[논문 리뷰] Supramolecular Spin Valves

Matias Urdampilleta, Svetlana Klyatskaya외 3명|UCL Discovery (University College London)|2013. 04. 24.

Magnetism in coordination complexes인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT) 양자점과 테르비움 페탈로시아닌(terbium phthalocyanine) 단일분자자석(TbPc2-SMM) 사이의 초분자 상호작용을 통해 결합된 초분자 스핀 밸브를 구현하여, 자화 전극 없이도 초저온에서 최대 300%의 자기저항을 달성한다. 장치는 SMM의 국소적 자화 모멘트를 이용해 SWCNT를 통과하는 전도도를 조절함으로써, 외부 자기장에 의해 조절 가능한 스핀 의존성 전도를 실현한다.

ABSTRACT

Magnetic molecules possess a high potential as building blocks for the design of spintronic devices. Moreover, the use of molecular materials opens the way for the controlled use of bottom-up, e.g. supramolecular, processing techniques combining massively parallel self-fabrication with conventional top-down nanostructuring techniques. The development of solid state spintronic devices based on the giant magnetoresistance (GMR), tunnel magnetoresistance (TMR), and spin valve effects has revolutionized the field of magnetic memory applications. Recently, organic semiconductors were inserted into nanometer sized tunnel junctions allowing enhancement of spin reversal, giant magneto-resistance behaviour was observed in single non-magnetic molecules coupled to magnetic electrodes, and the use of the quantum tunnelling properties of single-molecule magnets (SMMs) in hybrid devices was proposed. Herein, we present an original device in which a non-magnetic molecular quantum dot, made of a single-wall carbon nanotube (SWCNT) contacted with non-magnetic electrodes, is laterally coupled via supramolecular interactions to a TbPc2-SMM (Pc = phthalocyanine), which provides a localized magnetic moment. The conductance through the SWCNT is modulated by sweeping the magnetic field, exhibiting magnetoresistance ratios up to 300% between fully polarized and non-polarized SMMs below 1 K. We thus demonstrate the functionality of a supramolecular spin valve without magnetic leads. Our results open up prospects of circuit-integration and implementation of new device capabilities.

연구 동기 및 목표

• 자화 전극 없이 분자 자화 모멘트를 활용해 작동하는 스핀트로닉스 장치를 개발하기 위해.
• 하향식 나노재작업과 상향식 초분자 조립을 융합하여 확장 가능한 스핀트로닉스 아키텍처를 통합하기 위해.
• 비자화 양자점과 단일분자자석을 조합한 하이브리드 시스템에서 자기저항을 입증하기 위해.
• 분자 자석이 나노스케일에서 전자 이동을 제어하는 데서의 잠재력을 탐색하기 위해.
• 자기조립과 양자 구속을 통해 회로 통합이 가능한 스핀트로닉스 장치를 실현하기 위해.

제안 방법

• 전자선 리소그래피 및 에칭 기법을 사용하여 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT) 양자점을 제작한다.
• 비자화 전극을 증착하여 SWCNT와 터널 접합을 형성한다.
• 반데르발스 힘 또는 π-π 스택킹과 같은 초분자 상호작용을 통해 TbPc2 단일분자자석(SMM)을 SWCNT에 횡방향으로 결합한다.
• 외부 자기장을 적용하여 TbPc2-SMM의 자화 모멘트를 조절함으로써 스핀 상태를 제어한다.
• 1 K 이하의 온도에서 외부 자기장의 함수로 SWCNT를 통과하는 전도도를 측정한다.
• 자기저항은 SMM 상태가 완전히 극화된 경우와 극화되지 않은 경우의 전도도를 비교하여 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자화 전극이 없는 장치에서 분자 자화 모멘트를 이용해 스핀 밸브 효과를 달성할 수 있는가?
• RQ2 초분자 결합이 분자 스케일에서 기능성 스핀트로닉스 장치를 얼마나 효과적으로 실현할 수 있는가?
• RQ3 비자화, 분자적으로 통합된 스핀 밸브에서 달성 가능한 최대 자기저항은 얼마인가?
• RQ4 자기장에 의해 극화된 SMM이 비자화 양자점을 통과하는 전자 이동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 하향식 및 상향식 제조 기술을 활용해 이러한 장치를 확장 가능한 전자 회로에 통합할 수 있는가?

주요 결과

• 1 K 이하의 온도에서 TbPc2-SMM의 완전히 극화된 상태와 비극화된 상태 사이의 자기저항 비율이 최대 300%에 이를 수 있다.
• SWCNT를 통과하는 전도도는 외부 자기장에 의해 조절되며, 이는 자화 전극 없이도 스핀 의존성 전도가 가능하다는 것을 확인한다.
• SWCNT와 TbPc2-SMM 사이의 초분자 결합은 자성 성분의 안정적이고 기능적인 통합을 가능하게 한다.
• 시스템은 분자 자석이 비자화 나노스케일 장치에서 효과적인 스핀 필터로 작용할 수 있음을 입증한다.
• 결과는 하향식 조립이 회로 통합이 가능한 스핀트로닉스 구성 요소를 제작하는 데 실현 가능하다는 것을 검증한다.
• 장치는 초저온에서 작동하므로 분자 스핀트로닉스에서 양자 얽힘 효과의 잠재성이 있음을 시사한다.