[論文レビュー] Room temperature current suppression on multilayer edge molecular spintronics device

Pawan Tyagi|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2011

Molecular Junctions and Nanostructures参考文献 39被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、磁気トンネル接合の露出した端縁に有機金属分子クラスターをブリッジさせることで、2 nmの絶縁性バリアを越えて、室温で最大6桁の電流抑制を実現した多層膜エッジ分子スピントロニクスデバイス（MEMSDs）を示している。この現象は、分子クラスターによって誘起される強い交換結合に起因し、磁場、温度、光によってスピン輸送を調整可能であり、抑制状態で光起電力効果が観測された。

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.

研究の動機と目的

• 室温で強い交換結合を示す分子スピントロニクスデバイスをスケーラブルに作製する手法の開発。
• エッジブリッジ型分子クラスターが磁気トンネル接合を越えるスピン輸送に与える影響の調査。
• 有機金属クラスターおよび単分子磁性体などの分子クラスターを用いたスピントロニクス機能の向上の可能性の探求。
• 分子スピントロニクスヘテロ構造において、電流抑制や光起電力効果のような新規輸送現象の実証。
• 外部刺激への応答が調整可能で測定可能な、実験的分子スピントロニクス研究のためのプラットフォームの確立。

提案手法

• 磁気トンネル接合（MTJ）の露出した端縁に有機金属分子クラスター（OMCs）を堆積させることで、多層膜エッジ分子スピントロニクスデバイス（MEMSDs）を作製した。
• 室温でのMEMSDsを介したスピン依存輸送を調査するため、トンネル磁気抵抗（TMR）測定装置を用いた。
• 電流状態を制御するため、磁場、温度変化、光照射といった外部刺激を適用した。
• 電流の低下を定量化するため、導通状態および抑制状態の両方で電流-電圧（I-V）特性を測定した。
• 電流抑制状態での開放端子電圧を測定することで、光起電力効果を特徴付けた。
• 電流抑制の大きさを特定するため、参照MTJのリーク電流と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分子クラスターは、磁気トンネル接合の絶縁性バリアを越えて、室温で強い交換結合を誘起できるか？
• RQ2 環境条件下でのMEMSDsにおける電流抑制の大きさと安定性は何か？
• RQ3 磁場、温度、光といった外部刺激が、MEMSDsの電流抑制状態に与える影響は何か？
• RQ4 電流抑制状態は光起電力効果を示すか？これは電荷分離または整流を示唆するか？
• RQ5 MEMSD構造は、単分子磁性体やポルフィリンなどの他の磁性分子へ一般化可能か？

主な発見

• MEMSDsは、参照MTJのリーク電流と比較して、最大6桁の電流抑制を示した。
• 抑制状態の電流は磁場の適用、温度変化、光照射によって逆転可能かつ調整可能であった。
• 電流抑制状態で明確な光起電力効果が観測され、照射下での電荷分離を示した。
• エッジブリッジ型有機金属クラスターが誘起する強い交換結合は、スピン輸送行動を顕著に変化させた。
• デバイス構造は、室温で再現性があり、測定可能で外部から制御可能なスピントロニクス応答を可能にした。
• 結果から、MEMSDsは論理およびメモリデバイスへの応用が期待される、分子スピントロニクスの研究に実用的であるプラットフォームであると示唆された。