Синтерфейс

Spinterface: слой органического полупроводника, выращенный на из ферромагнетика. подложке

Spinterface — термин, придуманный для обозначения границы раздела между ферромагнетиком и органическим полупроводником . Это широко исследуемая тема в молекулярной спинтронике . так как роль интерфейсов играет огромную роль в функционировании устройства. В частности, спинтерфейсы широко изучаются в научном сообществе из-за их гибридного органического / неорганического состава. Фактически, гибридизацией металла . и органического материала можно управлять, воздействуя на молекулы , которые более чувствительны к электрическим и оптическим стимулам, чем металлы Это открывает возможность эффективной настройки магнитных свойств интерфейса на атомном уровне.

История

Область спинтроники , которая является научной областью, целью которой является изучение спин -зависимого электронного транспорта в твердотельных устройствах, возникла в последние десятилетия 20-го века, сначала с наблюдением инжекции спин-поляризованного тока из ферромагнетик в парамагнитный металл и впоследствии с открытием туннельного магнитосопротивления и гигантское магнитосопротивление . Поле развивалось, обращаясь к явлениям, связанным со спин-орбитой , таким как эффект Рашбы . Лишь совсем недавно спинтроника распространилась на органический мир с идеей использования механизмов слабой спиновой релаксации молекул для использования их для спинового транспорта. Исследования в этой области начались с гибридных копий неорганических устройств спинтроники, таких как спиновые клапаны и магнитные туннельные переходы , с попыток получить спиновый транспорт в молекулярных пленках. Однако некоторые устройства вели себя не так, как ожидалось, например, клапаны с вертикальным вращением, демонстрирующие отрицательное магнитосопротивление . Затем быстро стало понятно, что молекулярные слои не только играют транспортную роль, но также могут влиять на спиновую поляризацию ферромагнетика на границе раздела . Из-за этого интерес к интерфейсам ферромагнетик/органика в научном сообществе быстро возрос, и появился термин «спинтерфейс». В настоящее время исследования направлены на создание устройств с интерфейсами, разработанными для адаптации спиновой инжекции.

Научный интерес

Уменьшение размеров устройств и внимание к приложениям с низким энергопотреблением привели к постоянно растущему вниманию к физике поверхностей и интерфейсов , которые играют фундаментальную роль в функционировании многих приложений. Нарушение объемной симметрии , происходящее на поверхности, приводит к различным физическим и химическим свойствам , которые иногда невозможно обнаружить в объемном материале. В частности, когда твердотельный материал взаимодействует с другим твердым телом, концы двух разных материалов влияют друг на друга посредством химических связей . На поведение интерфейса сильно влияют свойства материалов . В частности, в спинтерфейсах металла и органического полупроводника , которые обладают очень разными электронными свойствами . сопряжены и обычно образуют сильную гибридизацию . С конечной целью получить возможность настраивать и изменять электронное и магнитное поведение интерфейса, спинтерфейсы изучаются как путем их вставки в устройства спинтроники. и, на более фундаментальном уровне, исследуя рост ультратонких молекулярных слоев на ферромагнитных подсостояниях с использованием подхода науки о поверхности . Целью создания таких интерфейсов является, с одной стороны, использование спин-поляризованного характера электронной структуры ферромагнетика для создания спиновой поляризации в молекулярном слое, а с другой стороны, влияние на магнитный характер ферромагнитного слоя посредством средства гибридизации. В сочетании с тем фактом, что обычно молекулы обладают очень высокой чувствительностью к стимулам (что обычно невозможно достичь в неорганических материалах), возникает надежда на возможность легко изменить характер гибридизации и, следовательно, настроить свойства поверхности спина. Это может привести к появлению нового класса устройств спинтроники, в которых спин-интерфейс играет фундаментальную и активную роль.

Физика и приложения

Органические полупроводники в настоящее время используются в различных приложениях, например, OLED- дисплеи, которые могут быть гибкими, тоньше, быстрее и более энергоэффективными, чем ЖК- экраны, и органические полевые транзисторы , предназначенные для больших, недорогих электронных продуктов и биоразлагаемой электроники .

Что касается приложений спинтроники , то коммерческих устройств пока нет, но прикладные исследования направлены на использование спинтерфейсов в основном для магнитных туннельных переходов и органических спиновых клапанов .

Спин-фильтрация

Спин-зависимая гибридизация в спин-интерфейсе

Физический принцип, который в основном используется при разговоре о спин-интерфейсах, — это спин-фильтрация. Это просто схематично изображено на рисунке: если рассматривать ферромагнетик и органический полупроводник сами по себе (панель а ), плотность состояний (ПСО) металла будет несбалансированной между двумя спиновыми каналами с разницей вверх и вниз. снижение DOS на уровне Ферми, определяющем спиновую поляризацию тока; DOS органического полупроводника не будет иметь дисбаланса между спиновыми каналами и будет отображать локализованные уровни энергии , а именно высшую занятую молекулярную орбиталь (ВЗМО) и самую низкую незанятую молекулярную орбиталь (LUMO), с нулевой DOS на уровне Ферми. Когда два материала вступают в контакт, они влияют на DOS друг друга на границе раздела: основными эффектами являются расширение молекулярных орбиталей и возможный сдвиг их энергии . Эти эффекты, как правило, зависят от спина, поскольку они возникают в результате гибридизации, которая строго зависит от плотности плотности двух материалов, которая сама по себе является несбалансированной по спину в случае ферромагнетика . Например, на панели b представлен случай параллельной инжекции тока, а на панели c схематизирована антипараллельная спиновая поляризация тока, инжектируемого в полупроводник. Таким образом, инжектируемый ток будет поляризован в соответствии с DOS интерфейса на уровне Ферми, и, используя тот факт, что молекулы обычно имеют слабые механизмы спиновой релаксации, молекулярные слои являются отличными кандидатами для спинового транспорта приложений . Благодаря правильному выбору материала можно отфильтровать спины на поверхности спина.

Магнитный туннельный переход

Прикладные исследования спиновых поверхностей часто направлены на изучение туннельного магнитосопротивления (ТМР) в гибридных магнитных туннельных переходах (МТП). Обычные MTJ состоят из двух ферромагнитных электродов, разделенных изолирующим слоем, достаточно тонким, чтобы туннелирования электронов иметь значение события . Идея использования спинтерфейсов заключается в замене неорганического изолирующего барьера органическим. Мотивацией для этого служат гибкость , низкая стоимость и более высокое время спиновой релаксации молекул, а также возможность химической инженерии интерфейсов. Физический принцип, лежащий в основе MTJ, заключается в том, что туннелирование перехода зависит от относительной ориентации намагниченности ферромагнитных электродов. Фактически в модели Жюльера туннельный ток, проходящий через переход, пропорционален сумме произведений DOS одиночных спиновых каналов:

Упрощенная картина спин-зависимого туннелирования

$J^{p}\propto D_{1}^{\uparrow }\cdot D_{2}^{\uparrow }+D_{1}^{\downarrow }\cdot D_{2}^{\downarrow }\qquad$ $\qquad J^{ap}\propto D_{1}^{\uparrow }\cdot D_{2}^{\downarrow }+D_{1}^{\downarrow }\cdot D_{2}^{\uparrow }$

Картина спин-зависимого туннелирования представлена ​​на рисунке, и наблюдается то, что обычно наблюдается больший туннельный ток в случае параллельного выравнивания намагниченностей электродов. Это обусловлено тем, что в данном случае термин $D_{1}^{\downarrow }\cdot D_{2}^{\downarrow }$ будет намного больше, чем все остальные члены, что делает $J^{p}>J^{ap}$. Изменяя относительную ориентацию намагниченности электродов, можно контролировать состояние проводимости туннельного перехода и использовать этот принцип для приложений, например, для считывающих головок жестких дисков и MRAM .

Если в качестве туннельного барьера используется органический материал, картина становится более сложной, поскольку происходит образование поляризованных состояний, индуцированных спиновой гибридизацией. Эти состояния могут влиять на коэффициент туннельной передачи, который в модели Жюльера обычно поддерживается постоянным. Барро и др. в статье Nature Physics разработали модель спинового транспорта, которая учитывает эффект гибридизации спиновых поверхностей. Они заметили, что роль этой гибридизации в процессе спинового туннелирования не только важна, но и способна изменить знак TMR. Это открывает двери новому фронту исследований, направленному на адаптацию свойств устройств спинтроники посредством правильного сочетания ферромагнитных металлов и молекул.

Спиновые клапаны

Обычные спиновые клапаны устроены очень похоже на магнитные туннельные переходы, с той разницей, что два ферромагнитных электрода на этот раз разделены немагнитным металлом, а не изолятором. Используемый при этом физический принцип связан уже не с туннелированием , а с электрическим сопротивлением .

Схема псевдоспинового клапана

Спин-поляризованный ток, исходящий от одного ферромагнитного электрода, может перемещаться в немагнитном металле на определенное расстояние, определяемое длиной спиновой диффузии этого металла. Когда ток попадает в другой ферромагнитный материал, относительная ориентация намагниченности относительно первого электрода может привести к изменению сопротивления перехода : если выравнивание намагниченностей параллельно, спиновой клапан будет демонстрировать состояние низкого сопротивления. , тогда как в случае антипараллельного выравнивания события отражения и рассеяния с переворотом спина приводят к состоянию высокого сопротивления. Из этих соображений можно определить и оценить магнитосопротивление спинового клапана:

$MR={\frac {\rho _{ap}-\rho _{p}}{\rho _{p}}}$

где $\rho _{ap}$ и $\rho _{p}$ - соответственно сопротивления для антипараллельного и параллельного выравнивания.

Обычным способом создания возможности как параллельного, так и антипараллельного выравнивания является либо закрепление одного из электродов посредством обменного смещения , либо непосредственное использование разных материалов с разными коэрцитивными полями для двух электродов (псевдоспиновые клапаны). Предлагаемое использование спиновых поверхностей в приложениях со спиновыми клапанами заключается в соединении одного из электродов с молекулярным слоем, который способен настраивать свойства намагничивания электрода с изменением гибридизации. Это изменение гибридизации на поверхности спина в принципе может быть вызвано как светом (что делает эти системы пригодными для сверхбыстрых приложений), так и электрическим напряжением . Если этот процесс обратим, существует возможность очень эффективного переключения с высокого сопротивления на низкое, что делает устройства более быстрыми и эффективными.

См. также

• Спинтроника
• Спиновой клапан
• Туннельное магнитосопротивление
• Гигантское магнитосопротивление
• Молекулярная электроника
• Орбитальная гибридизация