科学研究 - 只需在铜上涂覆色素即可实现自旋转换功能

东京大学物性研究所的一色弘成助教、三轮真嗣副教授和大谷义近教授以及理化学研究所的高级研究员近藤浩太等人组成的研究小组，与大阪大学和金泽大学的研究小组共同证明，只需在金属铜的表面涂覆以蓝色和绿色颜料而著称的色素分子酞菁，就能实现将自旋流转换为电流的功能。另外还发现，这种转换功能在铜表面只涂覆一层酞菁分子时达到最大化，研究显示，与采用铂和铋等重金属的自旋霍尔元件具有相同的性能。

自旋流-电流转换是自旋电子学的基础技术之一，近年来，异质材料接合界面发生的电流与自旋流的相互转换现象备受关注。

①研究背景

除电子携带的电荷外，还积极利用自旋（原子级磁铁）特性的自旋电子学研究正在全球范围积极展开。其中自旋流的生成和检测在自旋电子学应用中属于最重要的基础技术之一。近年来的研究显示，在固体无机材料界面，自旋流和电流会以非常高的效率相互转换，这种现象备受关注。本研究着眼于设计自由度远远高于无机材料，而且在自旋电子学领域尚未被开拓的有机材料分子。如果能利用有机分子证明自旋流与电流可以相互高效转换，就能为自旋电子学应用开辟新的可能性。

②研究内容

此次，以东京大学物性研究所为中心的研究小组证明，在作为路标蓝色颜料使用的色素分子酞菁与金属铜的接合面，自旋流会高效转换为电流。在实验中，研究人员利用自旋泵浦法，向通过图1a的配置将酞菁分子之一的铅(II)酞菁分子镀敷于铜表面的界面，注入了自旋流。注入的自旋流被转换为电流，最终观察到了图1b所示的电压信号。另外发现，转换系数估算为0.4纳米，与铂和铋等重金属报告的转换系数最大值不相上下。

图1：分子与金属界面的自旋流-电流转换 a：分子模型与元件结构概略图 b：自旋泵浦引起的分子与金属界面的自旋流-电流转换的信号

发生这种自旋流-电流转换的原因被认为是，界面处实现了图2所示的电子自旋方向与动量正交的电子状态（自旋动量锁定）。如图2b所示，自旋流注入发生自旋动量锁定的界面后，电子获得动量，电流开始流动。已知在没有分子修饰的铜表面，自旋动量锁定的效果非常小。因此，此次的结果强烈表明，随着金属铜被分子修饰，铜表面的电子状态被大幅调制，实现了新的自旋功能。利用第一性原理计算对电子的自旋状态进行解析时，也再现了铅(II)酞菁分子与铜界面的这种自旋动量锁定状态。

图2：界面的自旋流-电流转换
a：界面电子状态的的费米能级等高线 b：注入自旋流后的电流生成模式图

接下来，为查明转换效率实现最大化所需的条件，研究小组制作了能系统改变分子层厚度（膜厚）的样品，测量了自旋流-电流转换带来的电压信号变化（图3a）。测量发现，形成单一分子层（1ML）时，电压信号最大。分子膜厚达到约5层（5ML）以上时，信号完全消失。为查清出现这种分子膜厚依赖性的原因，研究小组将铅(II)酞菁分子镀敷于铜表面，并利用扫描探针显微镜进行观察，调查了分子的吸附结构（图3b、c、d）。调查发现，在单一分子膜中，平坦吸附于铜表面的铅(II)酞菁分子呈周期性排列。这种周期性晶格在分子膜厚为1层时占主导地位，无论分子量比其更多还是更少，排列都是无序的。以上实验结果表明，要想通过分子修饰在金属表面形成新的自旋转换功能，分子膜的吸附结构非常重要。