基于零核自旋Erq3分子层的有机自旋阀磁阻效应研究

为解决有机分子自旋电子学中核自旋诱导的超精细相互作用(HFI)对自旋输运的干扰问题，研究团队首次设计制备了以零核自旋材料tris-(8-hydroxyquinoline) erbium (Erq3)为中间层的Ni78Fe22/Erq3/FeCo有机自旋阀(OSV)，观察到29 nm厚分子层的磁阻(MR)效应，为基于核自旋调控的分子自旋器件开发提供新思路。

　　

在自旋电子学领域，如何实现长距离的自旋输运一直是科学家们关注的焦点。传统无机材料虽然表现出优异的性能，但复杂的制备工艺和高成本限制了其应用。相比之下，由轻元素组成的有机分子因其弱自旋-轨道耦合(SOI)和可调控的电子结构，被视为极具潜力的自旋传输介质。然而，分子中原子核自旋引起的超精细相互作用(HFI)会导致自旋散射，严重制约了器件性能。这一问题在常用的Alq₃分子中尤为突出，因为铝核的自旋量子数高达5/2。

针对这一挑战，日本庆应义塾大学的研究团队在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表创新成果。他们巧妙地将Alq₃中的铝替换为零核自旋的铒(Er)，设计出新型分子材料tris-(8-hydroxyquinoline) erbium (Erq₃)。理论计算显示，Erq₃的最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)能级分别为-5.09471 eV和-2.37723 eV，与常用磁性电极的功函数(4.5-5.0 eV)匹配良好，为载流子注入创造了有利条件。

研究采用多技术联用的精密制备策略：通过直流磁控溅射沉积FeCo和Ni₇₈Fe₂₂(Py)磁性层，结合光刻技术制备50 μm宽电极图案；采用热蒸发法在3×10^-5 Pa超高真空下生长29 nm厚Erq₃薄膜，原子力显微镜(AFM)显示其表面粗糙度仅0.55 nm；借助透射电镜(STEM)和能量色散X射线谱(EDS)证实器件具有清晰的层状结构和元素分布。磁光克尔效应(MOKE)测试显示FeCo和Py电极的矫顽力分别为42 Oe和3 Oe，为实现平行/反平行磁化状态奠定基础。

3.1. 表面形貌与界面特性

AFM分析表明热蒸发制备的Erq₃薄膜比旋涂法更平整。TEM-EDS证实器件具有锐利的界面，且无元素互扩散现象。X射线衍射(XRD)显示磁性层为多晶结构而分子层为非晶态，这种结构有利于减少晶界散射。

3.2. 磁学性能调控

通过Ar离子刻蚀将FeCo电极的矫顽力从148 Oe降至42 Oe，XPS证实刻蚀后表面无氧化层。各向异性磁阻(AMR)测试在200 K下测得FeCo和Py的矫顽力分别为49 Oe和4 Oe，比室温下更宽的磁滞窗口为MR测量提供了理想条件。

3.3. 磁阻效应观测

在200 K下首次观察到Py/Erq₃/FeCo器件的负磁阻效应，通过Julliere模型拟合证实信号源自自旋相关输运。DFT计算发现FeCo/Erq₃和Py/Erq₃界面自旋极化均为负值，与实验结果存在差异，推测实际器件中Py电极渗透导致的轨道杂化引起极性反转。

这项研究开创性地将零核自旋Erq₃分子应用于自旋阀器件，通过精确控制界面工程实现了29 nm厚分子层的自旋输运。虽然当前MR值仍需提升，但工作揭示了核自旋调控对减弱HFI的关键作用。特别值得注意的是，与含铝的Alq₃相比，Erq₃中不存在核自旋导致的随机磁场，这为开发长自旋弛豫时间的有机自旋器件提供了新思路。未来通过优化分子取向（如退火处理）和采用半金属电极（如Sr₂FeMoO₆），有望进一步提升器件性能。该成果不仅拓展了稀土有机配合物在自旋电子学的应用，也为设计新型量子信息材料提供了重要参考。