[论文解读] Large room-temperature magnetoresistance in lateral organic spin valves fabricated by in-situ shadow evaporation

Martin Grunewald, Johannes Kleinlein+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2013

Organic Light-Emitting Diodes Research被引用 3

一句话总结

本研究通过在超高真空（UHV）条件下原位遮蔽蒸发，实现了通道长度小于100 nm的横向有机自旋阀，获得了50%的室温磁阻记录值。该方法在Ni/CoFe电极与n型有机半导体PTCDI-C4F7之间形成洁净、无氧的界面，磁阻来源于由铁磁突出物形成的纳米尺度隧道结，而非均匀的横向自旋输运。

ABSTRACT

We report the successful fabrication of lateral organic spin valves with a channel length in the sub $100\,nm$ regime. The fabication process is based on in-situ shadow evaporation under UHV conditions and therefore yields clean and oxygen-free interfaces between the ferromagnetic metallic electrodes and the organic semiconductor. The spin valve devices consist of Nickel and Cobalt-iron electrodes and the high mobility \emph{n}-type organic semiconductor $N,N'$-bis(heptafluorobutyl)-$3,4:9,10$-perylene diimide. Our studies comprise fundamental investigations of the process' and materials' suitability for the fabrication of lateral spin valve devices as well as magnetotransport measurements at room temperature. The best devices exhibit a magnetoresistance of up to $50\,%$, the largest value for room temperature reported so far.

研究动机与目标

• 开发一种用于制造通道长度小于100 nm且界面无污染的横向有机自旋阀的制备方法。
• 通过最小化界面氧化和污染，实现在有机自旋阀中获得大室温磁阻。
• 研究在非均匀接触几何结构的横向器件中出现异常高磁阻值的物理起源。
• 探讨铁磁电极矫顽力差异与自旋扩散长度在横向自旋输运中的作用。

提出的方法

• 在超高真空（UHV）条件下进行原位遮蔽蒸发，以防止铁磁电极的氧化和污染。
• 使用光刻与剥离工艺在SiO2/Si基底上图案化出80 nm厚的Ni条带作为第一电极。
• 以45°角度蒸发CoFe（10 nm），通过遮蔽效应形成小于100 nm的间隙，构成Ni/CoFe双层接触。
• 通过控制角度进行原位顺序蒸发n型有机半导体PTCDI-C4F7，填充间隙。
• 公式：l_channel = t_Ni × tan(Θ_evaporation)，其中t_Ni = 80 nm，Θ_evaporation = 45°，得l_channel ≈ 80 nm。
• 使用大面积遮蔽掩膜定义多个器件，无需额外光刻步骤。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超高真空条件下原位遮蔽蒸发能否实现通道长度小于100 nm且界面洁净的横向有机自旋阀？
• RQ2 为何部分器件在室温下表现出高达50%的磁阻，超过以往报道值？
• RQ3 这些器件中观察到的滞后、非对称磁阻曲线背后的物理机制是什么？
• RQ4 局部磁不均匀性（如铁磁突出物）如何影响所观测到的磁阻？

主要发现

• 最佳器件实现了50%的磁阻，为目前报道的室温有机自旋阀中最高值。
• 磁阻效应归因于一个由单个铁磁突出物形成的纳米尺度隧道结，而非均匀的横向自旋输运。
• 器件b的基线电阻约为500 GΩ，磁阻为50%，其磁阻滞后曲线表现出横向偏移，与NiO的交换偏置一致。
• 所观测到的MR行为偏离标准自旋阀模型，表明小突出物与毫米级对侧接触之间存在强烈的偶极耦合。
• 器件间电阻差异（从几GΩ到数百GΩ）与意外突出物的统计尺寸变化相关，而非均匀的通道几何结构。
• 磁输运测量受限于室温，因低温下电流低于检测限。