[论文解读] 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 13

一句话总结

本论文展示了在室温下，通过在磁性隧道结（MTJ）暴露边缘的2 nm绝缘势垒上桥接有机金属分子簇，实现了多层边缘分子自旋电子学器件（MEMSDs）中高达六数量级的电流抑制。该现象源于分子簇诱导的强交换耦合，使自旋输运可通过磁场、温度和光照实现可调谐控制，并在电流抑制状态下观察到光伏效应。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可在室温下实现强交换耦合的可扩展分子自旋电子学器件制造方法。
• 研究边缘桥接分子簇在调控磁性隧道结自旋输运中的作用。
• 探索使用如有机金属簇和单分子磁体等分子簇增强自旋电子学功能的可行性。
• 在分子自旋电子异质结构中展示新型输运现象，如电流抑制和光伏效应。
• 建立一个可调控、可测量的外部刺激响应的实验研究平台，用于分子自旋电子学研究。

提出的方法

• 通过在磁性隧道结（MTJ）暴露边缘的2 nm绝缘势垒上沉积有机金属分子簇（OMCs），制备了多层边缘分子自旋电子学器件（MEMSDs）。
• 采用隧道磁阻（TMR）测量装置，在室温下探测MEMSDs中的自旋依赖输运特性。
• 施加外部刺激，包括磁场、温度变化和光照，以调节电流状态。
• 测量导通态和抑制态下的电流-电压（I-V）特性，以量化电流降低程度。
• 通过在电流抑制状态下测量开路电压，表征光伏效应。
• 将MEMSDs中的电流抑制与参考MTJ的漏电流进行比较，以确立抑制程度的量级。

实验结果

研究问题

• RQ1 分子簇能否桥接磁性隧道结的绝缘势垒，从而在室温下诱导强交换耦合？
• RQ2 MEMSDs在环境条件下电流抑制的幅度和稳定性如何？
• RQ3 外部刺激如磁场、温度和光照如何影响MEMSDs中的电流抑制态？
• RQ4 电流抑制态是否表现出光伏效应，表明存在电荷分离或整流作用？
• RQ5 MEMSDs的器件结构能否推广至其他磁性分子，如单分子磁体或卟啉类分子？

主要发现

• MEMSDs的电流抑制程度相比参考MTJ的漏电流最高可达六数量级。
• 电流抑制态具有可逆性且可通过施加磁场、温度变化和光照实现可调谐控制。
• 在电流抑制态下观察到明显的光伏效应，表明光照下存在电荷分离。
• 边缘桥接的有机金属簇诱导的强交换耦合显著改变了自旋输运行为。
• 该器件架构实现了室温下可重复、可测量且可外部调控的自旋电子学响应。
• 结果表明，MEMSDs是探索分子自旋电子学的可行平台，具有在逻辑和存储器件中应用的潜力。