科學研究 - 只需在銅上塗覆色料即可實施自旋轉換功能

東京大學物性研究所的一色弘成助教、三輪真嗣副教授和大谷義近教授以及理化學研究所的高級研究員近藤浩太等人組成的研究小組，與大阪大學和金澤大學的研究小組共同證明，只需在金屬銅的表面塗覆以藍色和綠色顏料而著稱的色料分子酞青素，就能實施將自旋流轉換爲電流的功能。另外還發現，這種轉換功能在銅表面只塗覆一層酞青素分子時達到最大化，研究顯示，與採用鉑和鉍等重金屬的自旋霍耳元件具有相同的性能。

自旋流-電流轉換是自旋電子學的基礎技術之一，近年來，異質材料接合界面發生的電流與自旋流的相互轉換現象備受關注。

①研究背景

除電子攜帶的電荷外，還積極利用自旋（原子級磁鐵）特性的自旋電子學研究正在全球範圍積極展開。其中自旋流的生成和檢測在自旋電子學應用中屬於最重要的基礎技術之一。近年來的研究顯示，在固體無機材料界面，自旋流和電流會以非常高的效率相互轉換，這種現象備受關注。本研究着眼於設計自由度遠遠高於無機材料，而且在自旋電子學領域尚未被開拓的有機材料分子。如果能利用有機分子證明自旋流與電流可以相互高效轉換，就能爲自旋電子學應用開闢新的可能性。

②研究内容

此次，以東京大學物性研究所爲中心的研究小組證明，在作爲路標藍色顏料使用的色料分子酞青素與金屬銅的接合面，自旋流會高效轉換爲電流。在實驗中，研究人員利用自旋泵作用法，向透過圖1a的配置將酞青素分子之一的鉛(II)酞青素分子鍍敷於銅表面的界面，注入了自旋流。注入的自旋流被轉換爲電流，最終觀察到了圖1b所示的電壓訊號。另外發現，轉換係數估算爲0.4奈米，與鉑和鉍等重金屬報告的轉換係數最大值不相上下。

圖1：分子與金屬界面的自旋流-電流轉換 a：分子模式與元件結構概略圖 b：自旋泵作用引起的分子與金屬界面的自旋流-電流轉換的訊號

發生這種自旋流-電流轉換的終極因數被認爲是，界面處實施了圖2所示的電子自旋方向與動量正交的電子狀態（自旋動量鎖定）。如圖2b所示，自旋流注入發生自旋動量鎖定的界面後，電子獲得動量，電流開始流動。已知在沒有分子修飾的銅表面，自旋動量鎖定的效果非常小。因此，此次的結果強烈表明，隨着金屬銅被分子修飾，銅表面的電子狀態被大幅調變，實施了新的自旋功能。利用第一性原理計算對電子的自旋狀態進行解析時，也再現了鉛(II)酞青素分子與銅界面的這種自旋動量鎖定狀態。

圖2：界面的自旋流-電流轉換
a：界面電子狀態的的費米能階等高線 b：注入自旋流後的電流生成模式圖

接下來，爲查明轉化效率實施最大化所需的條件，研究小組製作了能系統改變分子層厚度（膜厚）的樣品，測量了自旋流-電流轉換帶來的電壓訊號變化（圖3a）。測量發現，形成單一分子層（1ML）時，電壓訊號最大。分子膜厚達到約5層（5ML）以上時，訊號完全消失。爲查清出現這種分子膜厚依賴性的終極因數，研究小組將鉛(II)酞青素分子鍍敷於銅表面，並利用掃瞄探針顯微鏡進行觀察，調查了分子的吸附結構（圖3b、c、d）。調查發現，在單一分子膜中，平坦吸附於銅表面的鉛(II)酞青素分子呈週期性排列。這種週期性晶格在分子膜厚爲1層時佔主導地位，無論分子量比其更多還是更少，排列都是無序的。以上實驗結果表明，要想透過分子修飾在金屬表面形成新的自旋轉換功能，分子膜的吸附結構非常重要。