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

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。

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。