分子を用いた縦型スピントランジスタ：　次世代スピントロニクスデバイスに向けて

使用分子的垂直自旋晶体管：迈向下一代自旋电子器件

• 批准号: 19F19066
• 负责人: 早川 竜馬
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: National Institute for Materials Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-25 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19F19066/
• 关键词: 磁性分子; 量子ドット; 2重トンネル接合; 磁気抵抗効果; 有機ラジカル; トンネル2重接合; 縦型トランジスタ

本申請課題では、磁性分子をチャネル層に用いた縦型スピントランジスタを提案した。昨年度、縦型トランジスタのチャネル層に相当する2重トンネル接合に磁性分子として有機ラジカル分子（TEMPO-OPE）を集積する技術を確立した。本年度は2重トンネル接合に集積したTEMPO-OPEに起因するトンネル電流の観測と磁気抵抗効果の評価に取り組んだ。5 Kの低温下ではあるがTEMPO-OPEの分子軌道を反映したトンネル電流を観測した。さらに磁場を印加することで、微分コンダクタンスピークが僅かではあるが高電圧側にシフトする現象を観測した。これは、印加磁場により分子軌道が変調している可能性を示している。また、3 %と変化率は小さいが垂直磁場を印加することで負の磁気抵抗を観測した。これは、分子スピンが磁場方向に揃うことによりスピン散乱が抑制されたためだと考えられる。また、不対電子スピンが母体分子とπ共役にあるターフェニルラジカル(NN-TP)についても検討した。TEMPO-OPEでは母体分子の軌道と不対電子スピンが非共役にあることから、NN-TPの使用により磁気抵抗比の向上が期待できる。しかしながら、分子量が小さいため昇華温度が低く、トンネル絶縁膜を形成する際に分子が基板表面から再離脱し、絶縁膜に集積することができなかった。今後、置換基の導入により分子量を増加させることで改善を試みる。一方で分子を内包した縦型トランジスタのキャリア伝導機構を明らかにするためにオーソドックス理論によるシミュレーションを行った。C60分子を用いた場合には分子の帯電エネルギーにより単電子トンネル電流が誘起されていることを見出した（T. Basu and R. Hayakawa et al. ACS Applied Electronic Materials 3, 978 (2021)）。今後、有機ラジカルを用いた系に拡張する。

在此应用中，我们提出了使用磁分子作为通道层的垂直自旋晶体管。去年，我们建立了一项技术，将有机自由基分子（tempo-ope）作为双隧道连接处的磁分子整合，该分子与垂直晶体管的通道层相对应。今年，我们致力于观察由双隧道连接中整合的速度引起的隧道电流，并评估磁路阻力效应。观察到反映速度元分子轨道的隧道电流，尽管它们在5 k处低。这表明分子轨道由施加的磁场调节。此外，尽管变化速率在3％时较小，但是当应用垂直磁场时，观察到负磁度。这被认为是因为分子旋转沿磁场的方向排列，从而抑制了自旋散射。我们还研究了Terphenyl自由基（NN-TP），其中未配对的电子自旋与母体分子偶联。在节气中，基质分子和未配对电子自旋的轨道是未偶联的，并且可以预期使用NN-TP可以提高磁扰比率。但是，由于分子量很小，因此在形成隧道绝缘膜时，升华温度较低，分子从底物表面重新启动，并且不能在绝缘膜中累积。将来，我们将尝试通过引入取代基来改善分子量。另一方面，使用正统理论进行了模拟，以阐明含有垂直晶体管分子的载体传导机制。当使用C60分子时，发现单电子隧穿电流是通过分子的带电能诱导的（T. Basu和R. Hayakawa等。ACS应用的电子材料3，978（2021））。将来，该系统将使用有机自由基扩展到系统。

项目成果

Vertically-aligned resonant tunneling devices with organic molecules as quantum dots

以有机分子作为量子点的垂直对准谐振隧道器件

• 发表时间: 2019
• 作者: Ryoma Hayakawa;Toyohiro Chikyow;Yutaka Wakayama;Ryoma Hayakawa
• 通讯作者: Ryoma Hayakawa

Vertical Resonant Tunneling Devices Brought about by Integration of Attractive Molecules into Current Si devices

将吸引分子集成到当前硅器件中带来的垂直共振隧道器件

• 发表时间: 2019
• 作者: Ryoma Hayakawa;Yutaka Wakayama
• 通讯作者: Yutaka Wakayama

Vertically-aligned molecular transistors for large-scale integration

用于大规模集成的垂直排列分子晶体管

• 发表时间: 2019
• 作者: Ryoma Hayakawa;Toyohiro Chikyow;Yutaka Wakayama
• 通讯作者: Yutaka Wakayama

Theoretical Insight into Quantum Transport Via Molecular Dots in a Vertical Tunnel Transistor

• DOI: 10.1021/acsaelm.0c01056
• 发表时间: 2021-02-12
• 期刊: ACS APPLIED ELECTRONIC MATERIALS
• 影响因子: 4.7
• 作者: Basu, Tuhin Shuvra;Wakayama, Yutaka;Hayakawa, Ryoma
• 通讯作者: Hayakawa, Ryoma

コンスタンツ大学/ハンブルグ大学(ドイツ)

康斯坦茨大学/汉堡大学（德国）