[논문 리뷰] Large room-temperature magnetoresistance in lateral organic spin valves fabricated by in-situ shadow evaporation

Martin Grunewald, Johannes Kleinlein외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 10.

Organic Light-Emitting Diodes Research인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 초고진공 조건에서 실시간 그림자 증착을 통해 100 nm 이하 채널 길이를 가진 횡방향 유기 스핀 밸브를 제작하여 실온에서 기록적인 50%의 자화비저항을 달성하였다. 이 방법은 니켈/코발트iron 전극과 n형 유기 반도체 PTCDI-C4F7 사이에 청결하고 산소가 없는 인터페이스를 가능하게 하며, 자화비저항은 균일한 횡방향 스핀 운반보다는 펌프형 펌프의 나노스케일 터널링 접합에서 기인한다.

ABSTRACT

We report the successful fabrication of lateral organic spin valves with a channel length in the sub $100\,nm$ regime. The fabication process is based on in-situ shadow evaporation under UHV conditions and therefore yields clean and oxygen-free interfaces between the ferromagnetic metallic electrodes and the organic semiconductor. The spin valve devices consist of Nickel and Cobalt-iron electrodes and the high mobility \emph{n}-type organic semiconductor $N,N'$-bis(heptafluorobutyl)-$3,4:9,10$-perylene diimide. Our studies comprise fundamental investigations of the process' and materials' suitability for the fabrication of lateral spin valve devices as well as magnetotransport measurements at room temperature. The best devices exhibit a magnetoresistance of up to $50\,%$, the largest value for room temperature reported so far.

연구 동기 및 목표

• 100 nm 이하 채널 길이와 오염이 없는 인터페이스를 갖춘 횡방향 유기 스핀 밸브의 제조 방법을 개발하기 위해.
• 인터페이스 산화와 오염을 최소화하여 유기 스핀 밸브에서 큰 실온 자화비저항을 달성하기 위해.
• 비균일한 접합 기하구조를 가진 횡방향 장치에서 예상치 못하게 높은 자화비저항 값이 발생하는 원인을 조사하기 위해.
• 횡방향 스핀 운반에서 펌프형 전극의 비틀림 에너지 차이와 스핀 확산 길이의 역할을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 초고진공(UHV) 조건에서 실시간 그림자 증착을 통해 펌프형 전극의 산화와 오염을 방지하기 위해.
• 광리트로그래피와 리프오프를 이용하여 실리카/실리콘 기판 위에 니켈 스트립(80 nm 두께)을 패턴화하여 첫 번째 전극으로 사용하기 위해.
• 45° 각도로 CoFe(10 nm)를 증착하여 그림자 효과로 100 nm 이하의 간격을 형성하고 이중층 Ni/CoFe 접합을 형성하기 위해.
• 간격을 메우기 위해 제어된 각도로 실시간으로 n형 유기 반도체 PTCDI-C4F7를 증착하기 위해.
• 식: l_channel = t_Ni × tan(Θ_evaporation), 여기서 t_Ni = 80 nm 및 Θ_evaporation = 45° 이면 l_channel ≈ 80 nm가 된다.
• 추가 리트로그래피 단계 없이 다수의 장치를 정의하기 위해 대형 면적의 그림자 마스크를 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고진공 조건에서 실시간 그림자 증착이 100 nm 이하 채널 길이와 청결한 인터페이스를 갖춘 횡방향 유기 스핀 밸브를 제조할 수 있는가?
• RQ2 어떤 장치들은 실온에서 이전 보고보다 높은 50%의 자화비저항을 나타내는 이유는 무엇인가?
• RQ3 이러한 장치에서 관찰된 히스테리시스가 있고 비대칭적인 자화비저항 특성의 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 펌프형 전극의 국소적 자기 이질성, 예를 들어 펌프형 돌출부는 관측된 자화비저항에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 최고의 장치들은 실온에서 기록적인 50%의 자화비저항을 달성하였으며, 이는 현재까지 보고된 바 중에서 가장 높은 값이다.
• 자화비저항 효과는 균일한 횡방향 스핀 운반보다는 한 전극의 작은 펌프형 돌출부에 의해 형성된 나노스케일 터널링 접합에서 기인한다.
• 장치 b는 약 500 GΩ의 기준 저항과 50%의 자화비저항을 보였으며, 히스테리시스 MR 특성은 NiO에 의한 교환 편향과 일치하는 횡방향 이동을 보였다.
• 관측된 MR 거동은 표준 스핀 밸브 모델과 다름을 보이며, 작은 돌출부와 mm 크기의 대응 전극 사이의 강한 두극자 결합을 시사한다.
• 장치 간 저항 변화(수 GΩ에서 수백 GΩ)는 균일한 채널 기하구조가 아닌 우연히 생긴 돌출부의 통계적 크기 변화와 관련이 있다.
• 자기운반 측정은 저온에서 전류가 감도 이하로 떨어지기 때문에 실온에서만 수행되었다.