[论文解读] Negative Spin Valve effects in manganite/organic based devices

Alberto Riminucci, I. Bergenti+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2007

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 3

一句话总结

本研究在钙钛矿氧化物/有机垂直异质结中展示了负自旋阀效应，即在210 K以下时，反平行磁性构型下的电阻更低。该效应源于通过Alq3的窄LUMO能级发生主导的共振隧穿电子输运，强电压不对称性由界面偶极子引起的费米能级对齐所解释，并基于钙钛矿氧化物/Alq3界面处能级匹配的半定量模型。

ABSTRACT

We report detailed investigations of hybrid organic-inorganic vertical spin valves. Spin polarized injection in tris(8-hydroxyquinoline) aluminum (Alq3) organic semiconductor (OS) was performed using La0.7Sr0.3MnO3 manganite as the bottom electrode and Co as the top electrode. While manganite was directly connected to the organic semiconductor layer, a thin tunnel barrier was placed between the OS and the Co electrode. A clear negative spin valve effect - low resistance for antiparallel electrodes configuration - was observed below 210 K in various devices using two different tunnel barriers: LiF and Al2O3. The magnetoresistance effect was found to be strongly asymmetric with respect to the bias voltage. Photoelectron Spectroscopy (PES) investigation of the interface between manganite and Alq3 revealed a strong interface dipole, which leads to a better matching of the metal Fermi level with Alq3 LUMO (1.1 eV) rather than with HOMO level (1.7 eV). This unequivocally indicates that the current in these devices is dominated by the electron channel, and not by holes as previously suggested. The knowledge of the energy diagram at the bottom interface allowed us to work out a semi- quantitative model explaining both negative spin valve effect and strong voltage asymmetry. This model involves a sharp energy selection of the moving charges by the very narrow LUMO level of the organic material leading to peculiar resonant effects.

研究动机与目标

• 研究混合钙钛矿氧化物/有机垂直自旋阀中的自旋依赖输运行为。
• 理解负自旋阀效应的起源，即在反平行磁性构型下电阻更低。
• 澄清在钙钛矿氧化物/有机异质结中，电荷输运是由电子还是空穴主导。
• 确定界面电子结构在调控磁阻行为中的作用。
• 建立一个半定量模型，以解释观测到的负自旋阀效应及强电压不对称性。

提出的方法

• 以La0.7Sr0.3MnO3（LSMO）为底电极，Alq3为有机半导体，Co为顶电极，制备垂直自旋阀器件。
• 在Co电极与Alq3之间插入一层薄的隧穿势垒（LiF或Al2O3），以控制载流子注入并测量磁阻。
• 采用光电子能谱（PES）测量LSMO/Alq3界面处的能级对齐情况。
• 分析磁阻随温度和外加偏压的变化，以识别不对称性及负自旋阀行为。
• 基于LUMO能级（1.1 eV）和费米能级对齐，构建一个半定量模型，以解释共振电子输运。

实验结果

研究问题

• RQ1 在210 K以下，钙钛矿氧化物/有机垂直异质结中负自旋阀效应的成因是什么？
• RQ2 为何这些器件的磁阻对偏压表现出强烈的不对称性？
• RQ3 在LSMO/Alq3基自旋阀中，主导输运的载流子通道是电子还是空穴？
• RQ4 LSMO/Alq3结处的界面偶极子如何影响费米能级对齐及电荷注入？
• RQ5 能否通过一个半定量模型同时解释负自旋阀效应和观测到的电压不对称性？

主要发现

• 在210 K以下观察到明显的负自旋阀效应，反平行磁性构型下电阻更低。
• 磁阻效应表现出强烈的偏压不对称性，表明载流子注入或输运过程非对称。
• 光电子能谱显示LSMO/Alq3结处存在强界面偶极子，使金属费米能级与Alq3的LUMO（1.1 eV）对齐，而非HOMO（1.7 eV）。
• 该界面偶极子证实电子输运占主导，与先前认为空穴主导传导的观点相矛盾。
• 观测到的行为可通过基于Alq3窄LUMO能级共振隧穿的半定量模型加以解释。
• 该模型通过界面处电子的尖锐能量选择机制，同时解释了负自旋阀效应和强电压不对称性。