 was found to have a similar blocking temperature of magnetization to Dy2ScN@C80 (TB=8 K), but substantially different interactions between the magnetic moments of the dysprosium ions in the Dy2MN clusters. Surprisingly, although the intramolecular dipolar interactions in Dy2LuN@C80 and Dy2ScN@C80 are of similar strength, the exchange interactions in Dy2LuN@C80 are close to zero. Analysis of the low‐frequency molecular and lattice vibrations showed strong mixing of the lattice modes and endohedral cluster librations in k‐space. This mixing simplifies the spin–lattice relaxation by conserving the momentum during the spin flip and helping to distribute the moment and energy further into the lattice

Precise measurement of angles between two magnetic moments and their configurational stability in single-molecule magnets

A key parameter for the low-temperature magnetic coupling of in dinuclear lanthanide single-molecule magnets (SMMs) is the barrier UFA resulting from the exchange and dipole interactions between the two 4f moments. Here we extend the pseudospin model previously used to describe the ground state of dinuclear endofullerenes to account for variations in the orientation of the single-ion anisotropy axes and apply it to the two SMMs Dy2ScN@C80 and Dy2TiC@C80. While x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) indicates the same Jz=15/2 Dy ground state in both molecules, the Dy-Dy coupling strength and the stability of magnetization is distinct. We demonstrate that both the magnitude of the barrier UFA and the angle between the two 4f moments are determined directly from precise temperature-dependent magnetization data to an accuracy better than 1∘. The experimentally found angles between the 4f moments are in excellent agreement with calculated angles between the quantization axes of the two Dy ions. Theory indicates a larger deviation of the orientation of the Dy magnetic moments from the Dy bond axes to the central ion in Dy2TiC@C80. This may explain the lower stability of the magnetization in Dy2TiC@C80, although it exhibits a ∼49% stronger exchange coupling than in Dy2ScN@C80

Single-Molecule Magnets DyM2N@C80and Dy2MN@C80(M=Sc, Lu): The Impact of Diamagnetic Metals on Dy3++Magnetic Anisotropy, Dy···Dy Coupling, and Mixing of Molecular and Lattice Vibrations

The substitution of scandium in fullerene single‐molecule magnets (SMMs) DySc2N@C80 and Dy2ScN@C80 by lutetium has been studied to explore the influence of the diamagnetic metal on the SMM performance of dysprosium nitride clusterfullerenes. The use of lutetium led to an improved SMM performance of DyLu2N@C80, which shows a higher blocking temperature of magnetization (TB=9.5 K), longer relaxation times, and broader hysteresis than DySc2N@C80 (TB=6.9 K). At the same time, Dy2LuN@C80 was found to have a similar blocking temperature of magnetization to Dy2ScN@C80 (TB=8 K), but substantially different interactions between the magnetic moments of the dysprosium ions in the Dy2MN clusters. Surprisingly, although the intramolecular dipolar interactions in Dy2LuN@C80 and Dy2ScN@C80 are of similar strength, the exchange interactions in Dy2LuN@C80 are close to zero. Analysis of the low‐frequency molecular and lattice vibrations showed strong mixing of the lattice modes and endohedral cluster librations in k‐space. This mixing simplifies the spin–lattice relaxation by conserving the momentum during the spin flip and helping to distribute the moment and energy further into the lattice

Partial magnetic ordering in one-dimensional arrays of endofullerene single-molecule magnet peapods

The magnetic ordering and bistability of one-dimensional chains of endofullerene Dy2ScN@C80 single-molecule magnets (SMMs) packed inside single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) have been studied using high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), X-ray magnetic circular dichroism (XMCD), and ab initio calculations. X-ray absorption measurements reveal that the orientation of the encapsulated endofullerenes differs from the isotropic distribution in the bulk sample, indicating a partial ordering of the endofullerenes inside the SWCNTs. The effect of the one-dimensional packing was further investigated by ab initio calculations, demonstrating that for specific tube diameters, the encapsulation is leading to energetically preferential orientations of the endohedral clusters. Additionally, element-specific magnetization curves reveal a decreased magnetic bistability of the encapsulated Dy2ScN@C80 SMMs compared to the bulk analog

Gadolinium as an accelerator for reaching thermal equilibrium and its influence on the ground state of Dy2GdN@ C80 single-molecule magnets

Endohedral fullerenes are perfect nanolaboratories for the study of magnetism. The substitution of a diamagnetic scandium atom in Dy2ScN@C80 with gadolinium decreases the stability of a given magnetization and demonstrates Gd to act as a single atom catalyst that accelerates the reaching of thermal equilibrium. X-ray magnetic circular dichroism at the M4,5 edges of Gd and Dy shows that Gd affects the ground state. The Gd magnetic moment follows the sum of the external and the dipolar magnetic field of the two Dy ions and compared to Dy2ScN@C80 a lower exchange barrier is found between the ferromagnetic and the antiferromagnetic Dy configuration. The Arrhenius equilibration barrier as obtained from superconducting quantum interference device magnetometry is more than one order of magnitude larger, though a much smaller prefactor imposes the faster equilibration in Dy2GdN@C80. This sheds light on the importance of angular momentum balance and symmetry in magnetic relaxation