[논문 리뷰] Room temperature current suppression on multilayer edge molecular spintronics device

Pawan Tyagi|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 28.

Molecular Junctions and Nanostructures참고 문헌 39인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 다층 가장자리 분자 스핀트로닉스 장치(MEMSDs)에서 2 nm의 절연체 터널 장벽을 통해 노출된 가장자리에 유기금속 분자 클러스터를 브리지함으로써 실온에서 최대 10^6배의 전류 억제를 구현함을 보여준다. 이 현상은 분자 클러스터에 의해 유도된 강한 스핀 교환 결합에 기인하며, 외부 자장, 온도, 빛에 의해 스핀 전송을 조절할 수 있고, 억제 상태에서 광전 효과가 관측된다.

ABSTRACT

Molecular conduction channels between two ferromagnetic electrodes can produce strong exchange coupling and dramatic effect on the spin transport, thus enabling the realization of novel logic and memory devices. However, fabrication of molecular spintronics devices is extremely challenging and inhibits the insightful experimental studies. Recently, we produced Multilayer Edge Molecular Spintronics Devices (MEMSDs) by bridging the organometallic molecular clusters (OMCs) across a ~2 nm thick insulator of a magnetic tunnel junction (MTJ), along its exposed side edges. These MEMSDs exhibited unprecedented increase in exchange coupling between ferromagnetic films and dramatic changes in the spin transport. This paper focuses on the dramatic current suppression phenomenon exhibited by MEMSDs at room temperature. In the event of current suppression, the effective MEMESDs' current reduced by as much as six orders in magnitude as compared to the leakage current level of a MTJ test bed. In the suppressed current state, MEMSD's transport could be affected by the temperature, light radiation, and magnetic field. In the suppressed current state MEMSD also showed photovoltaic effect. This study motivates the investigation of MEMSDs involving other combinations of MTJs and promising magnetic molecules like single molecular magnets and porphyrin. Observation of current suppression on similar systems will unequivocally establish the utility of MEMSD approach.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 강한 교환 결합을 가지는 분자 스핀트로닉스 장치를 규모 있게 제조하는 방법을 개발하기 위해.
• 가장자리에 브리지된 분자 클러스터가 자기터널접합을 통과하는 스핀 전송을 어떻게 변화시키는지 조사하기 위해.
• 유기금속 클러스터 및 단일 분자 자성체와 같은 분자 클러스터를 사용하여 스핀트로닉스의 功能을 향상시키는 가능성 탐색하기 위해.
• 분자 스핀트로닉스 이방성 구조에서 전류 억제 및 광전 효과와 같은 새로운 운반 현상들을 입증하기 위해.
• 외부 자극에 대한 조절 가능하고 측정 가능한 반응을 보이는 분자 스핀트로닉스 실험 플랫폼 구축하기 위해.

제안 방법

• 노출된 가장자리에 유기금속 분자 클러스터(OMCs)를 2 nm의 절연체 터널 장벽을 가진 자기터널접합(MTJ)에 증착함으로써 다층 가장자리 분자 스핀트로닉스 장치(MEMSDs)를 제작하였다.
• 실온에서 MEMSDs를 통과하는 스핀 의존 전류를 측정하기 위해 터널링 자화저항도(TMR) 측정 장치를 사용하였다.
• 전류 상태를 조절하기 위해 외부 자장, 온도 변화, 빛 조사와 같은 자극을 적용하였다.
• 전류 억제 상태와 도전 상태에서의 전류-전압(I-V) 특성을 측정하여 전류 감소 정도를 정량화하였다.
• 전류 억제 상태에서 조명 조건 하에서 개방 회로 전압을 측정함으로써 광전 효과를 특성화하였다.
• MEMSDs의 전류 억제 정도를 기준 MTJ의 泄漏 전류와 비교하여 억제 정도를 확립하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분자 클러스터가 자기터널접합의 절연체 장벽을 브리지하여 실온에서 강한 교환 결합을 유도할 수 있는가?
• RQ2 환경 조건에서 MEMSDs의 전류 억제 정도와 안정성은 어느 정도인가?
• RQ3 자기장, 온도, 빛과 같은 외부 자극이 MEMSDs의 전류 억제 상태에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 전류 억제 상태에서 광전 효과가 관측되는가? 이는 전하 분리 또는 정류를 의미하는가?
• RQ5 MEMSD의 구조는 단일 분자 자성체나 페오포린과 같은 다른 자기 분자로 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• MEMSDs는 기준 MTJ의 泄漏 전류와 비교해 최대 10^6배의 전류 억제를 보였다.
• 억제된 전류 상태는 자장, 온도 변화, 빛 조사에 의해 가역적이고 조절 가능한 것으로 나타났다.
• 전류 억제 상태에서 명확한 광전 효과가 관측되어 조명 조건 하에서 전하 분리가 일어나는 것으로 나타났다.
• 가장자리에 브리지된 유기금속 클러스터에 의해 유도된 강한 교환 결합은 스핀 전송 거동을 크게 변화시켰다.
• 장치 구조는 실온에서 재현 가능하고 측정 가능하며 외부 자극에 의해 제어 가능한 스핀트로닉스 반응을 가능하게 하였다.
• 결과적으로 MEMSDs는 논리 및 메모리 장치 등 응용 가능성이 있는 분자 스핀트로닉스 연구를 위한 실현 가능한 플랫폼임을 시사한다.