[論文レビュー] Large room-temperature magnetoresistance in lateral organic spin valves fabricated by in-situ shadow evaporation

Martin Grunewald, Johannes Kleinlein+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2013

Organic Light-Emitting Diodes Research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、超高真空（UHV）下でのイン・サイト・シャドウエバポレーションを用いて、100 nm未塔のチャネル長を有する横方向有機スピンバルブを実現し、室温で記錉の50%の磁気抵抗を達成した。この手法により、ニッケル/コバルト鉄電極とn型有機半導体PTCDI-C4F7との間でクリーンで酸素不含有の界面が形成され、磁気抵抗は均一な横方向スピン輸送ではなく、フェロ磁性プロTRUSIONによって形成されるナノスケールトンネル接合に起因する。

ABSTRACT

We report the successful fabrication of lateral organic spin valves with a channel length in the sub $100\,nm$ regime. The fabication process is based on in-situ shadow evaporation under UHV conditions and therefore yields clean and oxygen-free interfaces between the ferromagnetic metallic electrodes and the organic semiconductor. The spin valve devices consist of Nickel and Cobalt-iron electrodes and the high mobility \emph{n}-type organic semiconductor $N,N'$-bis(heptafluorobutyl)-$3,4:9,10$-perylene diimide. Our studies comprise fundamental investigations of the process' and materials' suitability for the fabrication of lateral spin valve devices as well as magnetotransport measurements at room temperature. The best devices exhibit a magnetoresistance of up to $50\,%$, the largest value for room temperature reported so far.

研究の動機と目的

• 100 nm未塔のチャネル長と汚染のない界面を有する横方向有機スピンバルブのプロセス開発を目的とする。
• 界面酸化や汚染を最小限に抑えることで、有機スピンバルブにおける大きな室温磁気抵抗を達成することを目的とする。
• 非均一な接触幾何形状を有する横方向デバイスで、予期しない高い磁気抵抗値が観測される理由を解明することを目的とする。
• フェロ磁性電極の積層エネルギー差およびスピン拡산長が横方向スピン輸送に与える影響を調査することを目的とする。

提案手法

• 超高真空（UHV）下でのイン・サイト・シャドウエバポレーションにより、フェロ磁性電極の酸化や汚染を防止する。
• 光学リソグラフィーとリフト・オフを用いて、SiO2/Si基板上にニッケルストライプ（80 nm 厚さ）をパターン形成し、最初の電極とする。
• 45°の角度でコバルト鉄（10 nm）を蒸着させ、シャドーイング効果により100 nm未塔のギャップを形成し、ニッケル/コバルト鉄のバイレイヤー電極を構築する。
• 制御された角度で、連続的なイン・サイト蒸着によりn型有機半導体PTCDI-C4F7をギャップに充填する。
• 式: l_channel = t_Ni × tan(Θ_evaporation)，ここで t_Ni = 80 nm、Θ_evaporation = 45° であるため、l_channel ≈ 80 nm が得られる。
• 大面積シャドウマスクを用いて、追加のリソグラフィー工程を経ずに複数のデバイスを定義する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UHV下でのイン・サイト・シャドウエバポレーションは、100 nm未塔のチャネル長とクリーンな界面を有する横方向有機スピンバルブを実現できるか？
• RQ2 一部のデバイスが室温で50%という高い磁気抵抗値を示すのはなぜか、過去の報告を上回る。
• RQ3 これらのデバイスで観測されたヒステリシス的かつ非対称な磁気抵抗曲線の背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ4 フェロ磁性プロTRUSIONのような局所的な磁気不均一性が、観測された磁気抵抗にどのように影響しているか？

主な発見

• 最高性能のデバイスでは、室温で50%の磁気抵抗を達成し、室温有機スピンバルブにおける報告済み最高値となった。
• 磁気抵抗効果は、均一な横方向スピン輸送ではなく、電極上に存在する小さなフェロ磁性プロTRUSIONによって形成されるナノスケールトンネル接合に起因する。
• デバイスbは、約500 GΩのベースライン抵抗と50%の磁気抵抗を示し、交換結合によるずれを示すヒステリシス的MRトレースを観測した。
• 観測されたMR挙動は、標準的なスピンバルブモデルとは乖離しており、小さなプロTRUSIONとmmサイズの反対電極との間で強い磁気的双極子結合が存在することを示唆している。
• デバイス間の抵抗変動（数GΩから数百GΩ）は、均一なチャネル幾何形状ではなく、偶然生成されたプロTRUSIONの統計的サイズ変動と相関していた。
• 磁気輸送測定は、低温で電流が検出限界以下に低下するため、室温に限定された。