[論文レビュー] Negative Spin Valve effects in manganite/organic based devices

Alberto Riminucci, I. Bergenti+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2007

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、マンガン酸ストラェンチド/有機垂直ヘテロ構造において、210 K未満で反平行磁化状態の抵抗が低い負のスピンバルブ効果を示した。この効果は、Alq3の狭いLUMO準位を介した共鳴トンネル輸送に起因し、界面準位差によるフェルミ準位の整列と、マンガン酸ストラェンチド/Alq3界面におけるエネルギー準位マッチングに基づく半定量的モデルによって、強い電圧非対称性が説明される。

ABSTRACT

We report detailed investigations of hybrid organic-inorganic vertical spin valves. Spin polarized injection in tris(8-hydroxyquinoline) aluminum (Alq3) organic semiconductor (OS) was performed using La0.7Sr0.3MnO3 manganite as the bottom electrode and Co as the top electrode. While manganite was directly connected to the organic semiconductor layer, a thin tunnel barrier was placed between the OS and the Co electrode. A clear negative spin valve effect - low resistance for antiparallel electrodes configuration - was observed below 210 K in various devices using two different tunnel barriers: LiF and Al2O3. The magnetoresistance effect was found to be strongly asymmetric with respect to the bias voltage. Photoelectron Spectroscopy (PES) investigation of the interface between manganite and Alq3 revealed a strong interface dipole, which leads to a better matching of the metal Fermi level with Alq3 LUMO (1.1 eV) rather than with HOMO level (1.7 eV). This unequivocally indicates that the current in these devices is dominated by the electron channel, and not by holes as previously suggested. The knowledge of the energy diagram at the bottom interface allowed us to work out a semi- quantitative model explaining both negative spin valve effect and strong voltage asymmetry. This model involves a sharp energy selection of the moving charges by the very narrow LUMO level of the organic material leading to peculiar resonant effects.

研究の動機と目的

• ハイブリッドマンガン酸ストラェンチド/有機垂直スピンバルブにおけるスピン依存輸送を調査すること。
• 抵抗が反平行配置で低いという負のスピンバルブ効果の起源を理解すること。
• マンガン酸ストラェンチド/有機ヘテロ構造における電荷輸送が電子かホールかのどちらのチャネルが支配的であるかを明確にすること。
• 界面における電子的構造が磁気抵抗特性をどのように決定するかを特定すること。
• 観察された負のスピンバルブ効果および強い電圧非対称性を説明する半定量的モデルを構築すること。

提案手法

• 下部電極にLa0.7Sr0.3MnO3 (LSMO)、有機半導体にAlq3、上部電極にCoを用いた垂直スピンバルブデバイスを作製した。
• 注入制御および磁気抵抗測定を目的に、Co電極とAlq3の間に薄いトンネル障壁（LiFまたはAl2O3）を挿入した。
• LSMO/Alq3界面におけるエネルギー準位整列を測定するために、光電子分光法（PES）を実施した。
• 温度および印加電圧の関数として磁気抵抗を分析し、非対称性および負のスピンバルブ行動を特定した。
• LUMOエネルギー準位（1.1 eV）およびフェルミ準位の整列に基づき、共鳴電子輸送を説明する半定量的モデルを構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 210 K未満のマンガン酸ストラェンチド/有機垂直ヘテロ構造で観察される負のスピンバルブ効果の原因は何か？
• RQ2 これらのデバイスで磁気抵抗が印加電圧に対して強く非対称である理由は何か？
• RQ3 LSMO/Alq3ベースのスピンバルブにおける電荷キャリアチャネルとして、電子かホールのどちらが輸送を支配しているか？
• RQ4 LSMO/Alq3界面における界面準位差がフェルミ準位の整列および電荷注入にどのように影響するか？
• RQ5 半定量的モデルは、負のスピンバルブ効果および観察された電圧非対称性の両方を説明できるか？

主な発見

• 210 K未満で明確な負のスピンバルブ効果が観察され、反平行磁化状態で抵抗が低かった。
• 磁気抵抗効果は印加電圧に対して強く非対称であり、非対称な注入または輸送を示唆した。
• 光電子分光法により、LSMO/Alq3界面に強い界面準位差が存在し、金属のフェルミ準位がHOMO（1.7 eV）ではなくAlq3のLUMO（1.1 eV）と整列していることが判明した。
• この界面準位差は、電子輸送が支配的であることを確認しており、以前のホール主導輸送の仮説を裏付けるものではない。
• 観察された挙動は、Alq3の狭いLUMO準位を介した共鳴トンネル輸送に基づく半定量的モデルで説明された。
• このモデルは、界面における電子の鋭いエネルギー選択を通じて、負のスピンバルブ効果および強い電圧非対称性の両方を説明している。