Thermal expansion and magnetostriction of Fe[II] spin crossover compounds

Abstract

In manchen Übergangsmetallen kann ein Wechsel des Spin-Zustandes von einem "low spin" Zustand (LS) in einen "high spin" Zustand (HS) z.B.<br />durch Variation der Temperatur oder des Magnetfeldes induziert werden.<br />Dieses Phänomen kommt häufig in Verbindung mit Hysterese vor. Der Spin Crossover Komplex [Fe(ptz)6(BF4)2] hat einen sehr scharfen Übergang bei 130K und eine ca. 10K breite Hysterese. Bei [Fe(4ditz)3(BF4)2] hingegen ist der Übergang bei 90K und eher graduell. Die Hystereseschleife ist hier sehr schmal.<br />Experimentelle Daten von detaillierten Messungen der thermischen Ausdehnung und Magnetostriktion genauso wie deren Interpretation werden für beide Komplexe präsentiert. Des Weiteren wird der Einfluss eines statischen Magnetfeldes auf den Spin Übergang experimentell behandelt.<br />Mittels zweier theoretischer Modelle, einerseits ein thermodynamischer Ansatz - basierend auf dem Konzept der Gibbs´schen Energie - und andererseits ein Ising Model, das molekulare Schwingungen beinhaltet wird der Einfluss eines externen Magnetfelds und der Kooperativität durch numerische Simulationen auch theoretisch untersucht.<br />

In some transition metal complexes a change of the electronic state from a "low spin" state (LS) to a "high spin" state (HS) can be induced e.g. by changing the temperature or the magnetic field. In general this phenomenon is accompanied by a hysteresis. The Spin Crossover complex [Fe(ptz)6(BF4)2] exhibits a very abrupt spin transition at 130K and the hysteresis cycle is about 10K.<br />[Fe(4ditz)3(BF4)2] however has a more gradual transition at 90K and a very small hysteresis curve. The experimental results gained from detailed thermal expansion investigations and magnetostriction measurements as well as their interpretation are presented for both complexes. Moreover the effect of a static magnetic field on the spin transition, namely a downward shift of the transition temperature is treated. Furthermore two theoretical approaches, a thermodynamic approach within the framework of the Gibbs free energy functional as well as an Ising like model including molecular vibrations are outlined.<br />Numerical simulations investigating the influence of the cooperativity and an external magnetic field on a spin transition are presented.