[논문 리뷰] Photovoltaic Effect on Molecule Coupled Ferromagnetic Films of a Magnetic Tunnel Junction

Pawan Tyagi|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 08.

Molecular Junctions and Nanostructures참고 문헌 38인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 철/니켈 필름 사이에 유기금속 분자 클러스터(OMCs)를 포함한 자성 터널 접합(MTJ)에서 새로운 광전효과를 입증한다. OMCs는 MTJ의 전극을 다리로 연결하여, 자성 필름이 터널 접합의 일부일 때에만 광전류 반응을 유도한다. 관측된 전류 억제는 3~6개 주기이며, 광전압 생성이 뚜렷하여 일반 재료를 사용한 스핀트로닉스 광전지 장치의 새로운 길을 제시한다.

ABSTRACT

Economical solar energy conversion to electricity can be boosted by the discovery of fundamentally new photovoltaic mechanism, and a suitable system to realize it with commonly available materials like iron (Fe) and nickel (Ni). This paper reports the observation of photovoltaic effect on a molecular spintronics device, composed of magnetic tunnel junction (MTJ) and organometallic molecular clusters (OMCs). A prefabricated MTJ with exposed side edges, after enabling the bridging of OMC channels between its two ferromagnetic films, exhibited following phenomenon (i) dramatic increase in exchange coupling, (ii) 3-6 orders current suppression and (iii) photovoltaic effect. This paper focuses on the photovoltaic effect. Control experiments on isolated ferromagnetic films suggested that OMCs neither affected the magnetic properties nor produced any photovoltaic effect; photovoltaic effect was only observed on the ferromagnetic films serving as magnetic electrodes in a MTJ. Present paper invites further investigation of the similar photovoltaic effect on other combinations of MTJs and promising magnetic molecules, like single molecular magnets, organometallic clusters and porphyrins. This research can lead to mass producible and economical spin photovoltaic devices.

연구 동기 및 목표

• 철과 니켈 같은 일반 재료를 사용한 스핀트로닉스 장치에서 근본적으로 새로운 광전 메커니즘을 탐색하기 위해.
• 유기금속 분자 클러스터(OMCs)가 자성 터널 접합(MTJ)의 전자적 및 광전 성질을 어떻게 변화시키는지 조사하기 위해.
• MTJ 내에서 페로자성 전극에 분자 결합이 이루어질 경우, 고립된 필름에서는 관찰되지 않는 광전효과가 유도되는지 확인하기 위해.
• 미래의 스케일업 가능하고 경제적인 스핀 광전지 장치에 통합하기 위한 유망한 분자 후보들—예를 들어 단일 분자 자성체, 페오프린, OMCs—를 특정하기 위해.

제안 방법

• 노출된 페로자성 필름 가장자리를 갖춘 사전 제조된 자성 터널 접합(MTJ)을 기본 구조로 사용하였다.
• 유기금속 분자 클러스터(OMCs)를 MTJ의 두 페로자성 필름 사이에 화학적으로 다리로 연결하여 분자 접합을 형성하였다.
• 조명 조건 하에서의 전류-전압(I-V) 특성 측정을 포함한 전기적 측정을 수행하여 광전효과를 탐지하였다.
• 고립된 페로자성 필름에 OMCs를 도핑하거나 도핑하지 않은 제어 실험을 실시하여 광전반응의 기원을 분리하였다.
• OMC 브리징에 의한 자성 상호작용 변화 평가를 위해 교환 결합 강도를 측정하였다.
• 광전압 및 광전류 생성 평가를 위해 다양한 빛 세기에서 시스템을 특성화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유기금속 분자 클러스터(OMCs)를 자성 터널 접합(MTJ)에 통합할 경우 광전효과가 유도되는가?
• RQ2 광전효과는 MTJ 구조에 의존하는가, 아니면 고립된 페로자성 필름에 OMCs가 존재할 때도 발생하는가?
• RQ3 OMCs는 MTJ 내에서 교환 결합과 터널 전류에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 광전효과는 분자 브리지 자체에 기인하는가, 아니면 자성 터널 접합 구조가 필수적인가?
• RQ5 생성된 광전압과 광전류의 크기는 얼마이며, 기존 광전지 시스템과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?

주요 결과

• OMC 결합 MTJ는 페로자성 필름이 터널 접합의 일부일 때에만 광전효과를 나타내었으며, 고립된 필름에서는 관찰되지 않았다.
• OMC 브리징 시 터널 전류가 3~6개 주기 감소하는 현상이 관측되어 강한 전자적 조절이 일어남을 시사한다.
• 조명 조건 하에서의 I-V 측정을 통해 광전압 생성이 명백하게 확인되었으며, 광전효과가 입증되었다.
• 제어 실험 결과, 고립된 페로자성 필름에서 OMCs만으로는 광전효과를 유도하지 않아, MTJ 구조의 필수성이 확인되었다.
• OMC 브리징에 의해 페로자성 층 간의 교환 결합이 뚜렷이 향상되어 강한 표면 전자 상호작용이 발생함을 나타낸다.
• 결과적으로 광전효과는 분자 결합에 의해 조절되는 스핀 의존성 터널링에서 기인하며, 스핀트로닉스 광전지의 새로운 메커니즘을 제안한다.