[논문 리뷰] Negative Spin Valve effects in manganite/organic based devices

Alberto Riminucci, I. Bergenti외 7명|arXiv (Cornell University)|2007. 01. 24.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 210 K 이하에서 반자성 배열일 때 저항이 낮아지는 망간산염/유기 수직 이종접합에서의 음성 스핀 밸브 효과를 보여준다. 이 효과는 Alq3의 좁은 LUMO 준위를 통한 공명 터널링에 의해 지배되는 전자 이동성에 기인하며, 표면 계면의 전기쌍극자에 의해 영향을 받는 패피 레벨 정렬과 관련된 강한 전압 비대칭성이 설명된다. 이는 망간산염/Alq3 계면에서의 에너지 준위 일치를 기반으로 한 반정량적 모델에 의해 설명된다.

ABSTRACT

We report detailed investigations of hybrid organic-inorganic vertical spin valves. Spin polarized injection in tris(8-hydroxyquinoline) aluminum (Alq3) organic semiconductor (OS) was performed using La0.7Sr0.3MnO3 manganite as the bottom electrode and Co as the top electrode. While manganite was directly connected to the organic semiconductor layer, a thin tunnel barrier was placed between the OS and the Co electrode. A clear negative spin valve effect - low resistance for antiparallel electrodes configuration - was observed below 210 K in various devices using two different tunnel barriers: LiF and Al2O3. The magnetoresistance effect was found to be strongly asymmetric with respect to the bias voltage. Photoelectron Spectroscopy (PES) investigation of the interface between manganite and Alq3 revealed a strong interface dipole, which leads to a better matching of the metal Fermi level with Alq3 LUMO (1.1 eV) rather than with HOMO level (1.7 eV). This unequivocally indicates that the current in these devices is dominated by the electron channel, and not by holes as previously suggested. The knowledge of the energy diagram at the bottom interface allowed us to work out a semi- quantitative model explaining both negative spin valve effect and strong voltage asymmetry. This model involves a sharp energy selection of the moving charges by the very narrow LUMO level of the organic material leading to peculiar resonant effects.

연구 동기 및 목표

• 하이브리드 망간산염/유기 수직 스핀 밸브에서의 스핀 의존적 전도를 조사하기 위해.
• 저항이 반자성 배열에서 낮아지는 음성 스핀 밸브 효과의 기원을 이해하기 위해.
• 망간산염/유기 이종접합에서 전하 이동이 전자 또는 정공에 의해 지배되는지 명확히 하기 위해.
• 계면 전자 구조가 자화 저항성 거동을 어떻게 결정하는지 규명하기 위해.
• 관측된 음성 스핀 밸브 효과와 강한 전압 비대칭성을 설명하는 반정량적 모델을 수립하기 위해.

제안 방법

• 하단 전극으로 La0.7Sr0.3MnO3( LSMO)를, 유기 반도체로 Alq3를, 상부 전극으로 Co를 사용한 수직 스핀 밸브 장치를 제작하였다.
• Co 전극과 Alq3 사이에 얇은 터널 장벽(LiF 또는 Al2O3)을 삽입하여 주입 조절 및 자화 저항성 측정을 수행하였다.
• LSMO/Alq3 계면에서의 에너지 준위 일치를 측정하기 위해 광전자 분광법(PES)을 수행하였다.
• 온도 및 외부 전압을 변화시키며 자화 저항성을 분석하여 비대칭성과 음성 스핀 밸브 행동을 규명하였다.
• LUMO 에너지 준위(1.1 eV)와 패피 레벨 정렬을 기반으로 공명 전자 이동성을 설명하는 반정량적 모델을 구축하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 210 K 이하에서 망간산염/유기 수직 이종접합에서 음성 스핀 밸브 효과는 무엇에 의해 발생하는가?
• RQ2 이 장치에서 자화 저항성이 왜 전압에 대해 강하게 비대칭적인가?
• RQ3 LSMO/Alq3 기반 스핀 밸브에서 전도를 지배하는 전하 운반체는 전자인지 정공인가?
• RQ4 LSMO/Alq3 접합에서의 계면 전기쌍극자는 패피 레벨 정렬과 전하 주입에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 반정량적 모델이 음성 스핀 밸브 효과와 관측된 전압 비대칭성을 동시에 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 210 K 이하에서 명확한 음성 스핀 밸브 효과가 관측되었으며, 반자성 배열일 때 저항이 낮아졌다.
• 자화 저항성 효과는 적용된 전압에 대해 강한 비대칭성을 보였으며, 이는 비대칭적인 주입 또는 전도를 시사한다.
• 광전자 분광법은 LSMO/Alq3 접합에서 강한 계면 전기쌍극자를 확인하였으며, 금속의 패피 레벨이 HOMO(1.7 eV)가 아닌 Alq3의 LUMO(1.1 eV)와 정렬됨을 확인하였다.
• 이 계면 전기쌍극자는 전자 이동이 지배적임을 확인하며, 이는 이전의 정공 지배적 전도에 대한 제안과 정면으로 배치된다.
• 관측된 거동은 Alq3의 좁은 LUMO 준위를 통한 공명 터널링에 기반한 반정량적 모델로 설명되었다.
• 이 모델은 계면에서 전자의 날카운 에너지 선택을 통해 음성 스핀 밸브 효과와 강한 전압 비대칭성을 동시에 설명한다.