有机磁隧道结中磁阻与光敏性的电调控机制及其低功耗自旋电子存储器应用研究

研究人员通过构建ITO/NiFe2O4/Alq3/Co/Au有机磁隧道结(MTJ)，揭示了载流子隧穿主导的输运机制，发现偏压依赖磁阻(MR)增强源于Co费米能级(EF)处自旋相关散射，并通过界面缺陷态调控实现高场MR突增，为低功耗自旋电子存储器开发提供新思路。

　　

在自旋电子学领域，有机磁隧道结(MTJ)因其有机半导体(OSC)长自旋扩散长度的特性备受期待，但实际磁阻(MR)效应始终难以超越无机材料。这一困境的核心在于铁磁(FM)电极/有机界面复杂的相互作用——从轨道杂化修饰、缺陷态导致的非相干自旋注入，到自旋过滤效应，多种机制共同导致MR信号淬灭。更棘手的是，FM/OSC界面陷阱密度远高于无机体系，使得自旋散射过程加剧。面对这些挑战，印度理工学院海得拉巴分校的研究团队独辟蹊径，选择将硬磁材料镍铁氧体(NiFe₂O₄)与经典有机半导体三(8-羟基喹啉)铝(Alq₃)结合，构建出具有光电响应特性的ITO/NiFe₂O₄/Alq₃/Co/Au多层器件，相关成果发表在《Thin Solid Films》上。

研究团队采用电子束蒸发制备35nm厚NiFe₂O₄薄膜确保界面稳定性，通过低温热解法合成纳米颗粒，结合场发射扫描电镜(FEG-SEM)和微分电导(dI/dV)测试分析界面特性，利用振动样品磁强计(VSM)验证材料磁性，并在660nm光照条件下系统研究电压、磁场对器件MR和光敏性的调控规律。

结构表征与输运机制
FEG-SEM截面分析确认了各层异质结构的完整性，dI/dV曲线排除了Co原子渗透导致的磁性杂质干扰。关键发现是NiFe₂O₄的E_F精准位于Alq₃的最低未占分子轨道(LUMO)-最高已占分子轨道(HOMO)光学带隙内，证实载流子隧穿是主导输运机制。

磁阻增强机制
偏压依赖的MR指数增长源于Co在E_F处态密度(DOS)的自旋相关散射，尤其多数自旋通道贡献显著。高磁场下MR突增被归因于NiFe₂O₄/Alq₃界面缺陷态的自旋翻转散射，而电压超过阈值后MR骤降则与Co的E_F处自旋极化淬灭相关。

光磁耦合效应
磁场环境下光敏性降低的现象，揭示了光生电子在Co多数自旋DOS处的增强散射过程，为光控自旋器件设计提供新认知。

这项研究不仅阐明了有机MTJ中电/磁/光多场调控MR的物理机制，更通过NiFe₂O₄厚膜设计策略有效抑制界面缺陷，为开发兼具高MR比和环境稳定性的有机自旋存储器指明方向。特别值得注意的是，该工作将传统磁阻研究与新兴有机光电子学相结合，展示出有机spintronics器件在多功能集成方面的独特优势，为后摩尔时代低功耗信息器件的发展提供了创新思路。