2019 Fiscal Year Annual Research Report
Developments of single-electron spin transistors with molecular quantum dots
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18H01481
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
早川 竜馬 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究員 (90469768)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 分子 / 量子ドット / 磁気トンネル接合 / 単電子スピン操作 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本申請課題では孤立した磁性分子を量子ドットとして利用した縦型単電子スピントランジスタを創成することを目的としている。本年度は、昨年度検討したパーマロイ（Ni81Fe19）およびFeを用いた磁気トンネル接合の絶縁膜にC60分子を内包した試料を作製し、単電子スピン電流制御を試みた。ここで磁性分子ではなく、非磁性分子であるC60分子を用いた理由は磁気トンネル接合で単電子スピントンネル電流を誘起できるか確認するためである。これまで、C60分子を用いた非磁性電極トンネル2重接合では単電子トンネル電流を再現性良く観測することに成功している。
SiO2/Si基板上にTaを密着層とし、Ni81Fe19/Al2O3/C60/Al2O3/Feをスパッタ法により積層した。5 Kの低温下において分子軌道を反映した単電子トンネル電流を観測することに成功した。微分コンダクタンス曲線において3つのピーク電圧が0.2 V均等に分離して観測された。この値は絶縁膜の膜厚と分子サイズから想定される帯電エネルギーと概ね一致することから、単電子トンネリングによりC60分子の3重縮退したLUMOが分離したものだと考えられる。
続いて上記試料に磁場を面内および面外方向に印可した。試料に対して面内に磁場を印可した場合に磁気トンネル接合に特異的な抵抗値のスイッチングが確認された。抵抗変化が生じる磁場と上下強磁性電極の抗磁界に一致するため強磁性電極のスピン反転に起因する抵抗変化であると考えられる。上記結果から単電子スピン電流を分子により制御できることを示すことができた。しかしながら、上記素子では分子を内包していない磁気トンネル接合（参照試料）とは対照的に負の磁気抵抗効果が観測された。分子と強磁性電極間の相互作用に由来する現象か、再現性も含め今後詳細に検討していく必要がある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度目標にしていた強磁性トンネル接合に内包した分子により単電子スピン電流を観測することに成功した。C60の分子軌道を反映した単電子トンネル電流に加え、上下強磁性電極のスピン反転に起因する磁気抵抗効果を観測することに成功した。今後、非磁性分子に変えて磁性分子を用い、分子スピンによる単電子スピン電流操作を実現する。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度では、磁気トンネル接合にC60分子を内包した試料で確認した負の磁気抵抗効果の起源を明らかにする。強磁性電極上にC60分子を直接接合した際にはスピンインターフェース効果により負の磁気抵抗効果が発現することが理論的および実験的に報告されている。しかしながら、本素子ではトンネル絶縁膜が分子と強磁性電極界面に挿入されているため分子と電極の直接的な接合はないものと考えている。磁気トンネル接合素子の作製条件の最適化に加え、上下トンネル絶縁膜の膜厚を変化させ、分子に起因する効果かどうか確認する。合わせて、縦型トランジスタの作製へ移行する。
また、上記実験と平行して本課題の最終目的である非磁性分子（C60）から磁性分子へ移行する。オリゴ(p-フェニレンエチニレン)分子にニトロニトリル基を取り付けた有機ラジカル分子を用いる。まずは非磁性電極を用いたトンネル2重接合に分子を壊すことなく内包する技術の確立と単電子トンネル電流誘起、さらには面内・面外磁場による磁気抵抗効果を評価する。
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