[論文レビュー] Supramolecular Spin Valves

Matias Urdampilleta, Svetlana Klyatskaya+3 more|UCL Discovery (University College London)|Apr 24, 2013

Magnetism in coordination complexes被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）量子ドットをサブラティスム分子相互作用によりイテルビウムフタロシアニン単分子磁石（TbPc2-SMM）と結合させたサブラティスムスピンバルブを実証した。1 K未塔の超低温下で磁性電極を用いずに最大300%の磁気抵抗を達成した。このデバイスは、SMMの局在磁気モーメントを介してSWCNT内の伝導度を制御し、外部磁場で調整可能なスピン依存輸送を実現した。

ABSTRACT

Magnetic molecules possess a high potential as building blocks for the design of spintronic devices. Moreover, the use of molecular materials opens the way for the controlled use of bottom-up, e.g. supramolecular, processing techniques combining massively parallel self-fabrication with conventional top-down nanostructuring techniques. The development of solid state spintronic devices based on the giant magnetoresistance (GMR), tunnel magnetoresistance (TMR), and spin valve effects has revolutionized the field of magnetic memory applications. Recently, organic semiconductors were inserted into nanometer sized tunnel junctions allowing enhancement of spin reversal, giant magneto-resistance behaviour was observed in single non-magnetic molecules coupled to magnetic electrodes, and the use of the quantum tunnelling properties of single-molecule magnets (SMMs) in hybrid devices was proposed. Herein, we present an original device in which a non-magnetic molecular quantum dot, made of a single-wall carbon nanotube (SWCNT) contacted with non-magnetic electrodes, is laterally coupled via supramolecular interactions to a TbPc2-SMM (Pc = phthalocyanine), which provides a localized magnetic moment. The conductance through the SWCNT is modulated by sweeping the magnetic field, exhibiting magnetoresistance ratios up to 300% between fully polarized and non-polarized SMMs below 1 K. We thus demonstrate the functionality of a supramolecular spin valve without magnetic leads. Our results open up prospects of circuit-integration and implementation of new device capabilities.

研究の動機と目的

• 磁性電極を用いずに分子磁気モーメントを活用することで、スピントロニクス素子を構築すること。
• ボトムアップ的サブラティスムアセンブリとトップダウン的ナノフォトーリソグラフィーを統合し、スケーラブルなスピントロニクス構造を実現すること。
• 非磁性量子ドットと単分子磁石を組み合わせたハイブリッド系における磁気抵抗を実証すること。
• 分子磁石がナノスケールでの電子輸送を制御する可能性を検討すること。
• 自己集合と量子閉じ込め効果を活用して、回路統合可能なスピントロニクス素子を実現すること。

提案手法

• 電子ビームリソグラフィーとエッチング技術を用いて単層カーボンナノチューブ（SWCNT）量子ドットを形成した。
• 非磁性電極を蒸着してSWCNTとのトンネル接合を形成した。
• ファンデルワールス力やπ-πスターリングなどのサブラティスム相互作用を介して、TbPc2単分子磁石（SMM）をSWCNTに横方向に結合させた。
• 外部磁場を印加することでTbPc2-SMMの磁気モーメントを調整し、スピン状態を制御した。
• 1 K未塔の温度で、磁場の関数としてSWCNTを通過する伝導度を測定した。
• SMMの完全に偏極した状態と非偏極状態における伝導度を比較することで、磁気抵抗を定量した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分子磁気モーメントを用いることで、磁性電極を用いずにスピンバルブ効果を達成できるか？
• RQ2 どの程度サブラティスム結合が分子スケールでの機能的スピントロニクス素子を可能にするか？
• RQ3 非磁性で分子的に統合されたスピンバルブで達成可能な最大磁気抵抗はどの程度か？
• RQ4 外部磁場によって誘起されるSMMの偏極が、非磁性量子ドット内を通過する電子輸送にどのように影響するか？
• RQ5 このようなデバイスは、ボトムアップ的およびトップダウン的プロセスを組み合わせたプロセスでスケーラブルな電子回路に統合可能か？

主な発見

• 1 K未塔の温度で、TbPc2-SMMの完全に偏極した状態と非偏極状態の間で、最大300%の磁気抵抗比を示した。
• SWCNT内を通過する伝導度が磁場によって変化し、磁性電極を用いずにスピン依存輸送が確認された。
• SWCNTとTbPc2-SMM間のサブラティスム結合により、磁性部品の安定的で機能的な統合が実現した。
• この系は、分子磁石が非磁性ナノスケールデバイスにおける効果的なスピンフィルターとして機能できることを示した。
• 結果から、回路統合可能なスピントロニクス部品のボトムアップ的アセンブリの実現可能性が裏付けられた。
• デバイスは超低温で動作しており、分子スピントロニクスにおける量子コherー二ティ効果の可能性を示唆している。