[論文レビュー] Weak localization and antilocalization in semiconducting polymer sandwich devices

Ömer Mermer, M. Wohlgenannt+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2003

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ひとこと要約

本研究は、室温下における半導体ポリマー・サンドイッチデバイスにおける弱局在化および反局在化の初回観測を報告しており、高品質なポリフリルレン薄膜においても量子干渉効果が維持されることを示している。負の（弱局在化）および正の（反局在化）磁気抵抗の間の遷移は、印加電圧によって駆動されており、スピン-軌道結合が電場によって調整可能であることを示しており、300 Kでも150 nmを超える位相破壊長が得られている。

ABSTRACT

We have performed magnetoresistance measurements on polyfluorene sandwich devices in weak magnetic fields as a function of applied voltage, device temperature (10K to 300K), film thickness and electrode materials. We observed either negative or positive magnetoresistance, dependent mostly on the applied voltage, with a typical magnitude of several percent. The shape of the magnetoresistance curve is characteristic of weak localization and antilocalization. Using weak localization theory, we find that the phase-breaking length is relatively large even at room temperature, and spin-orbit interaction is a function of the applied electric field.

研究の動機と目的

• 高品質な半導体ポリマー・サンドイッチデバイスを用いた電荷輸送における量子干渉効果を調査すること。
• 通常は低温に限定される弱局在化および反局在化が、室温下の共鳴性ポリマーで観測されるかどうかを特定すること。
• 印加電圧が有機半導体におけるスピン-軌道結合および量子コherenecyに与える影響を調査すること。
• 弱局在化理論を用いて、磁気抵抗曲線の形状および磁場依存性から位相破壊長（lφ）およびスピン-軌道相互作用強度を抽出すること。
• ポリフリルレンベースのデバイスが将来の有機スピントロニクスおよび量子情報技術への応用において果たす可能性を評価すること。

提案手法

• 磁気抵抗測定は、温度範囲（10–300 K）、印加電圧、膜厚、電極材料を変化させたポリフリルレン（PFO）サンドイッチデバイスを対象として実施された。
• デバイスは、トルエン溶液からスピンコーティングによりPFOを形成し、窒素大気中で上部電極（Al、Ca、Au）および下部電極（ITO、Au）を蒸着法で形成した。
• 磁場範囲は-100 mT から +100 mT であり、冷温装置およびデジタルテスラメータを用いて測定され、電流は一定電圧で測定された。
• 理論的分析では、弱局在化理論を用いて、磁気抵抗曲線の形状および磁場依存性から位相破壊長（lφ）およびスピン-軌道相互作用強度を抽出した。
• 弱局在化および反局在化挙動をモデル化するために、Hikami-Larkin-Nagaoka方程式にデータをフィッティングした。
• 電流-電圧特性を測定し、デバイス抵抗と量子干渉効果の大きさとの相関を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通常の無機系システムとは対照的に、室温下の半導体ポリマー・デバイスで弱局在化および反局在化効果が観測可能かどうか。
• RQ2 印加電圧がポリフリルレンベースのデバイスにおける弱局在化と反局在化の間の遷移にどのように影響を与えるか。
• RQ3 高品質なPFO薄膜における位相破壊長およびスピン-軌道結合の温度依存性は何か。
• RQ4 電極材料および膜厚が、これらのデバイスにおける観測された量子干渉効果にどの程度影響を与えるか。
• RQ5 強い電場下でも、弱局在化理論によって観測された磁気抵抗挙動が定量的に説明可能かどうか。

主な発見

• 弱局在化および反局在化効果が、300 Kまで達する温度でポリフリルレンサンドイッチデバイスで観測され、磁気抵抗の大きさは強く、量子干渉の特徴的形状を示した。
• 位相破壊長（lφ）は10 Kで約400 nmであり、300 Kでは約150 nmに減少した。これは室温下でも長い量子コherenecy時間を示しており、室温下でも長距離の量子干渉が可能であることを示している。
• 印加電圧の増加に伴い、負の磁気抵抗（弱局在化）から正の磁気抵抗（反局在化）への明確な遷移が観測された。これは、電場がスピン-軌道結合の強度を調整可能であることを示している。
• 磁気抵抗効果の大きさはデバイス抵抗に比例し（つまり、低い電圧で）、弱局在化の理論的予測と整合的であった。
• 磁気抵抗コーンの温度依存性は予想に反って弱く、拡散定数と位相破壊時間の競合する温度依存性が部分的に相殺されている可能性を示唆している。
• 結果から、高品質なポリマー薄膜では量子コherenecyが多数の遷移を越えて維持されており、室温下でも位相コherenecy長が150 nmを超えることが示された。これは、不規則な有機半導体における局在化に関する従来の仮定に挑戦するものである。