CZ20023169A3

CZ20023169A3 - Způsob a zařízení pro přenos spinově polarizovaných nosičů náboje a způsob a zařízení pro indukci magnetorezistence do organického materiálu

Info

Publication number: CZ20023169A3
Application number: CZ20023169A
Authority: CZ
Inventors: Valentin Dediu; Carlo Taliani
Original assignee: Consiglio Nazionale Delle Ricerche
Priority date: 2000-03-22
Filing date: 2000-07-19
Publication date: 2003-02-12
Also published as: JP2003528473A; EP1266412A1; ATE354180T1; CN1451181B; US6325914B1; EP1266412B1; DE60033441T2; DE60033441D1; CN1451181A; NO20024550D0; CA2402850A1; IT1316829B1; ITMI20000603A0; NO20024550L; AU2000266960A1; WO2001071824A1; RU2002125450A; ITMI20000603A1; KR20030065305A

Description

Oblast techniky

Předložený vynález je možné zařadit do oblasti organické elektroniky a magnetoelektroniky a týká se způsobu a zařízeni pro ínjektáž a přenos spinově polarizovaných nosičů náboje, zejména pak v organických polovodičích.

Dosavadní stav techniky

Díky kontrole spínové polarizace ( zkratka SP ) nosičů náboje, injektovaných do kovových, polovodičových nebo nevodivých materiálů, je možné zavést nový stupeň volnosti do rozličných elektronických zařízení a zároveň je možné jej ovládat. Na základě tohoto nového vývojového přístupu je založen nový druh elektroniky, který je znám jako magnetoelektronika. Uvedený nový druh elektroniky byl v tomto duchu postupně rozvíjen a ukazuje se, že začíná mít určující postavení v technologiích, které jsou používány pro vývoj a výrobu počítačů a multimediálních a komunikačních aplikací.

Mnoho druhů procesorů a paměťových prvků je v podstatě založeno na vlastnosti daného zařízeni změnit svůj elektrický odpor podle orientace spinu nosičů náboje, díky čemuž je možné přečíst magnetickým způsobem zaznamenanou informaci pouze

• ·00*	0 0»	00		00
• · *	·· · ·	β	•	•
• · 0	0 0«	•		•
			•	•
• * ·	• · 0	•	»	•
• 0 ·	0 00 *·	« ·		0 0 0 0

pomocí jednoduchého změření elektrického odporu [1].

V minulosti byly učiněny objevy materiálů, které se magnetickém poli vyznačují značnou změnou elektrického odporu v - tak zvanou magnetorezistencí ( magnetické kovové vrstvené materiály, GMR ) [2] nebo se dokonce vyznačují mimořádně velkou magnetorezistencí ( perovskitické manganity, CMR ) [3] . Uvedené objevy nových materiálů vedly k návrhu podstatných zlepšení konstrukčních uspořádání v odpovídajících oblastech elektroniky, což bylo dáno zejména skutečností, že při použití uvedených materiálů je možné získat silný elektrický signál i za použití slabých magnetických polí.

GMR materiály, které byly objeveny v roce 1988, začaly být v elektrotechnickém průmyslu používány při výrobě počítačů již v roce 1994.

V poslední dekádě dvacátého století byla navržena některá elektronická zařízení, která byla založena na CMR materiálech. Tato zařízení obsahují jak paměťové prvky, tak i různé druhy aktivních prvků, jakými jsou například magnetické procesory, magnetické tranzistory a hybridní tranzistory s vloženými supravodivými materiály.

Z historického pohledu byl opět v poslední dekádě dvacátého století započat významný rozvoj organické elektroniky. Tento rozvoj se zejména týká světlo emitujících diod ( označovaných anglickou zkratkou LED ) a také FET tranzistorů. V současné době nejsou v magnetoelektronice známa zařízení, ve kterých by byl použit organický materiál společně s aktivním prvkem.

1« ····

Použití organických materiálů v elektronice se vyznačuje několika výhodami, z nichž ty nejdůležitější jsou uvedeny na následujících řádcích:

1. Organický materiál je možné nanášet v tenkých vrstvách za použití laciných technologií, přičemž nanášení vrstvy daného organického materiálu je možné provádět i na velmi rozsáhlých plochách. Narozdíl od polovodičových vrstev, u kterých je nutné používat ultravakuové technologie, je nanášení organických materiálů možné provádět i při běžných teplotách.

2. Finanční nákladnost uvedených organických materiálů je nízká.

3. Je možné vytvářet pružná zařízení, například různé barevné displeje.

4. V optických zařízeních je možné měnit barvy takovým způsobem, že dosažené barvy svými frekvencemi spadají do celého rozsahu viditelného spektra.

5. Je možné zvratné nanášet tenké vrstvy organického materiálu, které je možné následně odstranit a nahradit jinými vrstvami z jiných materiálů.

V souladu s výše uvedenými skutečnostmi má vývoj a zlepšení • a

• •	♦ ·	• ·· 9 * * • ·	• ·· ♦ · 9 9	9 •	··
• •	• •
•		« *	9 ·	•	•
	·*	•	··· *·			• ·

efektivity elektronických zařízení na organické bázi primární význam.

Aby bylo možné vyrábět magnetoelektronická zařízení, je nutné mít možnost vytvořit spinově polarizované nosiče náboje uvnitř aktivního prvku zařízení, přičemž existuje více způsobů, jak vytvořit spinově polarizované nosiče náboje. Například pomocí osvětlení vhodně dopovaného GaAs nebo pomocí osvětlení podobného polovodiče pomocí kruhově polarizovaného světla je možné dosáhnout excitace tripletu excitonů, jejichž spiny jsou vyrovnány podél externího magnetického pole [4]. Je také známo použití spinových filtrů, to znamená zařízení, kterými může projít pouze nosič náboje, jenž má určitou danou spinovou polarizaci [5] . Nicméně použití výše uvedených způsobů je komplikované, finančně nákladné a pro jejich použiti je potřeba zajistit přítomnost magnetického pole.

Třetí známý způsob spočívá v použití magnetických materiálů s intrinzickou spinovou polarizací. Velká část magnetických materiálů obsahuje velký počet elektronů, jejichž spiny jsou orientovány rovnoběžně s magnetickou osou ( Nj ). Rozdíl mezi velkým počtem elektronů, jejichž spinová orientace je rovnoběžná s magnetickou osou, a menším počtem elektronů, které mají spin orientován jinak (Ni ), je obvykle poměrně malý. Například u niklu činí tento rozdíl asi 15 až 20 %. Nicméně existují takové materiály, které jsou nazývány polokovové feromagnety, jejichž elektronové spiny jsou 100 % polarizovány. Tyto materiály obsahují oxid chromičitý, oxid železa a manganitany typu Ai-_xB_xMnO₃ ( kde A je vzácná zemina jako například La, Nd a podobně a B je dvojmocný kov jako

• *	• tt	» tt	• tt· tt • •	• *	« •	»» tt · » ·
tttt · • «	tt tt
•		tt	•	• ·	tt	•	tt ·
	tt·		•	·· *	« ·	•	• »···

například Ca, Sr, Pb ).

Pojem magnetický řád manganitanů je možné vysvětlit následujícím způsobem: atomy manganu, který mohou mít valenci jak typu 3+, tak i typu 4 + , mají odpovídající spiny 3=2 a S=3/2. Pod Curiovou teplotou se tyto magnetické momenty sami vyrovnají do rovnoběžné konfigurace, což je dáno výměnou elektronů mezi Mn(3+) a Mn(4 + ). Curiova teplota se přitom u těchto materiálů pohybuje v rozsahu mezi přibližně 300 a 400 K. Vzhledem k velké Hundově energii přijmou manganové akceptory pouze elektrony, jejichž spiny jsou orientovány stejně jako jejich vlastní magnetický moment. V souladu s těmito skutečnostmi pak delokalizace proběhne pouze u poloviny celkového počtu elektronů, tedy u těch, jejichž spin je rovnoběžný s magnetizační osa iontů manganu. Ty elektrony, které mají antiparalelní orientace, zůstanou na svém místě. V důsledku výše popsaného jevu se pak docílí 100 % polarizace spinu nosičů náboje ( delokalizované elektrony ).

Když jsou elektricky přímo spojeny dvě feromagnetické elektrody s polarizovanými spiny nebo jsou v tunelovém elektrickém kontaktu, závisí jejich celkový elektrický odpor na úhlu, který je svírán směry orientace jejích spinu: jsou-li uvedené spiny rovnoběžné, elektrický odpor je nejnižší; jsouli uvedené spiny orientovány antiparalelním způsobem, je elektrický odpor nejvyšší. Tato skutečnost je kvalitativně popsána pomocí deGennesova vzorce pro pravděpodobnost přenosu elektron T_i2 [6] :

T12 = bi2 cos(0i₂/2) + const (1)

• 4		4·*»	•	44	«·
4	4	•	4 ·	4	4	4
•	•	4	4	4	4	4
	4	•	4 4	4	•	•
V		4	• 44	44	4 ·

kde indexy 1 a 2 označují obě feromagnetické elektrody, b_i2 je tunelová konstanta a Θ12 je úhel mezi magnetickými osami 1 a 2. Pokud je intenzita vnějšího magnetického pole nulová, může úhel θΐ2 nabývat hodnoty mezi 0 a 180°. Při zavedení magnetického pole se obě feromagnetické elektrody zorientují stejným způsobem. Uvedený úhel 6_i2 pak bude roven nule a hodnota T_i2 dosáhne svého maxima, což odpovídá nejnižšímu elektrickému odporu. Tento jev je příčinou negativní změny elektrického odporu v magnetickém polí. S ohledem na velmi vysoké hodnoty negativní magnetorezistence ( velikosti amplitud se mohou pohybovat v rozsahu až šesti řádů ) jsou manganitany označovány zkratkou CMR, sestavenou z počátečních písmen anglického výrazu Colossal Magnetoresistance Materials, což v překladu znamená materiály s obrovskou magnetorezistencí.

V současné době se ukázalo, že hodnoty magnetorezistence v materiálech typu CMR jsou skutečně vysoké ( velikosti amplitud se pohybují ve zmíněném rozsahu až šesti řádů ) pouze u elektrických zařízení tunelového druhu nebo u elektrických zařízení s bodovými kontakty. Samostatné krystaly se však vyznačují magnetorezistencí o velikosti 2 až 3 % [7] . V souladu s výše uvedenými skutečnostmi jsou pak magnetorezistenční zařízení, která je možné využít v praxi, konstruována pouze na základě prvků tunelového druhu nebo na základě prvků s bodovými kontakty.

0000 0 ·* ·

0 0 ·0 · · · · · 0·· 00··· · _ 7 — 000 0 0·*·*·· / 000 000000

0« 0 000 00 ·· 0000

Podstata vynálezu

Předložený vynález si pokládá za úkol vytvořit způsob a zařízení pro injektáž a přenos spinově polarizovaných nosičů náboje za použití finančně nenáročného materiálu jako média pro přenos nosičů náboje, přičemž uvedený materiál by bylo možné nanášet finančně nenákladnými způsoby, jenž by bylo možné provádět jednoduchým a zvratným způsobem tak, aby bylo možné jej v případě potřeby nahradit jiným materiálem.

Předložený vynález si dále pokládá za úkol vytvořit nové aktivní prvky pro magnetoelektroniku, přičemž elektrický odpor zařízení, která by byla založena na podobných prvcích, by závisel na spinové polarizaci nosičů náboje, které procházejí skrz uvedené prvky.

Předložený vynález si také pokládá za úkol vytvořit světlo emitující diody ( prvky LED ), které by se vyznačovaly lepši efektivitou.

Běžné světlo emitující diody typu LED obsahují dvě elektrody ( injektor elektronů a injektor děr ), mezi kterými se nachází vrstva elektroluminiscenčního materiálu. Když mezi oběma elektrodami protéká elektrický proud, jsou do elektroluminiscenčního materiálu injektovány excitony, tedy velmi dobře se vázající dvojice elektron - díra. Samostatné stavy ( tzv. singlety ) emitují záření, jehož frekvence se obvykle nachází ve viditelném spektru elektromagnetického záření, zatímco trojné stavy ( tzv. triplety ) generují záření, které způsobuje zpožděnou fluorescencí materiálu [8] .

4« 4444

- 8 - :

«4 emise optického přechodech mezi

V souladu s výše uvedeným popisem je pak záření diod typu LED obvykle založena na samostatnými stavy.

U obou elektrod, použitých při konstrukci běžných LED diod,

jsou přítomny všechny	druhy spinové	polarizace	(	SP=0 ),
přičemž statistický	popis spinů	elektronů	ve	vrstvě
organického polovodiče	odpovídá plnění	excitonovými	stavy v
souladu s následujícími	údaji [9]:
1. Singlet ( S = 0 )	-> et Pt	->	25	%
2. Triplet { S = 1 )	-> et pt	->	25	%
( S = 0 )	-> et pt +	et pt ->	25	o Ό
( Ξ =—1 )	-> et pt	->	25	%

V souladu s tímto statistickým popisem spinu je pro úroveň S = 0 vymezena hranice zaplnění 25 %, což společně s některými jinými procesy negativním způsobem ovlivňuje efektivitu diod typu LED a tímto způsobem ji snižuje. Pokud je jedna elektroda polokovový feromagnet, mají všechny náboje, injektované uvedenou elektrodou, stejný spin, například -et. Pokud bychom pozorovali výše uvedenou spinovou statistiku, bylo by zřejmé, že jsou možné pouze kombinace, které nemají elektrony s elektronovým spinem typu et. V souladu s výše uvedenými skutečnostmi jsou potom zaplňovány úrovně et pt a et pt, přičemž v důsledku tohoto jevu se potom změní zaplnění singletových vrstvách z 25 % na 50 L Pokud bychom v případě druhé elektrody použili jako injektor děr spinově polarizovanou elektrodu, dosáhli bychom 100 % zaplnění úrovně S = 0, přičemž bychom současně dosáhli 75 % zlepšení celkové

efektivity LED diody.

Statistické úvahy, které jsou popsány ve výše uvedeném popise, jsou založeny na předpokladech a postupech, jenž jsou uvedeny v již klasických učebnicích kvantové mechaniky a proto není nutné je ověřovat experimentálními pokusy. Nicméně v případě, že chceme dosáhnout podobného selektivního zaplnění zvolené excitační úrovně ( v našem případě je to singlet ), je důležité, aby nosiče náboje neztratily svou spinovou orientaci poté, co opustí elektrodu. Vynálezci předloženého vynálezu ovšem zjistili, že jakmile jsou elektrony ( díry ) jednou injektovány do organického materiálu, neztratí původní spinovou orientaci, kterou měli v elektrodě.

V souladu s výše uvedenými skutečnostmi si potom předložený vynález pokládá za úkol vytvořit způsob a zařízení, umožňující zvýšit zaplňování singletových excitonových stavů, jenž jsou opticky aktivní v elektroluminiscenčním materiálu.

Výše uvedené úkoly podle předloženého vynálezu i jiné úkoly, které vyplynou z následujícího popisu, jsou vyřešeny pomocí způsobu podle předloženého vynálezu pro přenos nosíce náboje, který obsahuje:

a) fázi injekce spinově polarizovaných nosičů náboje do organického materiálu , ...,

b) fázi přenosu uvedených spinově polarizovaných nosičů náboje přes uvedený organický materiál.

Organický materiál je organický materiál, který je schopen vést elektrický proud, s výhodou je to pak organický materiál, který je vyvolen ze skupiny, jenž obsahuje polythiofeny a metal-ftalokyaniny.

Jako výhodný příklad organických materiálů je možné uvést sexithiofeny a Zn-ftalokyanin.

Organický materiál může mít podobu tenké vrstvy, jejíž tloušťka je dostatečná k zajištění elektrické kontinuity uvedeného materiálu.

Injekce podle fáze a) je s výhodou provedena pomocí toku elektrického proudu mezi dvěma elektrodami vrstvou organického materiálu.

Dvě elektrody jsou vyrobeny z materiálů, které se vyznačují v podstatě 100 % spinovou polarizací nosičů náboje, a jsou označovány pojmem spinově polarizované elektrody.

Obě uvedené elektrody jsou s výhodou vyrobeny z feromagnetických manganitanů, jejichž složení lze popsat vzorcem Αι-_χΒ_κΜηθ3.

Výhodné provedení předloženého vynálezu obsahuje elektrody, které jsou vyrobeny z Lao,7Sr₀,3Mn0₃.

*«

Ií

Přenos nosičů náboje podle fáze b) je možné zrealizovat pomocí zavedení elektrického pole do uvedeného organického materiálu, zejména pak elektrického pole, pro jehož intenzitu platí E > 10⁴ - 10⁵ V/cm.

Příklady provedení vynálezu

Příklad provedení předloženého vynálezu se týká způsobu indukce magnetorezistence do organického materiálu, který zahrnuje:

a) fázi injekce spinově polarizovaných nosičů náboje do organického materiálu ze spinově polarizované elektrody a

b) fázi přenosu uvedených spinově polarizovaných nosičů náboje přes uvedený organický materiál mezi uvedenou spinově polarizovanou elektrodou a druhou spinově polarizovanou elektrodou při aplikaci vnějšího magnetického pole.

Jiný aspekt předloženého vynálezu se týká zařízení pro přenos nosičů náboje, které obsahuje:

to to

a) zařízení pro injekci spinově polarizovaných nosičů náboj e a

b) médium, které je vhodné pro přenos spinově polarizovaných nosičů náboje, přičemž uvedené médium, jenž je vhodné pro přenos spinově polarizovaných nosičů náboje, obsahuje organický materiál.

Organický materiál je organický materiál, který je schopen vést elektrický proud.

Organický materiál je s výhodou zvolen ze skupiny, která obsahuje polythiofeny a metal-ftalokyaniny. Jako výhodný příklad provedení předloženého vynálezu je možné uvést sexithiofen a Zn-ftalokyanin.

Zařízení pro injekci spinově polarizovaných nosičů náboje jsou s výhodou vyrobena z materiálů, které se vyznačují v podstatě 100 % spinovou polarizací nosičů náboje, přičemž ve výhodnějším případě jsou uvedená zařízení vyrobena z feromagnetických manganitanů, jejichž složení lze popsat vzorcem Ai__xB_xMnO3. Zařízení pro injekci jsou pak v φ * φ • φ φφ ··» »• φ · φφ * φφφ φ · · • * φ φφφ φφφ φ · Φφφφ nej výhodnějším případě vyrobena z La₀,7Sr₀,3MnO₃.

V souladu s jedním příkladem provedení předloženého vynálezu dále zařízení podle předloženého vynálezu obsahuje zařízení pro aplikaci elektrického pole do uvedeného materiálu, který je vhodný pro přenos nosičů náboje.

V souladu s jiným příkladem provedení předloženého vynálezu zařízení podle předloženého vynálezu obsahuje organický materiál, kterým je elektroluminiscenční materiál; zařízení pro injekci spinově polarizovaných nosičů náboje, jenž se skládají z první spinově polarizované elektrody a druhé spinově polarizované elektrody, přičemž první elektroda je elektroda pro injekci spinově polarizovaných elektronů a druhá elektroda je elektroda pro injekci spinově polarizovaných děr a přičemž zařízení je vhodné pro použití jako světlo emitující dioda.

V souladu s jiným příkladem provedení předloženého vynálezu se předložený vynález týká zařízení pro indukci magnetorezistence do organického materiálu, přičemž uvedené zařízení obsahuje:

a) zařízení pro injekci spinově polarizovaných nosičů náboje, jenž obsahuje první spinově polarizovanou elektrodu a druhou spinově polarizovanou elektrodu a

»* · » ί :* ·♦· médium, které je vhodné pro přenos spinově polarizovaných nosičů náboje, přičemž médium pro přenos spinově polarizovaných nosičů náboje obsahuje organický materiál, který se nachází mezi uvedenou první a druhou spinově polarizovanou elektrodou, zařízení pro aplikaci vnějšího magnetického pole.

Zařízení podle předloženého vynálezu obsahují zařízení pro injekci spinově polarizovaných nosičů náboje, skládající se ze dvou elektrod, jenž jsou ve vzájemném tunelovém kontaktu skrze organický materiál. Magnetická polarizace první a druhé elektrody může být odděleně změněna pomocí aplikace lokálních magnetických polí, jenž jsou s výhodou silnější než 3000 Oe. Uvedené zařízení je vhodné pro použití v roli paměťového prvku. Zařízení podle předloženého vynálezu navíc může obsahovat katodu, která emituje spinově polarizované elektrony, přičemž uvedená katoda je vyrobena z materiálů, které mají v podstatě 100 % spinovou polarizaci nosičů náboje, a je pokryta ochrannou vrstvou, jenž je vytvořená na uvedeném organickém materiálu.

Vynálezci předloženého vynálezu zjistili, že jakmile jsou nosiče náboje jednou injektovány do organického materiálu, *5 ft · • · ·

• 4« ·· ·· nezmění se jejich původní spinový stav, který měli v elektrodě. Uvedený jev má za následek změnu statistiky, popisující zaplňování excitonových stavů. V případě injekce nábojů, které mají stejný spin ( například spinově polarizované náboje ), například spin typu et, jsou s ohledem na výše uvedenou spinovou statistiku možné pouze kombinace, ve kterých nejsou přítomny elektrony s elektronovým spinem typu ei. V tomto případě jsou zaplňovány pouze úrovně βτρ; a ετρτ. Z tohoto důvodu se statisticky změní míra zaplnění singietových stavů ze 25 % na 50 %. Podobným způsobem se při injekcí děr, které jsou také spinově polarizovány ( se stejným spinem ), změní statistika zaplňování singietových stavů typu S=0 na 100 %, díky čemuž se celkově dosáhne 75 % zvýšení efektivity světlo emitujících zařízení.

Pro ověření možností realizace spinově polarizované injekce do vrstvy organického materiálu a pro ověření možnosti realizace spinově polarizovaného koherentního přenosu uvedeným organickým materiálem použili vynálezci předloženého vynálezu zařízení podle předloženého vynálezu, jenž byla založena na spinově polarizovaných materiálech i jiných organických materiálech.

Jako spinově polarizovaný materiál byla použita sloučenina La₀,7Sro,3Mn0₃, která je typickým reprezentantem sloučeniny Ai__xB_xMnO₃.

Pomocí ablační technologie typu Channel-Spark byla na substráty galátu neodymia a titaničitanu stroncnatého nanesena tenká vrstva Lao,7Sro,3Mn03. Tloušťka vytvořené vrstvy se • · · ·

« ««« • · · * ·

0 0

0« »♦ ·

·« ···· nacházela v rozsahu mezi 50 a 200 nm. Takové velikosti jsou vhodné k tomu, aby se v uvedené vrstvě vytvořily velmi pravidelné krystalografické struktury a zároveň se docílilo takových elektrických a magnetických vlastností materiálu, které jsou podobné odpovídajícím vlastnostem jednoho jediného krystalu.

Micro-Ramanovo spektrum vrstvy na galátu neodymia je zobrazeno na obr. 1, jenž zobrazuje micro-Ramanova spektra typické tenké feromagnetické vrstvy z jediného krystalu Laa,7Sr₀,3MnO₃ na substrátu z galátu neodymia.

Po přesnost je potřeba uvést, že kvalita vrstvy je velmi vysoká. Uvedená vrstva neobsahuje naprosto žádné nežádoucí fáze ( jsou přítomny pouze špičky substrátu a špíčky La₀,₇Sro,3Mn0₃ ) .

Magnetická měření zobrazují Curiovu teplotu, která velkou měrou přesahuje pokojovou teplotu: T_c = 375 K, což je zobrazeno na obr. 2. Obr. 2 přitom znázorňuje magnetický moment jako funkci teploty pro typickou feromagnetickou vrstvu a pro jediný krystal La₀,7Sro,₃Mn03. Výše uvedená skutečnost umožňuje

pracovat s teplotách.	vrstvami ve	feromagnetickém stavu	pří	pokojových
Po nanesení tenké	vrstvy Lao,7Sro,3Mn0₃	bylo	vytvořeno
nanoskopické	zařízení,	jenž je zobrazeno	na	obr. 3,
znázorňuj ící	dvě spinově	polarizované elektrody,	které jsou

odděleny mezerou s nanorozměry. Zmíněná mezera byla vytvořena pomocí aplikace nanoskopické technologie .

< t a

« * a « * * · *

Velikost mezer pro různé použité tenké vrstvy se pohybuje v rozsahu od 70 do 500 nm.

Měřením elektrického odporu mezery byl zjištěn nekonečný elektrický odpor. V souladu s touto skutečností jsou potom CMR elektrody zcela elektricky odděleny.

Následující fází výroby uvedeného zařízení bylo vytvoření organického můstku mezi oběma elektrodami.

Na zařízení byly naneseny tenké organické vrstvy. Uvedené vrstvy byly naneseny pomocí technologie tepelného naparování přes masku. Tímto způsobem byl vytvořen proužek, který se rozprostírá přes uvedenou mezeru a který však za normálních podmínek zanechává obě elektrody elektricky oddělené ( obr. 3 ).

Použitými organickými materiály jsou sexithiofen a Zn-ftalokyanin, Jelikož oba tyto organické materiály jsou nemagnetické materiály, nemohou se za normálních podmínek vyznačovat negativní magnetorezistencí, tedy poklesem elektrického odporu v důsledku vyrovnání lokalizovaných magnetických momentů. Opakovaná měření, která byla vynálezci provedena jak na tenké sexithiofenové vrstvě, tak i na tenké vrstvě Zn-ftalokyaninu, potvrdila naprostou nepřítomnost negativní magnetorezístence ( při měření byly použity nemagnetické elektrody - zlato, materiál na bázi stříbra ) . V organických materiálech tohoto druhu je možné naměřit slabou kladnou magnetorezistencí [10], nicméně pouze za přítomností * · ·· • » · « · · • · · » « · ·· · ·· ♦ ·· • » « ♦ « * • · ···* velmi silných magnetických polí přes 60 až 80 kOe ).

Za účelem prošetření možnosti injekce spinově polarizovaných nosičů náboje ze spinově polarizovaných feromagnetických elektrod byly provedeny pokusy tunelového typu.

Přenos spinu materiálem byl zkoumán pomoci zasunutí organického materiálu mezi dvě spinově polarizované elektrody. Jedna z feromagnetických elektrod emitovala spinově polarizované náboje, přičemž druhá plnila funkci detektoru, který byl citlivý v úhlu θ pro příchozí spiny. Za účelem odhalení přítomností nebo absence interference organického materiálu s orientací elektronových spinů byl studován vliv změn magnetického pole na elektrický odpor zařízení. Negativní magnetorezistence zařízení, skládajícího se ze soustavy feromagnet - organický materiál - feromagnet, by znamenala, že organický materiál nemění nebo pouze částečně mění orientaci spinů nosičů náboje, které jím prochází. Negativní magnetorezistence je způsobena vyrovnáním spinů v obou feromagnetických elektrodách vlivem magnetického pole. Pokud by se ovšem ukázalo, že elektrický odpor uvedeného zařízení nezávisí na magnetickém poli ( ovšem s výjimkou možné intrinzické magnetorezistence organického materiálu, která je nulová v případě prováděných experimentů ), bylo by potřeba na závěr měření prohlásit, že spiny ztrácí v organickém materiálu svou původní orientaci nebo že ji ztrácí na rozhraní feromagnetu a organického materiálu.

Obr. 4 zobrazuje průběh magnetorezistence, který byl

··

ttt · • tt • · · • * •tt ···· naměřen na tunelovém zařízení, skládající se ze soustavy ( feromagnet ) - ( organický materiál ) - ( feromagnet ), zejména se pak skládající ze soustavy

La₀,7Sro,3Mn0₃ - sexithiofen - Lao,7Sr₀,₃Mn03. Tloušťka feromagnetického materiálu je 100 nm, velikost mezery mezi elektrodami činí 100 nm a tloušťka tenké organické vrstvy činí 125 nm. Elektrický odpor zařízení přes organickou vrstvu byl měřen pomocí pikoampérmetru, přičemž měření bylo provedeno pro různé hodnoty napětí. Měření bylo provedeno pří pokojové teplotě a v normální atmosféře ( tedy bez vytvoření vakua ) .

Elektrický odpor se mění přibližně od 3,35 C-Ω při nulovém magnetickém poli ( černá křivka ) do 2,95 3Ω za přítomnosti pole 3,4 kOe, jenž je orientováno kolmo na povrch ( křivka 2 ), což představuje pokles magnentorezistence o

%. Okamžitě po vypnutí magnetického pole ( t < 1 min ) dosáhla hodnota elektrického odporu mezilehlého stavu ( křivka 3 ), který je dán zbytkovým vyrovnáním elektrod, jenž je větší než to původní. Po 10 až 15 minutách se hodnota elektrického odporu vrátila na původní velikost ( křivka 1 ) . Uvedená měření byla vícekrát zopakována. Po ukončení jedné série měření byl organický materiál rozpuštěn a opět nanesen. Po čtyřnásobném zopakování tohoto procesu bylo zjištěno, že v předchozích měřeních získané výsledky je možné zopakovat pro každou nanomezeru. Maximální hodnota 15 % magnetorezistence ( přibližně 5 % / kOe ) , která byla zpozorována u zařízení s sexithiofenem, je porovnatelná s hodnotami, jenž je možné naměřit u komerčních zařízení, jenž jsou používána v magnetoelektronice [1] . Uvedené hodnoty by bylo možné ještě » · ·

I to · » to · to · · to· «toto· » » * · • to • to ·· zvýšit, pokud by magnetorezistence byla měřena jako rozčil mezi antiparalelním vyrovnáním a rovnoběžný vyrovnáním. Hodnoty magnetorezistence přímo úměrně klesají se šířkou překrývajícího prvku a činí 10 % pro mezery o velikosti 200 nm a 0 % pro mezery o velikosti 300 nm. Tato posledně jmenovaná skutečnost opět potvrzuje nepřítomnost intrinzické negativní magnetorezistence v případě sexíthíofenu, jelikož je přímo naměřena na uvažovaném zařízení. Koherentní délka se proto odhaduje na 200 až 300 nm při pokojové teplotě.

Změna polarizace spinu v průběhu přenosu určitým materiálem může nastat v zásadě ze dvou důvodů: zaprvé může nastat vlivem rozptylu na magnetických centrech nebo za druhé může nastat vlivem spin-orbitální interakce. Sexithiofen neobsahuje magnetické atomy a spin-orbitální interakce v tomto druhu materiálu je velmi malá kvůli nepřítomnosti těžkých atomů. Je tedy možné realizovat polarizovaný ( koherentní ) přenos spinu, který byl pozorován při pokusech.

Stejné pokusy byly zopakovány i pro konstrukční uspořádání, ve kterém je organický materiál realizován jako Zn-ftalokyanin, který se ovšem podstatným způsobem liší od sexithiofenu kvůli přítomnosti jednoho kovového atomu v jeho molekule.

Přítomnost kovového atomu musí zvýšit efekty spin-orbitální interakce, což ve svém důsledku omezí, ne-li úplně odstraní spinově polarizovaný přenos. Obr. 5 zobrazuje měření elektrického odporu zařízení, které je podobné zařízení podle obr. 4, přičemž měření jsou provedena za přítomnosti ·· · *· · ί ί .

• · · · ♦ ····;· « » · »»»··· .« . «·· <» ·· ···· magnetického pole a bez přítomností magnetického pole. Organický materiál· je tenká vrstva Zn-ftalokyaninu, jejíž tloušťka činí 100 nm. Feromagnetický materiál je stejný materiál ( Lao,7Sr_Qř3Mn0₃ ) a mezera, jenž odděluje obě elektrody, má tloušťku přibližně 80 nm. Elektrický odpor byl znormován s ohledem na elektrický odpor zařízení bez přítomnosti magnetického pole. Aplikovaná magnetická pole byla orientována jak rovnoběžně se substrátem ( + ) , tak i antíparalelním způsobem vůči substrátu {-) . Byla pozorována 1 % magnetorezistence. Také tento experiment byl vícekrát zopakován, přičemž bylo zjištěno, že je možné u uvedeného zařízení dosáhnout vysoké reprodukovatelnosti výsledků měření. V souladu s touto skutečností byl také pro Zn-ftalokyanin potvrzen spinově polarizovaný přenos.

Pokud bychom chtěli zobecnit výsledky, které byly získány při měřeních pro oba organické materiály, jenž se vyznačují velmi rozdílnými elektrickými vlastnostmi, bylo by možné závěrem říci, že byla poprvé prokázána možnost spinově polarizované injekce a přenosu nábojů s v podstatě polarizovanými spiny tenkou organickou vrstvou { do 200 až 300 nm ) bez magnetického momentu. Je velmi důležité zdůraznit, že uvedené jevy byly pozorovány za pokojové teploty a v normální atmosféře, což je velmi podstatná skutečnost pro mnoho aplikací. Velikost intenzity elektrických polí, která byla používána pro přenos nosičů náboje přes tunel, činila 10⁴ až ΙΟ⁵ V / cm pro oba organické materiály.

V každém případě je velmi důležité zdůraznit, že použité organické materiály nemají intrinzický magnetický moment a tím

« « * • · ·	• •v * • · *	» v
• ·	4
	* β ·		•
*· ·		··

pádem to jsou slabé paramagnety. Tato skutečnost platí i navzdory tomu, že se uvedené organické materiály od sebe podstatným způsobem liší. V současné době není znám vliv magnetického momentu organické vrstvy na spinově polarizovaný přenos. Na druhou stranu jsou prakticky všechny organické materiály paramagnetického druhu při pokojových teplotách. Feromagnetismus organických materiálů obvykle nastává pří velmi nízkých teplotách ( < 50 K ) . V souladu s uvedenými skutečnostmi musí být za normálních podmínek jev spinově polarizovaného přenosu běžný pro většinu organických vodičů. Mělo by být zdůrazněno, že organické materiály ( zjevně ) vykazují určitou magnetorezistivitu pro spinově polarizovaný přenos, stejně tak jako obyčejný elektrický vodič představuje elektrický odpor R pro přenos elektrických nábojů. Tato skutečnost je zřejmá z rozdílu mezí sexíthíofenem a Zn-ftalokyanínem. V souladu s uvedenými skutečnostmi bylo ukázáno, že organickými materiály mohou být vodiče polarizace spinu nosičů náboje, nicméně není zřejmé, že by mohly existovat supravodiče spinové polarizace.

Předložený vynález, založený na možnosti výrazné kontroly spinové polarizace ( SP ) nosičů náboje, injektovaných do polovodičových zařízení ( anorganického a organického původu ), umožňují řízení až dosud neovladatelného parametru, jenž má přitom primární význam v elektrcoptických a elektromagnetických procesech.

Předložený vynález navíc umožňuje vytváření nových druhů zařízení, kombinování CMR materiálů s organickými materiály a použití vhodného materiálu jako aktivního materiálu, jenž je

4 t « 4

4*4

4 4

4444 * · « • 4 · • 4 ·

4 4

4

4 4 • 4 · • 4 »·

4 4

4*4 ·· opticky vysoce nelineární, díky čemuž se podstatnou měrou přispěje ke poznáni v oboru magnetoelektroniky.

Předložený vynález navíc představuje způsob injekce polarizovaných spinů do organických polovodičů a spinově polarizovaného přenosu přes organické polovodiče.

Experimenty byly prováděny na zařízeních, která obsahují dvě spinově polarizované elektrody materiálu, jenž jsou odděleny úzkou nanomezerou a přes uvedenou mezeru jsou spojeny pomocí můstku z organického materiálu. Spinově polarizované nosiče náboje jsou injektovány z elektrody do organického

materiálu i	i prochází	jím,	přičemž si	zachovávají svou
polarizaci.	Užitečný	signál	odpovídal	magnetorezistenči,
naměřené na	zařízení.
Ve výše	uvedeném	popise	ilustrativním	způsobem popsané

příklady provedení předloženého vynálezu mohou být s výhodou provozovány bez přítomnosti jakéhokoliv prvku a / nebo fáze, která není přímo uvedená ve výše uvedeném popise.

Výše uvedený popis se dále odkazuje na italskou patentovou přihlášku číslo MI2000A000603, vůči které si předložený vynález nárokuje prioritu.

Odkazy na literaturu:

1. G.A. Prinz, Science, vol. 282, 1660 (1998) • · · · • * · • · · · • · « • 4 4 *

4 · 4 4

4 4« * • «»44 * » · 4 4 4 • 44 4* 444*

2. Μ. Ν. Baibich, J. Μ. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, F. Petroff, P. Etienne, G. Greuzet, A. Friederich, J. Chazelas, Phys. Rev. Lett., Vol. 61, 2472 (1988)

3. S. Jin, T. H. Tiefel, M. McCormack, R. A. Fastnacht,

R. Ramesh, L. H. Chen, Science, vol. 264, 413 (1994)

4. W. Nabhan, Y. Suzuki, Appl. Phys. A, vol. 66, 5101 (1998) ;

M. Oesterech, J. Híibner, D. Hágele, P. J. Klár, W. Heimbrodt, W. W. Ruhle, D. E, Ashenford, B. Lunn, appl. Phys. Lett., vol. 74, 1251 (1999)

5. A. Filipe, Materials Research Society Symposium Proceedings, vol. 475, 75 (1997);

H. Batelaan, A. S. Green, B. A. Hitt, T. J. Gay, phys. Rev. Lett., vol. 82, 4216 (1999)

6. P.-G. deGennes, Phys. Rev., v. 118, 141 (1960)

7. Η. Y. Hwang, S.-W. Cheong, N.P. Ong, B. Batlogg, phys Rev. Lett., vol. 77, 2041 (1996)

8. J. Kalinowski, NATO ASI SERIES 3 HIGH TECFINOLOGY, 1997, vol. 24, pages 167-206;

R. H. Friend, R. W. Gymer, A. B. Holmes, J. H. Burroughes, R. N. Marks, C. Taliani,

D. D. C. Bradley, D. A. Dos Santos, J. L. Brédas, M. Lógdlund, a W. R. Salaneck, Nátuře 397, 121 (1999)

...-.- ·· ·”· ··· !·· · · · · · ·

Σ · · ······.· • · »· · « · · · · · ··· ·· ·· *«·<

9. F. Caciallí, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A, vol. 358, 173 (2000);

A. L. Burin, M. A. Ratner, J. Chem. Phys. vol. 109, 6092 (1998)

10. D. Delabouglise, D. Berner, J.-P. Travers, Synthetic Metals, vol. 101, 317 (1999)

11. US patent číslo 5874749 s názvem Polarised optical emission due to decay nebo recombination of spin polarized injected carriers. { Polarizovaná optická emise vlivem rozpadem a rekombinace spinově polarizovaných injektovaných nosičů. ).

12. US patent číslo 4823177 s názvem Method and device for magnetizing thin films by the use of injected spinpolarized currents. ( Způsob a zařízení pro magnetizaci tenké vrstvy pomocí injektovaného spinově polarizovaného proudu. ).

13.

US patent číslo 5872368 s názvem Method of controlling a superconductor. ( Způsob kontroly supravodiče. )

14. US patent číslo 5838020 s názvem Method and apparatus for storing data using spin-polarized electrons.

( Způsob a zařízení pro uchovávání dat pomocí spinově polarizovaných elektronů. )

15. US patent číslo 5723978 s názvem Photo-inducible magnetic exchange coupling device.

• · · «·«· • ·

•i ·’ « · • · • · «·· ·

Fotoinčukovatelné magnetické výměnné ·· vazebné zařízení. )

Zastupuj e

SPOLEČNÁ ADVOKÁTNÍ KANCELÁŘ VŠETEČKA ZELENÝ ŠVORČÍK KALENSKÝ A PARTNEŘI

120 00 Prah* 2, Háková 2 Česka republika *

• · »·««· · .iupuiávehÁ' Strana

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1/5 vrstva La_{n 7}Sr. „MnO- na NdGaO

QL ω

o o o O o O o o o o o o o o o o o CO (D v CN

(Axq.o«peC 'QTT) BdTzue^tn: eAOtnsuretf

JUDr. PetrKaleneký advokát

0« 000· «

0 ·« • « W » • 0 0 · *

0 0 0 0 ·

0 · 0 « »· 00 0000

1. Způsob přenosu spinově polarizovaných nosičů náboje vyznačující se tím, že obsahuje:

a) fázi injekce spinově polarizovaných nosičů náboje do organického materiálu a

2/5

Ν

J σ

Ο

OBOPN ^eu OUIA1 JS ΒΊ »4 ·♦*♦

2. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že uvedený organický materiál je organický materiál, jenž je schopen vést elektrický proud.

3/5

Aplikace proudu

JUDr. Petr Kalenský advokát ·· ····

3. Způsob podle nároku 2 vyznačující se tím, že uvedený organický materiál je zvolen ze skupiny, jenž je tvořena thiofeny a metal-ftalokyaniny.

4/5

Zařízení: feromagnet - sexithiofen (100x125 nm) - feromagnet (Aaqo) aodpo lUDr. Petr Kalenský advent tt· ···· » * · ··· • · • · • · • · tt tt···

Zařízení: feromagnet — ftalokyanin (80x100 nm) - feromagnet

4· ·

999 44 *

·

4

4444

4 *44

4 · 4 4

4« 4444

4 4 4 4 áve*»á* átírana

18. Zařízení podle nároku 10 pro indukci magnetorezistence do organického materiálu vyznačující se tím, že obsahuje:

a) zařízení pro injekci spinově polarizovaných nosičů náboje, které obsahuje první spinově polarizovanou elektrodu a druhou spinově polarizovanou elektrodu;

médium, které je vhodné pro přenos spinově polarizovaných nosičů náboje, přičemž uvedené médium pro přenos spinově polarizovaných nosičů náboje obsahuje organický materiál, který je vložen mezi uvedenou první a druhou spinově polarizovanou elektrodu;

c) zařízení pro aplikaci vnějšího magnetického pole.

19. Zařízení podle některého z nároků 10 až 18 vyznačující se tím, že uvedená zařízení pro injekci spinově polarizovaných nosičů náboje jsou tvořena dvěma elektrodami, které jsou ve vzájemném tunelovém kontaktu pomocí uvedeného organického materiálu, a magnetická polarizace uvedené první a druhé elektrody může být odděleně měněna pomocí aplikace lokálních magnetických polí, přičemž uvedené zařízení je

0 0

0 ·· 0 « • 0

0 · • 0 0 * · · · • · 0 • 0 0 vhodné pro použiti ve funkci paměťového prvku

20. Zařízení podle nároku 10 vyznačující se tím, že obsahuje katodu pro emisi spinově polarizovaných elektronů, přičemž uvedená katoda je vyrobena z materiálů, které mají 100 % spinovou polarizaci nosičů náboje, a je potažena ochrannou vrstvou, jenž je tvořena uvedeným organickým materiálem.

21. Způsob podle nároku 2 vyznačující se tím, že uvedený organický materiál je zvolen ze skupiny, která je tvořena sexithiofenem a Zn-ftalokyaninem.

22. Zařízení podle nároku 10 organický materiál je zvolen ze sexithiofenem a Zn-ftalokyaninem.

Zastupuje vyznačující se tím, že skupiny, která je tvořena

JUDr. P. Kalenský

120 00 Praha 2, Hůlková 2 Česká republika •4 4444

V *

4 4 4

4 ••UpbJÍ • W

4

4 9 ·* *

4

4 • 4 9

4. Způsob podle některého z předcházejících nároků vyznačující se tím, že uvedený materiál má podobu tenké vrstvy, jejíž tloušťka je dostatečná k zajištění elektrické kontinuity uvedeného materiálu.

5. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že injekce • · « ·*·« ··· • · · · » t · · · • · · · «»«··· ··· ·♦· ♦ ·_ν · ·· · ·♦· upravena»*e<rana podle fáze a) je provedena pomocí elektrického proudu, tekoucího mezi dvěma elektrodami vrstvou uvedeného organického materiálu.

6. Způsob podle nároku 5 vyznačující se tím, že uvedené elektrody jsou vyrobeny z materiálů, které mají 100 % spinovou polarizaci nosičů náboje, s výhodou jsou pak vyrobeny z feromagnetických manganitanů se složením Α₀,7Β₀,3ΜηΟ₃, kde A je vzácná zemina, zejména La, Nd, a B je dvojmocný kov, zejména Ca, Sr, Pb.

7. Způsob podle nároku 6 vyznačující se tím, že uvedené elektrody jsou vyrobeny ze sloučeniny Lao_ř7Sr_0j3Mn0₃.

8. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že přenos uvedených nosičů náboje je zajištěn pomocí aplikace elektrického pole do uvedeného organického materiálu, zejména pak pomocí elektrického pole s intenzitou

E > 10⁴ - ΙΟ⁵ V / cm.

9. Způsob indukce magnetorezistence do organického materiálu vyznačující se tím, že obsahuje:

a) fázi injekce spinově polarizovaných nosičů náboje do organického materiálu ze spinově polarizované elektrody;

a

b) fázi přenosu uvedených spinově polarizovaných ,*£.rana ft » • · • · • « nosičů náboje přes uvedený organický materiál mezi uvedenou spinově polarizovanou elektrodou a druhou spinově polarizovanou elektrodou při aplikaci vnějšího magnetického pole.

10. Zařízení pro spinově polarizovaný přenos nosičů náboje vyznačující, se tím, že obsahuje:

a) médium, které je vhodné pro přenos spinově polarizovaných nosičů náboje, a

b) zařízení pro injekci spinově polarizovaných nosičů náboje do uvedeného média, které je vhodné pro přenos spinově polarizovaných nosičů náboje;

přičemž uvedené médium obsahuje organický materiál, který je vhodný pro přenos spinově polarizovaných nosičů náboje.

11. Zařízeni podle nároku 10 vyznačující se tím, že organický materiál je organický materiál, jenž je schopen vést elektrický proud.

12. Zařízení podle nároku 10 vyznačující se tím, že organický materiál je zvolen ze skupiny, jenž je tvořena thiofeny a metal-ftalokyaniny.

* v «· • ·· • to · ·’· ”’í ··· toto to • to • · · ·· · •••u^rcivéftcf .iitrana

13. Zařízení podle některého z předcházejících nároků vyznačující se tím, že materiál má podobu tenké vrstvy, jejíž tloušťka je dostatečná k zajištění elektrické kontinuity uvedeného materiálu.

14. Zařízení podle nároku 10 vyznačující se tím, že uvedená injekční zařízení jsou vyrobena z materiálů, které mají 100 % spinovou polarizaci nosičů náboje, s výhodou jsou pak vyrobeny z feromagnetických manganitanů se složením Aq, 7B0,3MnO₃,

15. Zařízení podle nároku 14 vyznačující se tím, že uvedená injekční zařízení jsou vyrobena ze sloučeniny La₀,7Sr₀,₃MnO₃.

16. Zařízení podle nároku 10 vyznačující se tím, že dále obsahuje zařízení pro aplikaci elektrického pole do uvedeného materiálu, jenž je vhodný pro přenos nosičů náboje.

17. Zařízení podle nároku 10 vyznačující se tím, že uvedený organický materiál je elektroluminiscenční materiál a uvedená zařízení pro injektáž spinově polarizovaných nosičů náboje jsou první spinově polarizovaná elektroda a druhá spinově polarizovaná elektroda, přičemž uvedená první elektroda je elektroda pro injekci spinově polarizovaných elektronů a uvedená druhá elektroda je elektroda pro injekci spinově polarizovaných děr a přičemž uvedené zařízení je vhodné pro použití u světlo emitujících diod.

5/5

Elektrické pole ( V/cm

JUDr. Petr Kalenský advokát