[論文レビュー] Organic Spintronics

W. J. M. Naber, Sanli Faez+1 more|ArXiv.org|Mar 19, 2007

Molecular Junctions and Nanostructures被引用数 82

ひとこと要約

本稿は、カーボンナノチューブ、薄膜、自己組織配列単層膜、および単一分子を用いた有機スピントロニクスのレビューであり、フェロ磁性金属接触を備えたハイブリッドスピンバルブを用いた有機材料におけるスピン輸送に焦点を当てている。主な結果として、スピン注入および検出を示す磁気抵抗が観測されており、無機材料よりも1桁長いスピン緩和長が達成されている——これは、柔軟性があり低消費電力なスピントロニクス素子における長時間のスピンコherenceの可能性を示唆している。

ABSTRACT

In this paper we review the recent field of organic spintronics, where organic materials are applied as a medium to transport and control spin-polarized signals. The contacts for injecting and detecting spins are formed by metals, oxides, or inorganic semiconductors. First, the basic concepts of spintronics and organic electronics are addressed and phenomena which are in particular relevant for organic spintronics are highlighted. Experiments using different organic materials, including carbon nanotubes, organic thin films, self-assembled monolayers and single molecules are then reviewed. Observed magnetoresistance points toward successful spin injection and detection, but spurious magnetoresitance effects can easily be confused with spin accumulation. A few studies report long spin relaxation times and lengths, which forms a promising basis for further research. We conclude with discussing outstanding questions and problems.

研究の動機と目的

• 有機半導体を非磁性スパーサーとして用いたスピン注入、輸送、検出に焦点を当て、有機スピントロニクス分野の最新状況をレビューすること。
• スピン輸送の信頼性を確保する上で重要な課題、特に界面効果、材料欠陥、誤った磁気抵抗の要因を特定し、それらに対処すること。
• 有機材料による長時間のスピン緩和時間および長距離を実現する可能性を評価し、低消費電力で柔軟かつ非バーチャルなスピントロニクス素子の実現を検討すること。
• 特にバンド伝導とホッピング伝導の役割、および不規則な有機系におけるスピン緩和のメカニズムに関する未解決の問題を強調すること。

提案手法

• フェロ磁性金属接触（例：Co、Fe）と有機非磁性スパーサー（例：CNT、ペンタセン、SAM、グラフェン）を用いたハイブリッドスピンバルブ幾何構造を採用する。
• 磁気抵抗測定を用いてスピン蓄積を検出し、スピン緩和時間および長さを推定する。
• 距離依存のMRデータからスピン緩和長を抽出するために、修正されたJullièreモデルおよびより高度なモデル（例：JaffrèsおよびFertモデル）を適用する。
• 電子スピン共鳴（EPR）を用いて、有機材料における室温でのスピン緩和時間を測定する。
• 単一分子および自己組織配列単層膜を通したスピン輸送を分析し、トンネル効果およびポラロン的メカニズムを調査する。
• 非局所測定を用いて、接触に起因する磁気抵抗や局所的な磁性不均一性に起因する誤った信号と真のスピンバルブ信号を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のフェロ磁性金属接触を用いて、有機材料にスピン極化電流を効果的に注入および検出できるか？
• RQ2 有機半導体における主なスピン緩和メカニズムは何か。金属および無機半導体と比較してどう異なるか？
• RQ3 有機材料内の欠陥、不純物、界面デューポールが、誤った磁気抵抗効果にどの程度寄与しているか？
• RQ4 有機材料における実際のスピン緩和長は何か。ガリウムヒ overnight（GaAs）や金属系と比較してどうか？
• RQ5 輸送メカニズム（バンド伝導対ホッピング、ポラロン的）が、不規則な有機半導体におけるスピン輸送および緩和にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 有機スピンバルブにおける磁気抵抗信号は、スピン注入および検出が成功したことを示唆しているが、誤った効果が真のスピン蓄積と類似した振る舞いを示すことがある。
• 有機材料における室温でのスピン緩和時間は最大で10⁻⁵ sに達し、スピン軌道結合やハイパーファイン相互作用が弱いため、金属（約10⁻¹⁰ s）よりも著しく長い。
• 実験的に報告された最大のスピン緩和長（約6 μm）は、ガリウムヒ overnight（GaAs）の10倍以上、金属の数倍以上にのぼる。
• 有機材料内の欠陥および不純物は、磁気抵抗値の大きなばらつきを引き起こし、スピン輸送の信頼性ある定量的評価を困難にしている。
• 非局所測定は、接触効果や局所的磁性不均一性に起因するアーティファクトと真のスピンバルブ信号を区別するために不可欠である。
• 標準的なモデルでは界面効果を無視するため、正確なスピン緩和長を抽出するには、JaffrèsおよびFertのアプローチのような理論的モデルが必要である。