Studying the structural phase transition of organic Cu(DCNQI)2 with ultrafast electron diffraction
Date
2017-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT : Organic molecular solids combine the richness of molecular and solid state physics. The
structure and properties of organic solids can be modified to a great extent—for example,
by utilising isotope effects, addition of side chains, and forming alloys—resulting in
a highly tailorable group of materials with a wide range of anisotropic electrical, magnetic
and optical properties. The radical-ion salts of copper-dicyanoquinonediimine
[Cu(DCNQI)2] are an excellent example, exhibiting high one-dimensional electrical
conductivities at room temperature and abrupt metal-insulator transitions upon cooling
of more than six orders of magnitude. The reverse insulator-metal transition can
be photoinduced using an ultrashort optical laser pulse, turning the crystal from a
plastic-like insulator to a metal-like conductor within 10−12 seconds. This phase transition
is associated with structural changes of the crystal lattice which can be observed
using ultrafast electron diffraction (UED).
This thesis describes the preparation of high quality 50 nm thick samples of monocrystalline
Cu(Me,Br-DCNQI)2 by use of an ultramicrotome, the experimental setup and
procedure, and the preliminary results of our UED experiments. The crystal lattice
dynamics associated with the insulator-metal transition are studied in two regimes:
1) just below the phase transition temperature, and 2) far below the phase transition
temperature. Time-resolved experiments allow direct observation of the structural
changes at an atomic level and on the primary timescales of lattice dynamics. This
sheds light on the driving forces behind the phase transition in different regimes, and
the coupling strengths between electronic and vibrational degrees of freedom and their
role in facilitating the insulator-metal transition.
AFRIKAANSE OPSOMMING : Die struktuur en eienskappe van organiese vaste stowwe kan tot ’n groot mate verander word, wat hoogs ’n aanpasbare groep materiale met ’n wye verskeidenheid anitroop elektriese, magnetiese en optiese eienskappe moontlik maak. Die radikale ioon soute van Cu(DCNQI)2 is ’n uitstekende voorbeeld. Hierdie sout besit ho¨e een-dimensiA˜ le elektriese geleidingsvermo¨e by kamer temperatuur en die vermo¨e om skielik om te skakel van geleier na nie-geleibare materiaal tydens die verkoeling van ongeveer ses ordes van grote. Die teenoorgestelde verandering kan deur lig ge¨ıduseer word deur middel van ultra-vinnige laser pulse, wat die sout kristal verander van ’n plastiekagtige nie-geleier na ’n metaalagtige geleier binne 10−12 sekondes. Hierdie fase verandering word g¨eassosieer met strukturuele veranderinge van die kristalrooster wat waar geneem kan word deur ultra-vinnige elektron diffraksie (UED). Hierdie teseis beskryf die voorbereiding van ho¨e kwaliteit 50 nm dikte skyfies, van mono-laag Cu(Me,Br-DCNQI)2 deur gebruik te maak van ’n ultra-mikrotoom, die eksperimentele opstelling en prosedure, en die voorlopige resultate van ons UED eksperimente. Die kristalrooster dinamika g¨eassosieer met die nie-geleier-geleier verandering word bestudeer in twee kenmerkende toestande: een, net onder die fase veranderings temperatuure, en twee, vˆer onder die fase veranderings temperatuur. Eksperimente met tyd opgeloste resolusie stel ons in staat om die stukturuele veranderinge direk waar te neem op ’n atomiese vlak en op die primˆere tydskaal van die rooster dinamika. Dit stel ons ook in staat om meer te weet van die dryfkragte agter die fase verandering in die verskillende regimes, en die koppeling tussen elektroniese en vibrasionelegrade van vryheid en hul rol in die fasilitering van die nie-geleier-geleier verandering.
AFRIKAANSE OPSOMMING : Die struktuur en eienskappe van organiese vaste stowwe kan tot ’n groot mate verander word, wat hoogs ’n aanpasbare groep materiale met ’n wye verskeidenheid anitroop elektriese, magnetiese en optiese eienskappe moontlik maak. Die radikale ioon soute van Cu(DCNQI)2 is ’n uitstekende voorbeeld. Hierdie sout besit ho¨e een-dimensiA˜ le elektriese geleidingsvermo¨e by kamer temperatuur en die vermo¨e om skielik om te skakel van geleier na nie-geleibare materiaal tydens die verkoeling van ongeveer ses ordes van grote. Die teenoorgestelde verandering kan deur lig ge¨ıduseer word deur middel van ultra-vinnige laser pulse, wat die sout kristal verander van ’n plastiekagtige nie-geleier na ’n metaalagtige geleier binne 10−12 sekondes. Hierdie fase verandering word g¨eassosieer met strukturuele veranderinge van die kristalrooster wat waar geneem kan word deur ultra-vinnige elektron diffraksie (UED). Hierdie teseis beskryf die voorbereiding van ho¨e kwaliteit 50 nm dikte skyfies, van mono-laag Cu(Me,Br-DCNQI)2 deur gebruik te maak van ’n ultra-mikrotoom, die eksperimentele opstelling en prosedure, en die voorlopige resultate van ons UED eksperimente. Die kristalrooster dinamika g¨eassosieer met die nie-geleier-geleier verandering word bestudeer in twee kenmerkende toestande: een, net onder die fase veranderings temperatuure, en twee, vˆer onder die fase veranderings temperatuur. Eksperimente met tyd opgeloste resolusie stel ons in staat om die stukturuele veranderinge direk waar te neem op ’n atomiese vlak en op die primˆere tydskaal van die rooster dinamika. Dit stel ons ook in staat om meer te weet van die dryfkragte agter die fase verandering in die verskillende regimes, en die koppeling tussen elektroniese en vibrasionelegrade van vryheid en hul rol in die fasilitering van die nie-geleier-geleier verandering.
Description
Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2017
Keywords
Molecular crystals, Metal-insulator transitions, Ultrafast Electron Diffraction (UED), Microtomes, UCTD, Crystal cutting