[论文解读] Photovoltaic Effect on Molecule Coupled Ferromagnetic Films of a Magnetic Tunnel Junction

Pawan Tyagi|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2011

Molecular Junctions and Nanostructures参考文献 38被引用 7

一句话总结

本研究在铁/镍薄膜之间的磁性隧道结（MTJ）中展示了一种新型光伏效应，该MTJ夹杂有有机金属分子簇（OMCs）。OMCs连接MTJ的电极，在铁磁薄膜构成隧道结时才会诱导出光伏响应，观察到电流抑制达3至6个数量级，并产生显著的光生电压，表明这是一种利用常见材料实现自旋电子学光伏器件的新途径。

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.

研究动机与目标

• 探索使用铁、镍等常见材料在自旋电子学器件中实现根本性新型光伏机制。
• 研究有机金属分子簇（OMCs）在调控磁性隧道结（MTJs）电子与光伏特性方面的作用。
• 确定分子与MTJ中的铁磁电极耦合是否能诱导出在孤立薄膜中不存在的光伏效应。
• 识别具有前景的分子候选物——如单分子磁体、卟啉类化合物及OMCs——以用于未来可扩展、经济型自旋光伏器件的集成。

提出的方法

• 以暴露铁磁薄膜边缘的预加工磁性隧道结（MTJ）作为基础结构。
• 通过化学方法在MTJ的两个铁磁薄膜之间桥接有机金属分子簇（OMCs），形成分子结。
• 通过光照下的电流-电压（I-V）特性测量等电学测试，检测光伏效应。
• 在带有和不带OMCs的孤立铁磁薄膜上进行对照实验，以分离光伏响应的来源。
• 测量交换耦合强度，评估OMCs桥接引起的磁相互作用变化。
• 在不同光照强度下对系统进行表征，以评估光生电压与光电流的生成性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在磁性隧道结（MTJ）中引入有机金属分子簇（OMCs）是否能诱导出光伏效应？
• RQ2 该光伏效应是否依赖于MTJ结构，还是在带有OMCs的孤立铁磁薄膜中也会发生？
• RQ3 OMCs如何影响MTJ中的交换耦合与隧穿电流？
• RQ4 该光伏效应是否可归因于分子桥本身，还是磁性隧道结结构是必不可少的？
• RQ5 所生成的光生电压与光电流的大小如何？与传统光伏系统相比有何差异？

主要发现

• 仅当铁磁薄膜构成隧道结时，OMC耦合的MTJ才表现出光伏效应，孤立薄膜中则无此效应。
• OMCs桥接后，隧穿电流显著抑制3至6个数量级，表明存在强烈的电子调制。
• 通过光照下的I-V测量确认了光伏效应，显示出可测量的光生电压。
• 对照实验表明，OMCs本身在孤立铁磁薄膜上不产生光伏效应，证实MTJ结构的必要性。
• OMCs桥接显著增强了铁磁层之间的交换耦合，表明界面处存在强烈的电子相互作用。
• 结果表明，该光伏效应源于分子耦合调制的自旋依赖隧穿，为自旋电子学光伏器件提供了新机制。