Spin Transport in Hybrid Organic Spintronic Devices

Abstract

Organic semiconductors (OSCs) are of interest in spintronic applications as a versatile medium for transferring and manipulating spin signals. Understanding of spin-related phenomena in OSC-based spintronic devices has advanced considerably in recent years; however, most of the remarkable spintronic effects have been reported at low temperatures, and room temperature (RT) operation has not yet been fully achieved. The debate over the spin transport mechanism in the field of organic spintronics is still ongoing. Most attention has been focused on the large conductivity mismatch at ferromagnetic (FM) metal/OSC interface, which hinders spin injection into OSCs. This thesis investigates fundamental concepts of spin transport phenomena in organic spin devices and aims to expand those understandings to ambient temperature to realize RT operation of organic spin devices with high reliability. Using an ultra-high vacuum inorganic/organic (I/O) dual molecular beam epitaxy system, organic spintronic devices were prepared in a magnetic tunnel junction (MTJ) configuration with a Fe(001)/MgO(001)/Cu-phthalocyanine (CuPc)/Co structure on an etched Si(001) wafer. An ultra-thin MgO(001) layer was inserted at the Fe(001)/CuPc interface to overcome the conductivity mismatch and partly alleviate the electrical coupling between the Fe(001) and CuPc layers. As a result, remarkable magnetoresistance (MR) effects (> 100%) were observed at 77 K in hybrid MTJs with a 1.6 nm MgO(001)/1.6 nm CuPc barrier, whereas no MR effects were observed in MTJs with a CuPc single barrier. In the hybrid MTJs, MR effects at 77 K depend strongly on the bias voltage and CuPc barrier thickness. Such MR signal sensitivity is suppressed at higher temperature. MR values of about 6% were observed at RT, with no dependence on bias or barrier thickness. To elucidate the strong temperature dependence of spin transport behavior, a theoretical analysis was performed using a new theoretical model that combines hopping and tunneling. The hybrid barrier properties and dominant transport mechanisms were characterized for MTJs with various combined thicknesses of MgO and CuPc. In addition, the CuPc molecular film structure and interface morphologies were thoroughly examined in situ and ex situ using a range of spectroscopic techniques. The results reveal the important role of interface microstructure on the injection and transport of spin-polarized carriers. In particular, the low temperature cooling process (< 150 K) leads to substantial improvements in the molecular ordering and morphology of the CuPc films. These results indicate that azimuthal ordering of organic molecules mainly contributes to the remarkable improvement of spin injection efficiency. The enhanced MR of about 30% at RT can be explained in terms of the superior properties of the MgO(001) inter-layer as an ideal platform for I/O hybrid spintronic devices.;유기 반도체는 역학적 유연성이 높고 화학적 성분 조율을 통한 분자의 구조적, 전자기적, 광학적 특성 변조가 용이하여, 기초 학문적 연구뿐 아니라, 다기능 전자소자 구현을 위해서도 다양한 연구가 진행되고 있다. 특히, 유기 반도체에서 기대되는 긴 스핀 결맞음 거리(spin coherence length) 때문에 스핀 전달 매체로써 유기 반도체가 주목 받게 되었다. 2004년에 처음으로 유기 반도체를 접목한 스핀 밸브 구조에서 자기저항(magnetoresistance) 현상을 관측한 이후, 유기물 스핀트로닉스 분야의 연구가 활발히 진행되어 왔다. 그러나 강자성 금속/유기 반도체 계면의 전도성 불일치와 스핀 덫치기(trapping)에 의한 스핀의 산란으로 여전히 유기물에서의 스핀 관련된 특성 연구에 어려움이 있다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위하여 계면 특성의 향상에 주요 초점을 두었고, 재현성 있는 실험을 통해 유기 반도체의 스핀 전달 특성에 대한 체계적인 이해를 제공하고자 하였다. 유기물 스핀 소자는 초고진공 무기/유기 복합 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy) 장비를 이용하여 Fe(001)/MgO(001)/CuPc/Co 구조의 하이브리드 자기터널접합(magnetic tunnel junction) 형태로 제작하였다. 강자성 금속 Fe(001)과 유기 반도체 CuPc 계면에 산화물 박막 MgO(001)을 삽입하여 스핀 주입 효율을 높이려 하였다. 그 결과, 1.6 nm MgO(001)/1.6 nm CuPc 하이브리드 장벽을 가진 자기터널접합 소자에 대하여, 77 K에서 100% 이상의 자기저항 현상을 관측하였고, 그 특성은 CuPc 장벽의 두께와 인가 전압에 대한 강한 의존성을 보였다. 상온에서는 5% 가량으로 자기저항 값이 현저히 감소하였고, 저온과 달리, 변수들에 대한 의존성이 미미하였다. 하이브리드 장벽의 전자 수송 특성을 이해하기 위하여 터널링과 홉핑 수송 특성에 대해 알려져 있는 모델들을 병합한 새로운 모델을 제시하였다. 이를 이용하여 CuPc 박막의 두께에 따른 전자 수송 특성의 변화를 명확히 설명할 수 있었다. 이 분석 결과는 하이브리드 장벽의 높이, 두께, 비대칭성, 그리고 홉핑과 터널링 전류의 비율과 같은 중요한 정보를 제공한다. 그리고 온도에 따른 스핀 수송 특성의 분석은 계면 스핀 편극치의 변화를 유발하는 다른 요소들이 있음을 보여준다. 다양한 기법(XRD, TEM, AFM, RHEED, MDS, 라만 분광법)을 이용하여 하이브리드 박막의 구조와 계면 특성을 분석하였다. 그 결과, CuPc 분자들은 MgO(001) 박막 위에 준에피탁셜(quasi-epitaxial) 형태로 성장하며, 온도에 따라 분자들의 평면내 (in plane) 정렬이 변화하는 것이 관측되었다. 분자들의 구조 변화는 MgO(001)/CuPc와 CuPc/Co 계면의 미세구조에 영향을 미친다. 특히, CuPc/Co 계면 구조의 변화는 스핀 의존적인 전자상태에 영향을 미쳐 스핀 편극치와 스핀 주입 효율이 온도에 따라 변하는 것으로 이해할 수 있다. 또한, 상온에서 열적으로 생성된 상당수의 전하들이 CuPc/Co 계면에서의 스핀 주입에 영향을 미칠 수 있다. 즉, 강자성 금속과 유기 반도체 계면에서의 미세구조와 전하분포가 유기물 스핀 소자의 특성을 결정하는 중요한 요소임을 알 수 있다. 이 결과는 유기물 분자 내에서의 스핀 확산 거리(spin diffusion length)보다 스핀 주입 효율이 자기저항 특성에 결정적인 영향을 미치는 것을 명시한다. 따라서, 상온에서 계면의 스핀 편극치만 높일 수 있다면, 긴 거리 동안 스핀 양자수를 유지한 채 전자를 수송할 수 있을 것으로 기대된다. 최종적으로 무기/유기 계면 특성을 제어함으로써 1.6 nm MgO(001)/5.0 nm CuPc 장벽의 자기접합소자에 대해 상온에서 높은 자기저항(약 30%) 특성을 관측할 수 있었다. 이는, 무기/유기 복합 구조의 특성에 대한 체계적인 이해와 계면 특성의 조율을 통해, 유기물 스핀 소자에서 스핀 전달 특성을 향상시키고 제어할 수 있음을 보여준다. 이 결과는 MgO(001)을 하지층으로 이용하여 유기물 분자들의 정렬을 유도함으로써, 상온에서 높은 구동 효율을 보이는 유기물 스핀 소자의 구현 가능성을 제시한다.