[論文レビュー] Photovoltaic Effect on Molecule Coupled Ferromagnetic Films of a Magnetic Tunnel Junction

Pawan Tyagi|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2011

Molecular Junctions and Nanostructures参考文献 38被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、鉄/ニッケル膜の間に有機金属分子クラスター（OMCs）を組み込んだ磁性トンネル接合（MTJ）において、新規な光電効果を実証した。OMCsはMTJの電極をブリッジし、鉄/ニッケル膜がトンネル接合の一部である場合にのみ光電効果を示し、観察された電流抑制は3–6桁のオーダーであり、顕著な光起電力発生が確認された。これは、一般的な材料を用いたスピントロニクス光電デバイスへの新たな道筋を示唆する。

ABSTRACT

Economical solar energy conversion to electricity can be boosted by the discovery of fundamentally new photovoltaic mechanism, and a suitable system to realize it with commonly available materials like iron (Fe) and nickel (Ni). This paper reports the observation of photovoltaic effect on a molecular spintronics device, composed of magnetic tunnel junction (MTJ) and organometallic molecular clusters (OMCs). A prefabricated MTJ with exposed side edges, after enabling the bridging of OMC channels between its two ferromagnetic films, exhibited following phenomenon (i) dramatic increase in exchange coupling, (ii) 3-6 orders current suppression and (iii) photovoltaic effect. This paper focuses on the photovoltaic effect. Control experiments on isolated ferromagnetic films suggested that OMCs neither affected the magnetic properties nor produced any photovoltaic effect; photovoltaic effect was only observed on the ferromagnetic films serving as magnetic electrodes in a MTJ. Present paper invites further investigation of the similar photovoltaic effect on other combinations of MTJs and promising magnetic molecules, like single molecular magnets, organometallic clusters and porphyrins. This research can lead to mass producible and economical spin photovoltaic devices.

研究の動機と目的

• 鉄やニッケルといった一般的な材料を用いたスピントロニクスデバイスにおける根本的に新しい光電メカニズムを探索すること。
• 有機金属分子クラスター（OMCs）が磁性トンネル接合（MTJ）の電子的および光電的特性に与える影響を調査すること。
• MTJ内の鉄磁性電極に分子を結合させた場合、孤立した膜では観察されない光起電力効果が誘発されるかどうかを特定すること。
• 将来のスケーラブルで経済的なスピン光電デバイスへの統合に適した分子候補（例えば、単一分子磁性体、ポルフィリン、OMCs）を同定すること。

提案手法

• 露出した鉄磁性膜端縁を持つ事前プロセスされた磁性トンネル接合（MTJ）をベース構造として用いた。
• 有機金属分子クラスター（OMCs）をMTJの二つの鉄磁性膜間で化学的にブリッジし、分子接合を形成した。
• 光照射下での電流-電圧（I-V）特性測定を含む電気的測定により、光起電力効果を検出した。
• 光起電力応答の原因を特定するために、OMCsを含む・含まない孤立した鉄磁性膜を用いた制御実験を実施した。
• OMCsブリッジによる磁気的相互作用の変化を評価するため、交換結合定数を測定した。
• 光強度を変化させた条件下で系を特徴付け、光起電力および光電流発生の評価を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有機金属分子クラスター（OMCs）を磁性トンネル接合（MTJ）に統合することで、光起電力効果が誘発されるか？
• RQ2 光起電力効果はMTJ構造に依存するのか、それとも孤立した鉄磁性膜にOMCsを付加した場合にも発生するのか？
• RQ3 OMCsはMTJ内の交換結合およびトンネル電流にどのように影響を与えるか？
• RQ4 光起電力効果は分子ブリッジそのものに起因するのか、それとも磁性トンネル接合構造が不可欠であるのか？
• RQ5 発生する光起電力および光電流の大きさはどの程度で、従来の光電デバイスと比較してどうなるか？

主な発見

• OMCs結合MTJでは、鉄磁性膜がトンネル接合の一部である場合にのみ光起電力効果を示し、孤立した膜では観察されなかった。
• OMCsブリッジにより、トンネル電流が3〜6桁のオーダーで著しく抑制された。これは強力な電子的調制を示唆する。
• 光照射下でのI-V測定により、光起電力効果が確認され、測定可能な光起電力発生が観察された。
• 制御実験の結果、OMCs単体では孤立した鉄磁性膜で光起電力効果を発生させず、光起電力効果の発生にはMTJ構造が不可欠であることが確認された。
• OMCsブリッジにより、鉄磁性層間の交換結合が顕著に強化された。これは強力な界面電子的相互作用を示唆している。
• 結果から、光起電力効果は分子結合によって調整されるスピン依存トンネル効果に起因すると考えられ、スピントロニクス光電デバイスのための新たなメカニズムが提示された。