[论文解读] Supramolecular Spin Valves

Matias Urdampilleta, Svetlana Klyatskaya+3 more|UCL Discovery (University College London)|Apr 24, 2013

Magnetism in coordination complexes被引用 12

一句话总结

该论文展示了一种基于单壁碳纳米管（SWCNT）量子点与铽酞菁单分子磁体（TbPc2-SMM）通过超分子相互作用耦合的超分子自旋阀，在亚开尔文温度下实现高达300%的磁阻，且无需磁性电极。该器件利用SMM的局域磁矩调制SWCNT中的电导，实现场可调的自旋依赖输运。

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.

研究动机与目标

• 通过利用分子磁矩开发一种无需磁性电极的自旋电子器件。
• 将自下而上的超分子自组装与自上而下的纳米制造技术结合，实现可扩展的自旋电子架构。
• 在非磁性量子点与单分子磁体的混合系统中展示磁阻效应。
• 探索分子磁体在纳米尺度控制电子输运的潜力。
• 通过自组装与量子限制实现可电路集成的自旋电子器件。

提出的方法

• 利用电子束光刻与蚀刻技术制备单壁碳纳米管（SWCNT）量子点。
• 沉积非磁性电极，与SWCNT形成隧道结。
• 通过范德华力或π-π堆积等超分子相互作用，将TbPc2单分子磁体（SMM）侧向耦合至SWCNT。
• 施加外磁场调节TbPc2-SMM的磁矩，以控制自旋态。
• 在低于1 K的温度下，测量SWCNT中电导随磁场的变化。
• 通过比较SMM完全极化与非极化状态下的电导，量化磁阻。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过使用分子磁矩在无磁性电极的器件中实现自旋阀效应？
• RQ2 超分子耦合在分子尺度上能在多大程度上实现功能性自旋电子器件？
• RQ3 在非磁性、分子集成的自旋阀中，可实现的最大磁阻是多少？
• RQ4 SMM的磁场诱导极化如何调制非磁性量子点中的电子输运？
• RQ5 此类器件能否通过自下而上与自上而下的制造技术集成到可扩展的电子电路中？

主要发现

• 在低于1 K的温度下，器件在TbPc2-SMM完全极化与非极化状态之间表现出高达300%的磁阻比。
• SWCNT中的电导随磁场变化，证实了无需磁性电极的自旋依赖输运。
• SWCNT与TbPc2-SMM之间的超分子耦合实现了磁性组分的稳定、功能性集成。
• 该系统表明，分子磁体可在非磁性纳米器件中有效充当自旋滤波器。
• 结果验证了自下而上自组装在构建可电路集成自旋电子元件方面的可行性。
• 该器件在超低温下运行，表明其在分子自旋电子学中可能具有量子相干效应。