JP6225167B2 - 保護層を中心に有するスピン注入デバイス - Google Patents

Description

本出願は、エレクトロニクスの技術分野、より正確にはスピントロニクスの技術分野に関する。本発明は、詳細には、通過する電子をそのスピンの配向にしたがってフィルタリングできるスピン注入デバイスを製造する方法に関する。

半導体産業での技術的進歩は、電子デバイスの寸法を大幅に縮小し、それによりその性能と複雑さが高まった。近年、原子スケールのデバイスの製造は、特にこのスケールで起こる物理的現象に関連した新しい問題に直面している。したがって、半導体の性能を更に高めるには、新しい概念に基づいてデバイスを開発する必要がある。

そのような概念の一つは、情報を記憶するために電子のスピンの量子特性を活用することである。これは、スピントロニクスの技術分野である。

電子は、幾つかの固有の値、詳細にはその角運動量またはスピンを特徴とする。原子スケールでの測定の不確定性原理のため、電子スピンの測定は、一つの観測量または方向だけで可能であり、その値は正または負になりえる。これらの状態はそれぞれ、「スピンアップ」と「スピンダウン」と呼ばれる。

この特性を産業レベルで活用するには、電子スピンのバイアス状態を選択しかつ／または読み取ることができるデバイスを開発する必要がある。スピンの配向に応じて電子の選択またはフィルタリングを可能にするデバイスは、スピン注入デバイスと呼ばれる。

現在、幾つかのスピン注入デバイスが開発されている。そのようなスピン注入のうちの幾つかは、トンネル効果を利用して電子をフィルタリングする。この効果は、トンネルバリアと呼ばれるバリアが２つの導電エレメントの間に挟まれたときに観察される。物理的に、トンネルバリアは、電子拡散をあまり促進しない媒介物である。したがって、この媒介物は、絶縁性または半導体性でよい。

トンネル効果によって２つの導体間で移動する粒子のスピン配向などの量子特性はその移動の際に保存される。この特性を使用して２つの強磁性導電エレメント間で情報を移動することができる。次に、電子のバイアス状態は、情報の符号化を可能にし、トンネルバリアの反対側に配置された強磁性導体を使用して検出でき、これらの全てが磁気トンネル接合を構成する。デバイスの両方の強磁性層の磁化を平行または逆平行アライメント状態にすることによって、デバイスを通過する電流のスピンバイアス度を測定することができる。電流は一方の電極から他方の電極に流れるので、電流スピンバイアスとこのバイアスの検出（または、「読み出し」）の機能は、電流の符号の関数として磁気トンネル接合の両方の界面のそれぞれに割り当てられる。次に、デバイスを通過する電流の符号を変化させることによって、界面における電流スピンのバイアスと検出の割り当てを簡単に逆転することができる（非特許文献１）

隣接した強磁性電極に適した電子構造を有するトンネルバリアを選択することによって、磁気トンネル接合のスピンバイアス性能を１０倍に高めることができる。この場合、伝導電子の幾つかの波動関数は、その関数が強磁性層内で強くスピン偏極され、バリアを通過し易くなり、その結果、スピンバイアス電流が生じる（非特許文献２）。この効果は、例えば、２つの鉄合金層間に酸化マグネシウム層を挟むことにより観察された（非特許文献３）。

別の開発方法は、トンネルバリアとして有機層を使用することにある（非特許文献４）。有機材料は、無機材料と比べて原子質量または番号が低いので、伝導電子のバイアス状態との相互作用が弱いという利点を持つ。したがって、それらの電子のスピンは、このタイプの材料を通過するときにはあまり妨げられない。そのような材料は、バイアススピン注入デバイス（非特許文献５）などの将来の用途にはきわめて有望と思われる。

最近の研究から、磁気媒体と有機層の間でバイアススピンの伝達を可能にするには、前記界面に結合現象が必要であることが分かった（非特許文献６）。ただし、界面が不純物を含みかつ／または酸化されているとき、伝達特性はすぐに劣化することがある。より正確には、表面が酸化されたとき、スピンの秩序の程度が低下し、更には抑制される可能性があり、その理由は、遷移金属を主体とする強磁性電極が、空気中にある酸素と接触して、無秩序な反強磁性特性を有する酸化物を形成することになるからである。無機スピントロニクスの分野では、この結果、デバイスのスピントロニクス性能が低下し、更には消失することがある（非特許文献７）。これは、産業レベルでこの種のデバイスの使用を制限する原因の一つである。

現在、この酸化現象を防ぐために、解決策は、真空雰囲気などの被制御または非酸化雰囲気環境で磁気基板上に有機層を付着させることである。本明細書では、例えば１ｐｐｍの酸素および／または水を含むグローブボックスの環境でさえ、強磁性層のスピントロニクス特性を劣化させることがあることを注意されたい。

更に、真空下では分子の限られた部分しか昇華されない可能性があるが、湿潤形態では、例えば浸漬コーティングまたはスピン・コーティングによって、膨大な組の分子が調整されうる。

もう一つの欠点は、付着された有機層の組成が、スピントロニクス特性を低下させるために磁性層と相互作用する可能性の高い元素を含んではならないことである。そのような元素の中でも特に、酸素について言及される。これにより、幾つかの形態では、反強磁性特性を有する無秩序遷移金属の酸化物が形成されて、スピントロニクス特性が低下する可能性がある。そのような排除された元素は、きわめて多数の有機化合物の組成で使用される。このため、電流生成技術は、幾つかの組成だけに制限される。

このため、とりわけ、磁性層上に有機層を含むスピン注入デバイスは、生産環境要件のために、組み立てに慎重を要し、それにより、分子のタイプが、真空昇華できるクラスの分子に制限される。

本出願の目的の一つは、有機層を含むスピン注入デバイスを、
−要求の少ない環境で、
−潜在的酸化リスクのために酸素のような一般的化学元素を除外しない有機層を有し、
−および／または有機層に面する磁気面を酸化または汚染せずに製造を可能にすることであり、
−そのスピンフィルタリングレートが改善される。

Fert, Nobel Lectures 2008 Angew. Chem. Int. Ed.2008, 47, 5956〜5967 Bowen PHYSICAL REVIEW B 73,140408R (2006) Appl. Phys. Lett. 90, 212507 (2007) Physical Review Letter 98, 016601(2007) Nature 427 821 (2004) Nature Material 6, 516(2007), Physical Review Letter 105, 077201(2010) Physical Review B79, 224405 (2009)

本発明の目的は、以上の問題のうちの少なくとも一つを解決することである。

そのために、スピン注入デバイスを製造する方法であって、
ａ）基板の面または第１の面上に保護層を形成して、環境による前記面の酸化および／または汚染を制限または防止するステップであって、面は、磁気および電気伝導性でよく、保護層は、反磁性または常磁性でよく、好ましくは保護層は、常磁性であり、強い磁化率を含むステップと、
ｂ）前記層と基板の面との間のバイアス電子の移動を促進する、保護層上に上側層を形成するステップとを含む方法が提供される。

本発明は、更に、スピン注入デバイスを製造する方法であって、
ａ）基板の面上に金属保護層を形成して、環境による前記面の酸化および／または汚染を制限または防止するステップであって、基板の面が、磁気および電気伝導性であり、保護層が、反磁性または常磁性であるステップと、
ｂ）保護層上に上側層を形成するステップであって、上側層は、基板および／または基板の面の磁気によって定義された振幅およびスピン基準系により保護層と上側層との間の界面のフェルミ準位の近くで電子状態のスピンバイアスを促進することができ、上側層は有機層であり、その一つまたは複数の分子部位は、保護層に接して、空間と時間に固定され、基板および／または基板の面の磁気基準系に基づくか対応する単一磁気基準系を特徴とする常磁性モーメントを有するステップとを含む方法を提供する。

保護層は、組成と構造が、前記保護層に接する雰囲気中にある、空気と水による影響をほとんど受けない層である。保護層は、金属でよく、例えば一つまたは複数の貴金属で構成されるか、例えば銅、銀、金の元素のうちの一つまたは複数で構成される。したがって、基板の磁気は、磁気間接交換結合メカニズムによって保護層／上側層の界面の原子によって伝えられる磁気を生じさせることができる。その結果、保護層／上側層界面のそのような原子のフェルミ準位あたりに電子のスピンバイアスができ、これは、この界面を通過するように意図された電流のスピンバイアスである。

間接交換結合の物理学は、非磁性層を介して基板からの磁気の発射を可能にするメカニズムと関連し、本明細書では、保護層は、本質的に、金属保護層か絶縁性保護層か、更には半導性保護層かに関係なく機能する。しかしながら、作用は、主に、金属層の場合には振動になるが、絶縁または半導電層の場合にはそれはきわめて一過性の本質的特徴（指数関数的に減少する）となる。したがって、金属保護層を介して達成される交換結合は、絶縁または半導電層を介した場合よりも振幅（約１０^９倍高い）と強度の点で優れており、詳細には、単層（銅単層の場合には約０．１８ｎｍ）より大きい厚さを有する層と考えられる。

保護層に接する上側層の分子部位によって示された常磁性モーメントは、基板の磁気、更には強磁性に関する磁気秩序によって引き起こされる長期磁気秩序を含むと考えられる。長期磁気秩序は、分子部位にある原子のまわりにある第１、第２または第３の隣接原子を分離する距離より大きい距離によって定義されてもよい。

保護層の厚さは、基板の第１の面に実質的に垂直または垂直の方向に、前記保護層を構成する原子層の１〜１３０倍の厚さでよいが、この厚さが増えるときに交換磁場が減少するので（Nanomagnetism: Ultrathin Films, Multilayers and Nanostructures Vol 1 Chap.3 p.61 (2006)）、保護層の厚さが小さいままであることが好ましい。例えば、保護層を作成する原子層の１〜７倍の厚さである。原子層は、その厚さ方向に単一原子を含む。

上側層は、例えば、炭素、窒素、酸素、フッ素、ホウ素、鉄、コバルト、マンガン、銅、バナジウム、亜鉛、マグネシウム、シリコンなどの元素のうちの一つ以上を含む有機層または層でよい。上側層は、また、硫黄、水素、アルミニウム、カリウム、塩化物、ナトリウムの要素のうちの一つを含むことができる。

保護層は、絶縁性または半導性のものでよい。

基板と上側層が接触したときその間に約１０００Ｔの直接交換磁界が確立され、上側層（例えば、炭素部位）にある少なくとも一つの初期非磁性体部位をバイアスすることが好ましい。保護層を通過する交換磁界は、約２Ｔの値を超えなくてもよい。次に、少なくとも上側層が保護層上に吸着した後で、上側層が、少なくとも一つの非ゼロ常磁性モーメントを有する少なくとも一つのエレメントを含むことが好ましいことがある。常磁性分子部位のモーメントは、基板と上側層との間の間接交換磁界によって、少なくとも５０％に飽和されることが好ましい。保護層と上側層との界面でのこの交換磁場を増幅するために、保護層の厚さは、その電子構造にしたがって慎重に制御されうる（以下および詳細な説明を参照）。

上側層は、有機層でよく、その一つまたは複数の分子部位が、保護層と接して常磁性モーメントを示す。次に、保護層を介した上側層と基板との間に生じる間接交換結合によって、磁気秩序が生じることがある。この磁気秩序は、上側層と保護層との間の界面を形成する分子の全ての原子に共通である。これは、電流がスピン注入デバイスを通過する場合に、交換結合によって生じる基板の磁気面による（前記分子部位によって形成された）分子平面の強磁性アライメントによって、この分子平面を通過するこの電流の著しいスピンバイアスを引き起こすことがある。

前述の共通磁気秩序によって、保護層に接している有機層の各原子の常磁性モーメントは、基板と上側層との間の間接交換結合によって基板の磁性材料の磁気基準系に沿って整合されうる。したがって、基板が強磁性体を含むとき、前記分子部位に生じる磁気モーメントは、強磁性特性を得る（誘導強磁性によって）。こうして、保護層／上側層の界面からのスピンバイアス電流を得ることができる。

スピン注入デバイスを製造する方法は、更に、基板および／または基板の面の磁性を制御する手段の作成を含むことができる。そのような手段は、基板の磁気基準系（強度）に作用することによって、磁気基準系（強度）、したがって分子層（上側層）のスピン基準系（バイアス）を制御することができる。これは、例えば、基板に、磁気、電気、電磁界、機械的膨張および／または収縮を適用すること、更には磁気基板の温度変化を適用することを可能にする手段によって達成されうる。

基板の第１の面は、強磁性、フェリ磁性および／または反強磁性でよく、例外なく、コバルト、ニッケル、鉄、鉄またはコバルトとパラジウムや白金などの４ｄおよび／若しくは５ｄ型金属との合金、および／またはＦｅ₃Ｏ₄またはＴｉＯ_(2-x)などの一つまたは複数の磁性酸化物のうちの一つから構成されてもよい。前記第１の面は、適合性のある結晶組織を有する保護層の成長を可能にするために、結晶化されるか、例えばＣｏ ｆｃｃ（００１）やＦｅ ｃｃ（００１）の結晶構造のものでよい。

基板と保護層が結晶化されるとき、保護層内に量子井戸状態の生成によって、基板の第１の面から、スピンバイアスされる上側層に接する保護層の対向面までの、スピンバイアス状態の密度をより高める（better projecting）ために、保護層の厚さを慎重に選択することができる。

この結晶化条件は制限がない。基板の第１の面が強磁性の場合、基板および／またはその第１の面は、保護層と同様に非晶質でよい。

間接交換磁場をよりよく発生させる（better print）ために保護層と上側層との間に化学結合が確立され、かつ／またはその状態からスピンバイアス状態密度が、上側層の原子の第１の平面の原子部位において保護層内で量子化することが好ましい。

有利には、保護層は金属であり、これにより、例えばナノテクノロジーの低抵抗デバイスを製造することが可能になる。

有利には、保護層は、基板の第１の面が、前記保護層に接する上側層の第１の原子層を構成する原子の磁気特性を修正し制御することを可能にする。この影響は、上側層のより深い層まで拡張される可能性がある。

有利には、基板は、コバルトを含むことができ、保護層は、銅を含むことができ、上側層は、ＭｎＰｃ（マンガンフタロシアニン）を含むことができる。そのような構成では、上側層の分子の原子部位（Ｍｎ（マンガン）だけでなくＰｃ（フタロシアニン）のＣ（炭素）とＮ（窒素）も）は、保護層のＣｕによって上側層の材料と基板の材料との間で間接交換によって生じる共通磁気秩序を特徴とする常磁性モーメントを有し、これは、特に室温で外部磁界がないときに著しい。これらの原子部位のこの実際の強磁性から、フェルミ準位の非ゼロ平均スピンバイアスが生じる。

方法は、更に、基板および／または基板の面の磁気を制御する手段の製造を含むことができる。そのような制御手段は、基板および／または基板の面の磁気を制御することにより、保護層と上側層との界面の磁気を制御することを可能にする。

一つの選択肢によれば、スピン注入デバイスの基板は、中間デバイスに接続されるか取り付けられてもよい。中間デバイスは、前述のように、基板に接するかその基板上の保護層からなる。これらのデバイスは両方とも、中間デバイスの保護層を介して相互接続されてもよい。

したがって、本発明は、また、本発明によってスピン注入デバイスを製造する方法を実施することを含む装置を製造する方法に関し、スピン注入デバイスは、第２の基板上に提供された第２の保護層を含む中間デバイスに接続されてもよく、中間デバイスの第２の保護層は、基板またはスピン注入デバイスの上側層に対して提供されてもよい。この構成には、スピン注入デバイスを通過する電流のスピンバイアスを制御できるが、上側層のスピン基準系をギガヘルツ範囲内の周波数に事前に止めることができるという利点がある。

別の選択肢によれば、前述のようなスピン注入デバイスの上側層は、前述の中間デバイスの保護層に接続または取り付けられうる。

前述のデバイスの外側両側層は、電流発生器デバイスに接続されてもよい。

電流発生器デバイスは、動作温度が−５０℃より高い場合に、少なくとも１０％、更には約２０％より高い値までバイアスされることによって、スピン注入デバイスの少なくとも保護層を通過するように意図されるバイアス電流を出力することができる。したがって、このデバイスを作動させて、電流が、スピン注入デバイスの少なくとも保護層を通過するようにすることができる。デバイスから出力された電流は、デバイスの動作温度が−５０℃、−２０℃、０℃、５０℃、１５０℃、２５０℃、および／または５００℃より高い場合に、同じ方向に沿って、少なくとも５％、少なくとも１０％、または少なくとも２０％バイアスされうる。

本出願は、また、
−面または第１の磁気面および導電体を含む基板と、
−環境による前記面の酸化および／または汚染を制限または防止するために、基板の面上の保護層であって、低磁性、反磁性または常磁性のものでよい保護層と、
−保護層上の上側層であって、前記層と基板の第１の面との間のバイアス電子の輸送を促進する上側層とを含むスピン注入デバイスに関する。

基板は、中間層または中間デバイスの基板によって、前述のように中間デバイスに接続または結合されてもよい。

前述のデバイスの外側の両側層は、電流発生器デバイスに接続されてもよい。

本発明の更なる詳細および特徴は、以下の添付図面を参照して以下の説明から明白になる。様々な図の同一部分、類似部分または同等部分は、ある図から別の図への切り換えを容易にするために同じ参照数字を有する。図に表わされた様々な部品は、図をより明瞭にするために、必ずしも均一な倍率で描かれていない。図に示された基準系は直角である。

スピン注入デバイスを作成するステップを表す図である。 スピン注入デバイスを表わす図である。 スピン注入デバイスの第１の選択肢を表わす図である。 スピン注入デバイスの第２の選択肢を表わす図である。

本出願の目的の一つは、電流源に接続されたときに材料にバイアススピンを注入するデバイスの製造を容易にすることである。このタイプのデバイスは、スピン注入デバイスとしても知られる。

製造方法は、産業の要求に適合する場合、即ち、実施が容易で、高速および／または低コストであると同時に大規模に再現可能である場合に容易化される。

スピン注入デバイス３０は、基板１０と呼ばれる第１の材料を含み、第１の材料は、導電性であり、磁気特性を有する。基板１０の第１の面１１は、外部環境に接しており、強磁性、フェリ磁性および／または反強磁性タイプの磁気特性を有する（図１）。

基板の第１の面１１は、例えば、酸化物、窒化物、および／または炭化物を含むか、これらをベースとしてもよく、コバルト、鉄および／またはニッケルをベースとしてもよい。「ベースとする」という用語は、前記第１の面１１および／または基板１０を構成する元素の５％、１０、５０％または９０％以上の割合の体積を定義する。

基板１０の第１の面は、構造化され、好ましくは結晶化されて、その表面でスピンバイアス状態を−１ｅＶ＜Ｅ−ＥＦ＜＋１ｅＶのエネルギー範囲で促進し、かつ後述する保護層２２の状態に電子的に結合しうる。

基板の第１の面がコバルトを含む場合、面心立方（ｆｃｃ）型結晶構造を有し、これらの結晶面の配向は、以下のミラー指数（００１）によって定義される。

基板１０並びに保護層２２は、公知技術（スパッタリング、電子ビーム蒸着、熱昇華など）による真空蒸着によって作成される。本体フレームの基本的な真空品質（１．１０^-8ｍｂａｒ未満）と、基板１０の蒸着の終わりから保護層２２の始まりまでのわずかな時間によって、得られる界面２４の化学的品質が改善されうる。第１の面１１は、平坦面であることが好ましい。

製造方法は、第１の面１１を少なくとも部分的に、保護層２２と呼ばれる中間層によって覆う第２のステップを含むことができる。これにより、中間デバイス２０が得られる。

保護層２２は、非晶質でもよく結晶化されてもよく、第１の面１１に対して垂直または実質的に垂直な方向の厚さは、１単層以上でかつ８単層未満、または前記層を構成する原子の１単層〜３単層、好ましくは約２単層でよい。単層は、第１の面１１と平行または実質的に平行であることが好ましい。

保護層２２は、例えばＡｕ、Ｃｕ、Ａｇ、または空気と水に対する反応性が低い任意の金属などの貴金属のうちの一つまたは組み合わせでよい。保護層２２は、常磁性であり、強い磁化率を有することができることが好ましい。

面２６は、基板１０の第１の面１１に接する保護層２２の面２４に対向し、上側層３２を構成する第３の材料で覆われうる（図２）。こうして、スピン注入デバイス３０が得られる。

上側層３２は、例えばスピン注入器を構成する有機層と同じ性質の有機性であることが好ましい（Phys. Rev. Lett. 105, 077201 (2010)）。

間接交換磁場をよりよく発生させる（better print）ために、保護層２２の面２６と上側層３２の面２４との間に化学結合が確立され、かつ／またはその状態からスピンバイアス状態密度が、保護層内で、上側層の原子の第１の平面の原子部位上で量子化することが好ましい。

本発明の利点の一つは、面１１上の保護層２２の存在のため、有機層の組成をより多く変更できることである。これは、真空生産において劣化する分子を含みうる。これは、更に、有機層と直接接する面１１のスピントロニクス性能を潜在的に低下させる要素を含みうる。例えば、上側層３２は、トリス（８−ヒドロキシキノリン）アルミニウム（ＩＩＩ（Ａｌｑ３）、ポルフィリン、フタロシアニン（Ｐｃ）、５，６，１１，１２−テトラフェニルナフタセン（ルブレン）、ペリレン−３，４，９，１０−テトラカルボンジ無水物（ＰＣＴＤＡ）、テトラシアノエチレン（ＴＣＮＥ）、テトラチアフルバレン（ＴＴＦ）、テトラシアノキノジ−メタン（ＴＣＮＱ）、Ｆｅ−フェナトロリン、超分子メタログリッド［Angew. Chem. Int. Ed.2004, 43, 3644］、カーボンナノチューブ、グラフェンの要素のうちの一つまたは組み合わせから構成されうる。

上側層３２の厚さは、基板１０の第１の面１１に対して垂直または実質的に垂直の方向に、１分子平面を超え１０００ｎｍ未満、即ち１〜３分子平面、好ましくは約２分子平面でよい。

有利には、上側層の形成は、特定の要件によって、より具体的には面１１の表面状態の保全に制限されない。したがって、上側層３２は、熱昇華（当然ながら「乾式」技術の例として）と、ドロップキャスティング、スピンコーティング、ラングミュア‐ブロジェットなどの任意の「湿式」技術のうちの一つによって形成されうる（A. Ulman, An Introduction to Ultrathin Organic Films From Langmuir-Blodgett to Self-Assembly, Academic Press, Inc.: San Diego (1991)）。これらの技術はほとんど、既に工業規模で使用されており、したがって、実施が簡単で低コストである。

次に前述の製造方法の幾つかの代替例について述べる。

第１の選択肢によれば、中間デバイス２０上にスピン注入デバイス３０を配置することができる（図３）。中間デバイス２０の保護層２２は、スピン注入デバイスの基板１０に接しうる。

この保護層２２は、非導電性層によって代用でき、拡散輸送を可能にする。この場合、Ｃｏなどの基板１０とＳｉやＧａＡｓなどの保護層２２とを使用することができる。非電導保護層２２は、また、デバイス４０の両方の基板１０の間でバイアススピンのトンネル効果輸送を可能にすることができる。この場合、例えば、ＣｏやＮｉ_８０Ｆｅ_２０など基板１０と、Ａｌ_２Ｏ_３（Fert, Nobel Lectures 2008 Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 5956〜5967）やＳｉＯ₂（PHYSICAL REVIEW B73, 172402 (2006)）などの保護層２２を使用することができる。好ましくは、スピン注入デバイス３０の基板１０は、中間デバイス２０の基板１０より保磁力が小さく、その結果、トルク効果スピン移動により両方の基板１０の平行および逆平行磁化状態を得ることができ、これにより、バイアス電流のスピン運動量の作用（基準系と同様、層の磁化は、最も強力な保磁場を有する）が、最も低い保磁場を有する層の磁化に反映される（Fert, Nobel Lectures 2008 Angew. Chem. Int. Ed. 2008,47, 5956〜5967f）。

したがって、中間デバイス２０は、デバイス４０を通るバイアス電流の伝搬方向により磁化を制御することによって、スピン注入デバイス３０の挙動と、詳細には上側層３２の磁化基準系に影響を及ぼすかまたはそれを制御することができる。

図３に示された配置は、スピン注入デバイスを通過する電流のスピンバイアスを、ギガヘルツ周波数領域内で静的または動的に制御できるという利点を有する。第２の事例では、これにより、スピン角運動量の作用が保磁力の少ない基板の磁化基準系に反映され、この作用は、次にこの周波数領域内の歳差運動（precession）になる（Fert, Nobel Lectures 2008 Angew. Chem. Int. Ed.2008, 47, 5956〜5967）。

第２の選択肢によれば、中間デバイス２０は、トンネル効果デバイス５０を構成するために、２つの電導および磁気基板１０の間に有機層３２を含むスピン注入デバイス３０と組み立てられうる（図４）。上側層２２が有機性の場合、上側層２２の構造および化学品質を改善するために、この層への金属層の蒸着は低温時に行われてもよい。

上記の方法は、電流発生器デバイスと共に、デバイス３０、４０および５０の周辺層を電気的に接続する工程を含みうる。発生器を作動させると、スピンバイアス電流が保護層２２と上側層３２を通過しうる。十分な電流がデバイス４０および５０を通過できるようにすることによって、強磁性層の相対磁化配向を修正することができる。好ましくは、これらの層を通過する電子の５％、１０％、５０％超え、または７０％以上の電子が同じスピンタイプを有する。このバイアス比率は、デバイスの動作温度が−５０℃、０℃、５０℃、１５０℃、２５０℃または５００℃より高い場合に維持される。

上記の方法は、詳細には、基板１０と上側層３２との間に保護層２２を挟むことによって、先行技術と異なる（図２、図３および図４）。保護層２２は、以下の機能のうちの少なくとも一つを備える。
−任意の酸化および／または汚染現象から基板１０の第１の面１１を保護する。
−基板１０および／または第１の面１１の磁気特性の乱れをできるだけ少なくする。
−上側層３２の表面２６へのハイブリダイゼーションを促進して、基板１０の第１の面１１が、保護層２２と接する上側層の面３４を構成する第１の原子層の少なくとも５％、１０％、５０％、または７０％以上をバイアスできるようにする。
−かつ／または、基板１０と上側層３２との間の電磁結合効果を制御する。

保護層２０は、空気および／または水に晒されても劣化しない性質のものであることが好ましい。したがって、貴金属で作成されうる。

上記のデバイス（３０，４０，５０）を作成するために使用される材料の選択は、基板の第１の面１１、保護層２２、および／または上側層３２の特性の関数として行われうる。

保護層は、人工合金から作成されるとき。

保護層２２の厚さの選択は、保護層２２の組成と、前記層と接する面１１の組成の関数として行われうる（J. Phys.: Condens. Matter 14(2002) R169 R193; Applied Surface Science, Volumes 162〜163, 1 August 2000, Pages 78-85; より一般的な参考として: Nanomagnetism: Ultrathin Films, Multilayers and Nanostructures Vol.1 Chap.3 p.61 (2006)）。

厚さのこの選択は、初期基板上の層１０および２０のエピタクシー要件を考慮すべきであるが、保護層２２と上側層３２との界面での正確な位相蓄積も考慮すべきであり、デバイスの動作温度を考慮するために最適化することができる（Rep. Prog. Phys. 65(2002) 99 141）。表１に開示された保護層の厚さは、第１の面１１と上側層３２の間の電磁結合現象を促進するために前記値の複合値を有することができる（Physical Review Letter, 80, 1754(1998)）。この現象は最大で１３０個の単層の保護層の厚さまで残存する（Applied Surface Science, Volumes 162〜163, 1 August 2000）。しかしながら、交換結合の強度は、厚さが増大したときに減少する（Nanomagnetism: Ultrathin Films, Multilayers and Nanostructures Vol 1 Chap.3 p.61 (2006)）。前述の基準による保護層の厚さは、小さいままであることが好ましい。

表１は、基板１０／保護層２２対の幾つかの具体例を示す。保護層が、空気および／または水との接触により劣化しないという条件で、幾つかのスピントロニクス条件に加えて任意の対の充填物（中間層交換結合、バイアス量子化ウェルの状態（Fert, Nobel Lectures 2008 Angew. Chem. Int. Ed.2008, 47, 5956〜5967, Nanomagnetism: Ultrathin Films, Multilayers and Nanostructures Vol 1 Chap.3 p.61 (2006)））を使用することができる。例えば、基板１０として、Ａｇ（１００）、Ａｇ（１１１）、Ｃｕ（１００）、Ｃｕ（１１１）、Ａｕ（１００）、Ａｕ（１１１）の元素のうちの一つからなる保護層２２と関連付けられたＦｅ（１００）、Ｆｅ（１１１）、Ｃｏ（１００）、Ｃｏ（１１１）、Ｎｉ（１００）、Ｎｉ（１１１）、ｈｃｐ Ｃｏ（０００１）のうちの一つについて言及することができる。

上記の製造方法は、詳細には、以下の利点を有する。
−基板１０は、保護層２２によって覆われた後で、その第１の面１１の磁化特性を低下させることなく、酸化または湿潤環境に保管または移動されうる。
−中間デバイス２０上への上側層の付着は、酸化雰囲気環境あるいは基板１０およびその上側面１１のスピントロニクス特性を劣化させる性質を有する環境で行われうる。
−上側層３２（その化学的性質が、基板１０と直接接触して、基板１０の表面１１の特性を劣化させる可能性がある）は、保護層２２によってスピントロニクスデバイスに組み込まれうる。
−基板１０の表面１１のスピントロニクス特性は、質的（即ち、基板１０の磁化によって制御されたスピン基準系フレームからスピンバイアスの存在に関して）に上側層３２にオフセットされる可能性があり、基板１０は、他の状況ならば基板１０の表面１１のスピントロニクス特性に有害な環境に置かれる上側層をスピントロニクス的に制御することができる。

本出願は、また、前述の製造方法のうちの一つから得られたデバイスに関する。

第１のデバイスは、基板１０と上側層３２の間に挟まれるかそれらを分離する中間層２０を含むスピン注入器３０である（図２）。

第２のデバイス４０は、中間デバイス２０の上に配置されたスピン注入器３０を含むオフセットスピントロニクス駆動有機層である（図３）。

第３のデバイス５０は、保護有機スピントロニクス接合である。これは、少なくとも一つのスピン注入器３０を含み、保護層の面２６と反対側の上側層３２の面３６は、例えば基板１０などの導電性磁気エレメントで覆われる。中間層３２は、保護層２２によってデバイス５０の両方の基板１０から分離されることが好ましい（図４）。

これらのデバイスの特性は、その製造方法に関して述べた特徴と同一または類似である。

前述のデバイス（１０，３２）の外側および対向エレメントは、電流が上側層３２を通過できるように、強度発生源に電気的に接続されうる。

有利には、これらのデバイスは、上側層３２から、更には上側層３２の環境（空気、水）から保護された磁気基板１０によって制御される上側層３２の磁化を可能にし、したがってスピンバイアス基準系を可能にする。金属保護層を使用すると、これらのデバイスの抵抗を低くすることができる。

前述のデバイスは全て、基板１０の磁気基準系に作用し制御することを可能にする基板１０および／または基板１０の面１１の磁気を制御する手段を含むことができる。これは、例えば、基板に、磁気、電気、電磁界、基板の機械的膨張および／または収縮、更には磁気基板の温度変化などを適用する手段によって達成されうる。したがって、基板１０の磁気の制御によって、上側層３２内の強度とスピンバイアスを制御することができる。

Claims (12)

1. スピン注入デバイス（３０）を製造する方法であって、
   ａ）環境による基板（１０）の面（１１）の酸化および／または汚染を制限または防止するために、前記基板（１０）の前記面（１１）上に金属保護層（２２）を形成するステップであって、前記基板（１０）の前記面（１１）が、磁気および電気伝導性であり、前記保護層（２２）が、反磁性か常磁性であるステップと、
   ｂ）前記保護層（２２）上に上側層（３２）を形成するステップであって、前記上側層（３２）が、前記基板（１０）および／または前記基板（１０）の前記面（１１）の磁気によって定義される振幅とスピン基準系にしたがって前記保護層（２２）と前記上側層（３２）との間の界面のフェルミ準位の近くの電子状態のスピンバイアスを促進することが可能であり、前記上側層（３２）は、一つまたは複数の分子部位が、前記保護層（２２）に接して、常磁性モーメントを有する有機層であり、前記常磁性モーメントは単一磁気基準系を特徴とし、空間と時間内に固定され、前記基板（１０）および／または前記基板（１０）の前記面（１１）の磁気基準系に基づいているステップと、を含む方法。
2. 前記保護層（２２）が、一つまたは複数の貴金属で作成されている、請求項１に記載のスピン注入デバイス（３０）を製造する方法。
3. 前記保護層（２２）の厚さが、前記基板（１０）の前記面（１１）に実質的に垂直な方向に、前記保護層を構成する１原子層から１３０原子層の厚さである、請求項１または２に記載のスピン注入デバイス（３０）を製造する方法。
4. 前記上側層（３２）が、炭素、窒素、酸素、フッ素、ホウ素、鉄、コバルト、マンガン、銅、バナジウム、亜鉛、マグネシウム、シリコンの元素のうちの少なくとも一つを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン注入デバイス（３０）を製造する方法。
5. 前記基板（１０）の前記面（１１）が、コバルト、ニッケル、鉄、４ｄおよび／または５ｄ型金属を含む鉄またはコバルト合金、および／または一つまたは複数の磁性酸化物の要素のうちの少なくとも一つを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン注入デバイス（３０）を製造する方法。
6. 前記基板（１０）の前記面（１１）が結晶化されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン注入デバイス（３０）を製造する方法。
7. 前記基板（１０）の前記面（１１）が非晶質である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン注入デバイス（３０）を製造する方法。
8. 前記基板（１０）および／または前記基板（１０）の前記面（１１）の磁気を制御する手段を製造するステップを更に含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載のスピン注入デバイス（３０）を製造する方法。
9. 前記スピン注入デバイス（３０）が、第２の基板（１０）上に提供された第２の保護層（２２）を含む中間デバイス（２０）に接続され、前記中間デバイス（２０）の前記第２の保護層（２２）が、前記基板（１０）または前記スピン注入デバイス（３０）の前記上側層（３２）に対向して設けられている、請求項１〜８のいずれか一項に記載のスピン注入デバイス（３０）を製造する方法を実施するステップを含むデバイス（４０，５０）を製造する方法。
10. 前記スピン注入デバイス（３０）の前記基板（１０）および前記上側層（３２）が、電流発生器デバイスに接続されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の製造方法。
11. 前記第２の保護層（２２）が、前記スピン注入デバイス（３０）の前記基板（１０）に対向して設けられている場合には、前記第２の基板（１０）および前記上側層（３２）が電流発生器デバイスに接続されている、
    あるいは、
    前記第２の保護層（２２）が、前記スピン注入デバイス（３０）の前記上側層（３２）に対向して設けられている場合には、前記スピン注入デバイス（３０）の前記基板（１０）および前記第２の基板（１０）が前記電流発生器デバイスに接続されている、請求項９に記載の製造方法。
12. 前記電流発生器デバイスが、動作温度が−５０℃より高い場合に、少なくとも１０％にバイアスされる前記スピン注入デバイス（３０）の前記保護層（２２）を少なくとも通過するバイアス電流を出力可能である、請求項１０または１１に記載の製造方法。

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