原子スケール接合の物理と単一分子エレクトロニクスへの展開

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本研究では、強磁性金属を電極材料に用いた単一分子接合の作製および作製した素子におけるスピン依存伝導を詳細に調べる事を通して、単一分子エレクトロニクスとスピントロニクスとの融合に向けた知見を得る事を目的とする。C60分子を塗布したNiナノヒューズに通電断線法(過電流を印加して、焼き切ることでナノギャップを作製する手法)を適用し、ナノギャップを形成する。形成したナノギャップ間に単一分子が捕縛されることを利用して、強磁性単一分子トランジスタ(FM-SMT)の作製を行った。得られた素子伝導度の磁場応答を測定した結果、通常のNiトンネル接合で発現する磁気抵抗効果(約+20%)よりも大きくかつ逆符号の約-80%というMRが発現することを確認した。本現象を解明するために、第一原理法を用いたNi/C60分子界面の状態密度のスピン依存性に関する理論解析を行い、計算結果と実験結果とを照合した。その結果、C60分子がNi電極に結合した系では、C60分子/Ni金属接合界面でC60分子の分子軌道とNiの3d軌道間で軌道混成が生じることで、接合界面の電子の局所状態密度(LDOS)のスピン偏極率が変調され、さらに、接合界面では強磁性金属の多数スピンが界面では少数スピンになるspin inversion効果が発現することで上記の異常なMRが発現することを見出した。以上から、本研究の結果から、強磁性/有機分子接合界面での局所電子状態の変調が、スピン依存伝導に与える影響に関する理解が深化し、また、単一有機分子と単純な強磁性金属(Ni,Fe,Co)を組合せて作製した磁性素子は、ハーフメタル材料などの特殊な材料を用いずに高性能かつ極微小磁性素子が実現可能であることが示された。