(57)【要約】  スピン偏極電流源（２）を用い、フェルミ準位で電子の少なくとも７５％を導く電流のスピン偏極を得るように電子をフィルタリングする方法であって、スピン偏極電流源は、−第１の面（１１）が磁気特性を有する導電性基板（１０）と、基板の第１の面に接する有機物層（２０）とを含む偏極スピン注入デバイスと、−グランド材（３０）と呼ばれる導電性材料であって、グランド材と基板との間に有機物層が配置された導電性材料と、−基板の第１の面とグランド材とに電気的に接続された電流源（４０）と、を含み、  前記方法は、基板の第１の面とグランド材との間で、−２２０℃より高い温度で、電流源による電子伝導電流の循環を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピン偏極電流源（２）を用い、フェルミ準位で少なくとも７５％の電子伝導電流のスピン偏極を得るように電子をフィルタリングする方法であって、前記スピン偏極電流源は少なくとも、
−偏極スピン注入デバイス（１）であって、第１の面（１１）が磁気特性を有する少なくとも一つの導電性基板（１０）と、第１の面（２１）を含む有機物層（２０）とを含み、前記有機物層（２０）の前記第１の面（２１）が、少なくとも部分的に、ほぼ同一平面内で、前記基板（１０）の前記第１の面（１１）と平行またはほぼ平行の原子結合によって互いに結合され、前記偏極スピン注入デバイス（１）のフィルタリング界面を形成するように前記基板（１０）の前記第１の面（１１）と接している１組の原子を含む、偏極スピン注入デバイス（１）と、
−グランド材（３０，１０’）と呼ばれ、前記有機物層（２０）が、前記グランド材（３０，１０’）と前記基板（１０）との間に配置されるように前記有機物層（２０）に面して配置された導電性材料と、
−前記基板（１０）の前記第１の面（１１）および前記グランド材（３０，１０’）に電気的に接続された電流源（４０）とを含み、
前記方法は、前記基板（１０）の第１の面（１１）と前記グランド材（３０，１０’）との間に、前記電流源（４０）によって前記電子伝導電流の循環を備え、前記スピン偏極電流源（２）が、−２２０℃より高い温度に晒されている、方法。
【請求項２】
前記有機物層（２０）の前記第１の面（２１）が、前記基板（１０）の前記第１の面（１１）によって化学的に吸着されている、請求項１に記載のフィルタリング方法。
【請求項３】
前記基板（１０）の前記第１の面（１１）と前記有機物層（２０）の前記第１の面（２１）との間の化学結合が、集合的磁気秩序を有する常磁性分子軌道によって特徴付けられている、請求項１に記載のフィルタリング方法。
【請求項４】
前記有機物層（２０）の前記第１の面（２１）における少なくとも２つの隣接した原子が、π型結合、即ち常磁性状態を形成する前記フィルタリング界面と平行またはほぼ平行の電子クラスタを共有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のフィルタリング方法。
【請求項５】
前記基板（１０）の前記第１の面（１１）が、少なくとも部分的に反強磁性であり、かつ−２２０℃より高いネール温度によって特徴付けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のフィルタリング方法。
【請求項６】
前記基板（１０）の前記第１の面（１１）が、少なくとも部分的に強磁性またはフェリ磁性であり、−２２０℃より高いキュリー温度によって特徴付けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のフィルタリング方法。
【請求項７】
前記基板（１０）の前記第１の面（１１）が、コバルト、ニッケル、鉄、４ｄおよび／または５ｄ型金属との鉄またはコバルト合金、一つまたは幾つかの磁気酸化物の要素のうちの少なくとも一つを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載のフィルタリング方法。
【請求項８】
前記有機物層（２０）が、炭素、炭素および／または酸素型の二量体、およびフェナントロリンのいずれかからなる電気的絶縁性または半導体性要素を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載のフィルタリング方法。
【請求項９】
前記グランド材（３０）が、前記フィルタリング界面において前記基板（１０）と前記有機物層（２０）との間に形成された原子結合を妨げないように前記基板（１０）からの十分な距離にある、請求項１〜８のいずれか一項に記載のフィルタリング方法。
【請求項１０】
前記有機物層（２０）の前記第１の面（２１）に面している前記有機物層（２０）の前記第２の面（２２）と、前記グランド材（３０）との間の空間が、Ａｌｑ３、Ｐｃ、ルブレン、ＰＣＴＤＡ、ＴＣＮＥ、ＴＴＦ、ＴＣＮＱの要素のうちの少なくとも一つを含む有機材料によって充填されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載のフィルタリング方法。
【請求項１１】
前記グランド材が、第２の偏極スピン注入デバイス（１’）の第２の導電性基板（１０’）に対応し、前記第２の基板（１０’）の第１の面が、磁気特性を有し、前記第２のスピン注入デバイス（１’）が、また、第２の有機物層（２０’）を含み、前記第１の面が、少なくとも部分的に、同一平面内に、前記第２の基板（１０’）の前記第１の面と平行またはほぼ平行の原子結合によって互いに結合され、前記第２の偏極スピン注入デバイス（１’）のフィルタリング界面を構成するように前記第２の基板（１０’）の前記第１の面と接している第２組の原子を含み、前記有機物層（２０）と前記第２の有機物層（２０’）が、電子伝導電流が通過できる中間層（５０）によって互いに固定されており、
前記方法はまた、前記第２の偏極スピン注入デバイス（１’）によって前記電子伝導電流の前記偏極状態を測定または読み取るステップを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のフィルタリング方法。
【請求項１２】
前記基板（１０）の前記第１の面（１１）と前記グランド材（３０，１０’）との間の電圧が、これらの２つの要素間の降伏電圧より低い、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のフィルタリング方法。
【請求項１３】
前記基板（１０）の磁化の配向は、前記偏極スピン注入デバイス（１）のフィルタリング界面を垂直またはほぼ垂直に通過する電子の少なくとも７５％が、前記基板（１０）の磁化の配向に対して定義された座標系で偏極されるように決定されている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のフィルタリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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に関する。本発明は、詳細には、電子をフィルタリングして、その電子のスピンの配向により電子を通過させるデバイス、およびフィルタリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体産業での技術進歩は、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。
【０００３】
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スピン特性を利用することである。この技術分野は、スピントロニクスと呼ばれる。
【０００４】
電子は、幾つかの固有の値、詳細にはそれらの角運動量またはスピンによって特徴付けられる。原子スケールにおける測定の不確定性原理により、電子のスピンは、一つの観測量または方向に沿って測定され、その値は正にも負にもなりうる。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。
【０００５】
この特性を産業上使用できるようにするには、まず、電子のスピン偏極状態を選択および／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。スピンの配向によって電子を選択またはフィルタリングするデバイスは、スピン注入デバイスと呼ばれる。スピン注入デバイスを産業上利用できるようにするには、その前に以下の基準の幾つかを満たさなければならない。
【０００６】
１）電子のスピン偏極状態により、デバイスを通る電子の８０％以上を選択またはフィルタリングできること。
２）このフィルタリング率を、約−２００℃の液体窒素の温度を超えるかまたは少なくともその温度と等しい動作温度、または好ましくはマイクロエレクトロニクスデバイスの動作温度、換言すると−２０℃〜３００℃の温度範囲内で維持できること。
３）作成が単純で低コストであること。
４）ナノメートル寸法を有すること。
５）および／または、フィルタリングした電子を、そのスピン配向に応じて、前記スピン偏極状態を変化させることなくその伝搬を促進する環境に注入できること。
【０００７】
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、絶縁性でも半導電性でもよい。
【０００８】
例えば粒子のスピン配向などの量子特性が、トンネル効果によって２つの導体間で移動するので、それらの特性は、この移動中に維持される。次に、この特性を使用して、２つの強磁性導電要素間で情報を移動することができる。この場合、強磁性導電要素の磁化の配向によって情報を符号化するために使用される電子の偏極状態は、トンネルバリアの反対側に配置された第２の強磁性導体の磁化の相対配向を変調することによって検出でき、完全なアセンブリは、磁気トンネル接合を構成する。デバイスが、２つの強磁性体層の平行または逆平行磁化状態になった場合は、デバイスを通過した電流スピンの偏極度を測定することができる。電流はひとつの電極から他の電極に流れるので、２つの磁気トンネル接合界面のそれぞれに、電流の符号に応じて電流スピン偏極機能と偏極検出または読取り機能が割り当てられる。次に、デバイスを通る電流の符号を変更するだけで電流の偏極およびスピン検出割り当てを境界で逆にすることができる（非特許文献１）。
【０００９】
磁気トンネル接合のスピン偏極性能は、隣接した強磁性電極に適切な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、かなり高められうる。この場合、強磁性体層内の幾つかの強くスピン偏極された伝導電子波関数は、バリアを通過し易くなり、その結果、スピン偏極電流が多くなる（非特許文献２）。
【００１０】
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挿入することによって観察された（非特許文献３）。周囲温度の測定から、このタイプのデバイスの境界を通過する電子の８５％のスピンが、単一方向かつ単一配向で偏極されることが分かった。残念ながら、この電子フィルタリング機構は、デバイスの電気抵抗を大幅に高める。サブミクロン規模では、デバイスの抵抗が高すぎてマイクロエレクトロニクス産業における有効な使用を想定できない。したがって、このタイプのデバイスは、前述の４番目の基準を満たさない。
【００１１】
電子のスピンがひとつの方向および配向に偏極された場合は金属性で、電子のスピンが同じ方向であるが逆の配向に偏極された場合には絶縁性の、特殊な特性を有する半金属材料によってトンネルバリアが置き換えられた場合は、抵抗の値を小さくすることができる。このタイプのデバイスは、９５％〜９９％の電子スピンをフィルタリングすることができる。残念ながら、これらの測定は、約−２６０℃の温度でしか行われていない（非特許文献４）。更に、これらのデバイスは、半金属層の組成と複合構造のため、作製が難しい。
【００１２】
トンネルバリアとして有機物層の使用には、別の開発ラインが適用される。有機材料は、質量が無機材料より小さいので、伝導電子の偏極状態とわずかしか相互作用しないという利点を有する。したがって、そのスピンは、メゾスコピック厚さ（１０〜１０００ｎｍ）のこのタイプの材料を通過するときにほとんど妨げられない。しかしながら、スピン偏極電荷キャリアは、その材料に首尾よく注入されなければならない。
【００１３】
この理由のため、最近、強磁性金属層との境界面における有機材料のスピン偏極に焦点を置いた研究努力がなされた。
【００１４】
最近の研究から、スピン注入デバイスとして半金属強磁性合金を利用するこのタイプの境界面の大きな可能性が実証された。（非特許文献４）。更にまた、−１７０℃未満の場合に、最も説得力のある結果が得られた（非特許文献５）。したがって、このタイプのデバイスの一つの大きな欠点は、温度が上昇したときにそのフィルタリング品質が損なわれることである。伴うフィルタリングメカニズムは、現時点ではよく理解されていない。科学界は、このフィルタリング損失が、デバイスの温度が上昇したときに増幅される外因性現象によるものであると考えている（非特許文献６）。したがって、産業的電子環境における動作は、実現できない。理論的研究（非特許文献７）から、ゼロ温度（Ｔ＝−２７３．１５℃）におけるコバルト強磁性体層とマンガンフタロシアニン分子平面との界面がスピン偏極されるが、中央マンガン位置（Ｈ２Ｐｃと呼ばれる）が除去された場合でも、この偏極の効率が低すぎて（６０％未満）産業的に競争力ある使用ができないことが予想された。同じ観測は、Ｆｅ、ＣｏまたはＣｕフタロシアニンと、ＣｏさらにはＦｅ強磁性金属との界面の特性に関する他の理論および実験結果から行うことができる（非特許文献８）
【００１５】
最後に、このような高い偏極率は、必然的にフェルミエネルギーで起こる拡散条件下で電導電流を反映するときしか産業上魅力的でないことに注意されたい。スピン偏極電流源の作成に関連しない他のエネルギーには他の輸送およびスピン消極メカニズムがある。
【００１６】
現在のところ、スピン注入デバイスは、満足なものを得ることができない。本出願の目的の一つは、好ましくは前述の基準の一つまたは幾つかを満たす別のデバイスを作成し、フェルミ準位での拡散電子導電電流の電子の少なくとも７５％を、これらのスピンの配向により偏極できるフィルタリング方法を開示することである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Fert, Nobel Lectures 2008
【非特許文献２】Bowen et al, Physical Review B 73, R140408 (2006)
【非特許文献３】Appl. Phys. Lett. 90, 212507 (2007)
【非特許文献４】J. Phys: Condens. Matter 19, 315208 (2007)
【非特許文献５】Nature Physics 6, 615 (2010)
【非特許文献６】Nature Physics 6, 562(2010)
【非特許文献７】Javaid et al, Physical Review Letters 105, 077201 (2010)
【非特許文献８】Physical Review B 84 224403 (2011); Advanced Functional Materials 22, 989 (2012)
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本出願は、後で定義されるようなスピン偏極電流源および多機能デバイス上に、偏極スピン注入デバイスと呼ばれる、有機物層内に偏極スピンを注入するためのデバイスに適用される。そのようなデバイスは、エレクトロニクスまたはマイクロエレクトロニクスの分野で使用できるように上記の基準のうちの一つまたは幾つかを満たす。
【００１９】
スピン偏極電流源は、単一方向かつ単一配向でデバイスを通過する電子の大部分のスピンモーメントを偏極することができるデバイスを指す。したがって、スピン偏極電流源は、電流源からの電子をそのスピンによってフィルタリングすることができる偏極スピン注入デバイスに接続された電流源を含む。
【００２０】
以下を含む偏極スピン注入デバイスが提案される。
−基板と呼ばれ、第１の面が磁気特性を有する導電性材料と、
−第２の面に対向する第１の面を有する有機物層。第１の面は、ほぼ同一平面内に１組の原子を少なくとも部分的に含み、基板の第１の面と平行またはほぼ平行の原子結合によって互いに結合される。
【００２１】
本発明は、スピン偏極電流源と共に使用されるフェルミ準位で電子の少なくとも７５％を導く電流のスピン偏極を得る電子をフィルタリングする方法を開示し、少なくとも以下のもの含む。
−第１の面が磁気特性を有する少なくとも一つの導電性基板と、第１の面を含む有機物層とを有し、有機物層の前記第１の面が、少なくとも部分的に、ほぼ同一平面内の１組の原子を含み、基板の第１の面と平行またはほぼ平行に原子結合によって互いに結合され、偏極スピン注入デバイスのためのフィルタリング界面を形成するために、基板の第１の面と接している偏極スピン注入デバイスと、
−グランド材（"ground"）と呼ばれ、有機物層がグランド材と基板の間にあるように有機物層に面して配置された導電性材料と、
−基板の第１の面とグランド材に電気的に接続された電流源。
【００２２】
この方法は、基板の第１の面とグランド材との間での電流源による電子伝導電流の循環を含み、スピン偏極電流源は、−２２０℃を超える温度に晒される。
【００２３】
有機物層の第１の面の原子は、常磁性状態を単独または組み合わせ（例えば、一つまたは複数の二量体）で備えうる。
【００２４】
次に、有機物層の原子は、基板の第１の面に接してフィルタリング界面と呼ばれる界面を形成する。
【００２５】
有機物層内の原子の少なくとも幾つかの原子の常磁性状態は、基板／有機物層界面における負荷移動によって引き起こされうる。
【００２６】
スピン（偏極）注入デバイス、またはスピン偏極電子注入デバイスは、温度が、−２２０℃、−２０℃、０℃、１５０℃、または２００℃より高いとき、基板の磁気によって植え付けられたスピン座標系に対するスピン偏極状態により、基板から引き出されてフィルタリング界面を通過する伝導電子の７５％以上および好ましくは８５％以上をフィルタリングすることができる。
【００２７】
したがって、開示されたフィルタリング方法は、フェルミ準位で電子の電流を提供することができ、スピン偏極される電子はそのうち７５％を超える。
【００２８】
有機物層の第１の面は、基板の第１の面によって化学的に吸着されうる。この事例では、化学結合は、基板の第１の面と有機物層の第１の面を形成する原子種間で設定されうる。有利には、有機物層は、化学吸着現象によって、通常は前記基板内の原子だけに制限される基板に対する伝導拡張を形成することができる。したがって、有機位置上のスピン偏極は、Ｆｅ／ＭｇＯ型トンネル接合の場合のようにデバイスの抵抗の増大を伴わない。
【００２９】
接触している前記第１の面の分子平面を完成させて、前記第１の面間の相互作用を促進することができる。
【００３０】
基板の第１の面と有機物層の第１の面との化学結合は、好ましくは、磁気分子軌道、詳細には集合的磁気秩序を有する常磁性分子軌道、換言すると基板の座標系に重なる時空内に固定された単一磁気座標系によって特徴付けられた常磁性モーメントによって特徴付けられることが好ましい。換言すると、有機物層の第１の面の磁気（反磁性および／または常磁性）は、基板の第１の面の磁気（フェリ磁性、強磁性、および／または反強磁性）と結合する。この結合現象は、前記第１の面を構成する原子間の軌道結合の重なりによって引き起こされることが好ましい。
【００３１】
第１の有機面（有機物層）の少なくとも２つの隣接原子が、フィルタリング界面と平行またはほぼ平行なπ型結合、または常磁性状態を構成するフィルタリング界面と平行またはほぼ平行の電子クラスタを共有しうる。換言すると、共有結合を構成する有機物層の第１の面に隣接した２つの原子の軌道のローブは、互いに平行であり、基板の第１の面と垂直またはほぼ垂直である。π結合から生じる状態密度の空間的広がり（換言すると、結合から生じる電子クラスタ）は、基板の第１の面と平行またはほぼ平行であることが好ましい。このπ結合は、磁気基板と有利に相互作用することができる常磁性状態を構成する。この相互作用は、有利には、基板の面内の原子の方向に沿って、基板の面と平行にこのπ結合の性質に固有のこの電子クラスタの空間オフセットにより増大される。
【００３２】
基板の第１の面は、原子（または、原子の一部分）の磁気モーメントの長距離秩序によって特徴付けられた磁気秩序を有することが好ましい。長距離秩序は、前記第１の面にある原子を取り囲む第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る。
【００３３】
基板の第１の面は、少なくとも部分的または完全に反強磁性でよく、液体窒素の温度より高い、例えば−２２０℃、−２０℃、０℃、１５０℃または３００℃より高いネール（Ｎｅｅｌ）温度ＴＮによって特徴付けられてもよい。次に、この反強磁性秩序は、原子の様々な化学種の部分格子によって支持されてもよく、化学種の各部分格子は、多くの場合、フィルタリング界面のフィルタリング特性が、そのような部分格子のうちの少なくとも一つによって支持されるように強磁性的に秩序付けられる。
【００３４】
基板のネール温度は、電子デバイスの動作温度より高いことが好ましい。
【００３５】
基板の第１の面は、少なくとも部分的または完全に強磁性でよく、前述のネール温度と同じ範囲内の値、詳細には−２２０℃より高いキュリー（Ｃｕｒｉｅ）温度ＴＣによって特徴付けられてもよい。
【００３６】
基板の第１の面は、少なくとも部分的または完全にフェリ磁性でよく、その結果、フェリ磁性体を形成する原子位置の部分格子によって支持されたスピン部分格子のうちの一つは、前の節で述べたものと類似の強磁性特性を有し、その結果、フィルタリング界面のフィルタリング特性は、そのような部分格子のうちの一つに支持される。この事例では、基板の第１の面は、−２２０℃を超えるキュリー温度によって特徴付けられうる。
【００３７】
基板の第１の面は、一つまたは幾つかの前述の反強磁性、強磁性および／またはフェリ磁性領域を含みうる。
【００３８】
ネール温度は、キュリー温度のように、磁性材料が常磁性になる温度を示す。この温度より上では、熱エネルギーは、基板の第１の面の磁気秩序を破壊するのに十分に高い。
【００３９】
基板の第１の面は、コバルト、ニッケルおよび／または鉄からなる一つまたは幾つかの金属または合金、パラジウムや白金などの４ｄおよび／または５ｄ型金属を有する鉄合金またはコバルト合金、および／またはＦｅ３Ｏ４やＴｉＯ（２−ｘ）などの一つまたは幾つかの磁気酸化物からなるか、それらを含みうる。
【００４０】
基板の第１の面を覆う有機物層は、窒素または炭素、炭素および／または酸素の二量体、またはフェナントロリンなどの電気的に絶縁性または半導性要素からなるか、またはそれらを含んでもよい。
【００４１】
一つの有利な実施形態によれば、有機物層は、無定形炭素付着物を含んでもよい。詳細には、そのような実施形態は、有機物層を作成する際の無定形炭素の使用により、明確で良好な品質の界面を含む有機物層上に後で金属電極を作成することを容易にする。ＭｎＰｃ（マンガンフタロシアニン）の有機物層上に作成されるＣｏ電極の例を検討する。ＭｎＰｃの分子を構成する原子集合は典型的に原子密度が低いため、ＭｎＰｃ上のＣｏの付着は、ＭｎＰｃ分子（例えば、ピロール基）によるＣｏ原子の拡散を引き起こす可能性がある。これは、ＭｎＰｃ（上面）に付着されたこのＣｏ界面のスピンフィルタリング特性を低下させる可能性がある。この問題は、本発明に固有の特性を維持しながら、ＭｎＰｃの分子層を付着した後でかつ強磁性金属Ｃｏ電極を付着する前にＭｎＰｃ上に無定形炭素を付着させることによって克服することができる。この無定形炭素は、第１のＭｎＰｃの分子表面平面の空所に満たされ、Ｃｏを後で付着させるための稠密面を提供し、かつ高いスピンフィルタリング比率を有する界面の形成を可能にする。
【００４２】
磁界または外部電流を使用して基板の第１の面の磁気特性に対処することができる。
【００４３】
有機物層の第１の面と第２の面は、互いに平行またはほぼ平行でもよくかつ／または分子平面と等しい距離または１ｎｍだけ離間されてもよい。
【００４４】
以下のときに、スピン偏極電流源を前述のデバイスから得ることができる。
−グランド材と呼ばれる導電性材料が、有機物層の上に有機物層に向かって配置される。
−基板の第１の面と、グランド材の第１の面と呼ばれる前述の面（基板の第１の面）に最も近い面とが、電流源に電気的に接続されて、伝導電子の束がフィルタリング界面を通過できるようにする。
【００４５】
好ましくは、グランド材またはグランド材の第１の面は、フィルタリング界面で基板と有機物層との間にできるかまたは形成された原子結合を妨げないように、基板から十分な距離であることが好ましい。換言すると、グランド材の第１の面は、基板の第１の面を構成する原子間の原子結合を示す波動関数と、グランド材の第１の面を構成する原子間の原子結合を示す波動関数との重なりを制限または回避するようにフィルタリング界面から離れていてもよい。２つの波動関数は、それぞれの空間的広がりの一部分が同じ空間を占めるときに重なる。
【００４６】
基板の第１の面とグランド材の第１の面との間に適用される電界強度は、前記第１の面の間の破壊強度または分裂強度より小さいことが好ましいことがある。したがって、基板の第１の面とグランド材との間の電圧は、これらの２つの要素間の降伏電圧より小さくてもよい。
【００４７】
有機物層の第２の面とグランド材の第１の面は、１ｎｍ以上の距離だけ離されてもよい。
【００４８】
有機物層の第２の面とグランド材の第１の面との間の空間は、流体（例えば、空気や中性ガス）によって満たされてもよい。この空間は、また、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）、ペリレン二無水物−３，４，９，１０−テトラカルボン酸（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−フェナトロリンなどの、有機物タイプであることが好ましい電気的に絶縁性または半導体性材料によって満たされてもよい。この材料は、多くの場合、有機物層と全く同じ性質でよい。
【００４９】
また、２つの偏極スピン注入デバイスを含むいわゆる多機能デバイスが開示され、それらの有機物層は、中間層と呼ばれる層によって結合される。
【００５０】
一つの特定の実施形態によれば、グランド材は、第２の偏極スピン注入デバイスの第２の導電性基板に対応することができ、第２の基板の第１の面は、多くの場合、磁気特性を含み、第２のスピン注入デバイスはまた、多くの場合、第２の有機物層を含み、その第１の面は、第２の偏極スピン注入デバイスのフィルタリング界面を形成するために、少なくとも部分的に、ほぼ同一平面内に、第２の基板の第１の面と平行またはほぼ平行の原子結合によって互いに結合され、第２の基板の第１の面と接する第２組の原子を含み、有機物層と第２の有機物層が、多くの場合、電子伝導電流が通ることができる中間層によって互いに固定され、方法は、また、第２の偏極スピン注入デバイスによって電子伝導電流の偏極状態を測定または読み取るステップを含む。
【００５１】
この場合、第１のスピン注入デバイスは、このデバイスの基板のフェルミ準位から取り出され、そのフィルタリング界面を通る電子の束（伝導電流）をスピン偏極することができる。
【００５２】
この事例では、第２のスピン注入デバイスは、この束の偏極状態を測定または読み取ることができる。
【００５３】
中間層は、好ましくは有機物でよく、その厚さは、
−好ましくは２つのデバイスの２つのフィルタリング界面の特性を妨害または劣化させることなく、２つのデバイス間の電子の弾性トンネル輸送を容易にするには、３ｎｍ未満、または、
−「ホッピング」または拡散効果による輸送を容易にするには３ｎｍ以上である。
【００５４】
２つのスピン注入デバイス（第１に、スピンを偏極する（または、書き込む）デバイスと、第２に電流のスピン偏極状態を読み取るデバイス）の役割は、それらを通る電流の方向に依存する。したがって、そのような役割は、多機能デバイス内の電流伝搬方向を変化させることによって逆転されてもよい。したがって、電流が、第２のデバイスの基板から出る場合、第１のデバイスは、第２のデバイスから出る電流のスピン偏極を読み取る。
【００５５】
第２のデバイスは、この電気要素が、第１のスピン注入デバイスのフィルタリング界面のスピンフィルタ機能を妨げない限り、通過する電流のスピン偏極が、第１のスピン注入デバイスによって測定される任意の電気的要素によって置き換えられうる。
【００５６】
基板の磁化の配向は、偏極スピン注入デバイスフィルタリング界面を、それに対して垂直またはほぼ垂直に通る電子の少なくとも７５％が、基板磁化の配向に対して定義された座標系で偏極されるように決定されうる。基板磁化のこの配向は、正偏極（スピンアップ電子）または負偏極（スピンダウン電子）を作成することができる。
【００５７】
前述のように偏極スピン注入デバイスを作成する方法が開示され、その方法は、
−基板の第１の面に、磁気特性、および好ましくは平板表面を有する有機物層を付着させるステップと、
−基板と有機物層の磁気特性を変更しない十分な距離で有機物層に向けてグランド材を位置決めするステップと、
−基板の第１の面とグランド材の第１の面をそれぞれ単一強度発生源（single intensity source）の第１の電極と第２の電極に電気的に接続するステップと、
−電流スピンの必要な方向と配向を得るように基板の磁化を整合させるステップとを含む。
【００５８】
本出願は、また、以下のステップを含む前述の多機能デバイスを使用する方法に適用される。
−磁気特性を有する基板の第１の面および好ましくは平面に有機物層を付着させるステップと、
−中間有機物層を付着させるステップと、
−有機物層の第２の面に第２の強磁性体層を付着させるステップと、
−基板の第１の面および第２の強磁性体層の第２の面をそれぞれ、単一強度発生源の第１の電極および第２の電極に電気的に接続するステップと、
−基板および第２の強磁性体層の磁化配向を整合させて、２つの層を相対的に平行および逆平行に整合させることができるようにするステップと、
−多機能デバイスの抵抗、コンダクタンスおよび／またはインピーダンスを、基板および第２の強磁性体層の前記平行および逆平行磁化アラインメント構成で測定するステップ。
【００５９】
これにより、多機能デバイスを通る電流のスピン偏極を決定する手段が提供される。電流の方向は、多機能デバイスの２つの界面の読み書きの役割を反対にするために逆転されうる。
【００６０】
スピン偏極電流源は、スピン注入デバイスの温度が、−２２０℃、−２０℃、０℃、１５０℃、２００℃または７００℃を超えるときに、基板の第１の面とスピン注入デバイスのグランド材の第１の面との間に電流源による電界強度を適用することからなる少なくとも一つのステップで使用されうる。
【００６１】
電界強度が、基板の第１の面とグランド材の第１の面との間に適用されるとき、フィルタリング界面を通る電子のうちの７５％を超える、好ましくは８５％を超える電子が、基板の磁化方向に対応する単一方向に沿ってかつ同じ配向でスピン偏極される。この偏極は、正（スピンアップ電子）または負（スピンダウン電子）でよい。
【００６２】
換言すると、スピン偏極電流源は、電子デバイスが動作する環境で機能するように使用されるか作成されうる。
【００６３】
基板および第１の面とグランド材の第１の面との間に適用される電界強度は、これらの２つの第１の面と、前記面の間に配置された要素とを離す距離の関数として変化することができ、その結果、強度は、前記面の間の破壊強度より小さくなる。
【００６４】
本発明の他の詳細および特性は、以下の添付図面と関連して示された以下の説明を読んだ後で明らかになる。様々な図面の同一部分、類似部分または相当部分は、ある図面と他の図面との比較を容易にするために同じ参照符号を有する。図に示された様々な部分は、図の読取りを容易にするために、必ずしも全く同じ倍率とは限らない。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】偏極スピン注入デバイス１を示す図である。
【図２】スピン偏極電流源２を示す図である。
【図３】多機能デバイス４を示す図である。
【図４】２５℃の温度で、デバイス１、２および３内にある有機物層と磁性体層との界面においてフェルミ準位に近いスピン偏極光電子放出によって行われた測定を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６６】
次に、偏極スピン注入デバイス、スピン偏極強度発生源および多機能デバイス、並びにこれらを作成し使用する方法を開示する。
【００６７】
本発明の目的の一つは、デバイス内を同じ方向かつ同じ配向で通る電子の７５％以上、好ましくは８５％以上を偏極することができるスピン偏極電流源を提案することである。
【００６８】
デバイスの動作温度は、マイクロエレクトロニクスデバイスの動作温度の範囲内にあることが好ましい。そのような温度は、通常、−２０℃〜１５０℃である。より広義には、スピン偏極電流源の動作温度は、ゼロでない温度でよく、また特に適用するには、液体窒素の温度（約−２００℃）より高く、更に極限環境で適用するには２００℃より高いことがある。
【００６９】
換言すると、本出願は、産業上使用できる偏極スピン注入デバイスを含む新しいスピン偏極電流源を提案する。
【００７０】
偏極スピン注入デバイス１は、基板１０と呼ばれる第１の導電性材料を含み、その第１の面１１は、外部環境に接し、強磁性、フェリ磁性および／または反強磁性型磁気特性を有する（図１）。
【００７１】
例えば、基板の第１の面１１は、酸化物、窒化物および／またはカーバイドを含み、かつ／またはコバルト、鉄、ニッケル、および／または４ｄまたは５ｄ型材料（例えば、ＦｅＰｔおよび／またはＣｏＰｄ）との鉄またはコバルト合金を含むことができる。
【００７２】
基板１０の第１の面は、好ましくは、−１ｅＶ＜Ｅ−ＥＦ＜＋１ｅＶのエネルギー範囲で、その表面のスピン偏極状態を促進する構造により結晶化され、そのスピン偏極状態は、以下に開示した有機物層２０の状態と電子的に組み合わされうる。
【００７３】
基板の第１の面がコバルトを含むとき、面心立方格子（ｆｃｃ）型結晶構造を有することがあり、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。
【００７４】
第１の面１１は、有機材料層２０によって少なくとも部分的に覆われる。有機材料層は、第１の面２１と、第１の面に対向する第２の面２２とによって区切られる。有機物層の面２１と２２との最小距離は、有機物層の表面２１に垂直な方向に沿って層を構成する分子の空間的広がりに対応する。この距離は、この空間的広がりの２倍でよい。
【００７５】
第１の面２１は、基板１０の第１の面１１と接して、フィルタリング界面と呼ばれる界面を形成する。
【００７６】
第１の面は、この界面で吸着される。基板の第１の面１１は、２つの面１１と２１の間のこの吸着現象を促進または最適化するように平坦である。
【００７７】
有利には、第１の面２１を構成する有機分子は、基板の第１の面１１によってその偏極を促進し、前記第１の面の間の前の相互作用を促進するように、平面またはほぼ平面である。第１の面の分子平面は、同じ理由のために完全であることが好ましい。
【００７８】
有機物層の第１の面２１を構成する原子間の原子結合は、基板の第１の面１１と平行またはほぼ平行であることが好ましい。
【００７９】
有機物層は、炭素、窒素、酸素、ホウ素および／または水素原子から構成されてもよい。例えば、有機物層２０は、フタロシアニン（Ｐｃ＝Ｃ32Ｈ18Ｎ8）などのポルフィリン族でよい。この層は、マンガン（Ｍｎ）などの金属元素がドープされてもよい。
【００８０】
スピン偏極発生源２は、前述のスピン注入デバイス１のうちの一つから得られうる （図２）。これは、グランド材と呼ばれ、基板の第１の面１１に向いた第２の導電性材料３０を有することによって行われ、有機物層２０は、グランド材と基板の間に配置される。
【００８１】
グランド材３０は、フィルタリング界面の磁気特性を変化させずかつ影響も及ぼさないように、前記第１の面１１から十分に遠いことが好ましい。換言すると、グランド材は、基板の第１の面１１から十分に遠いので、前記第１の面１１と、基板１０に接する有機物層２０の原子面との間の原子結合のカップリングを乱したり妨げたりしない。
【００８２】
例えば、第１の面３１をグランド材３０から離す距離は（第１の面３１は、基板の第１の面１１に最も近くかつ向いている）、１ｎｍ、３ｎｍ、１０ｎｍ、１００ｎｍまたは１０００ｎｍより大きいかまたはこれらと等しい。第１の面３１は、基板の第１の面と平行な平面であることが好ましい。
【００８３】
基板１０とグランド材３０はそれぞれ、電流源４０の電極４１および４２にそれぞれ接続され、それにより、電流源が動作するとき、電流、即ち伝導電子の束が、フィルタリング界面に垂直またはほぼ垂直にデバイスを通過する（図２）。
【００８４】
本出願は、また、前述のような２つのスピン注入デバイス１および１’を含むデバイスに適用される。これらのデバイスは、互いに向き合って配置されるか、より正確には、デバイスの有機物層（２０，２０’）は、互いに向き合い中間層５０によって分離される（図３）。
【００８５】
そのようなデバイスは、以下の機能を等しく有するので、本出願では多機能デバイス３と呼ばれる。
−第１のスピン注入デバイス１を通過する電子束をスピン偏極する。
−この束の偏極状態を第２のスピン注入デバイス１’によって測定または読み取る。
【００８６】
中間層５０は、２つのデバイス１および１’の間で電子束を有利に伝送でき、好ましくは前記束を構成する電子の偏極状態に最小限の影響を及ぼす。中間層は、本質的に有機物であり、その厚さは、フィルタリング界面のうちの一つに対して垂直な方向に定義され、次のようなものでよい。
−Ａ）２つのデバイス１と１’との間で電子の弾性トンネル輸送を促進するには３ｎｍ未満。
−Ｂ）前記デバイス間の「ホッピング」または拡散効果によって輸送を促進するには３ｎｍ以上。
【００８７】
Ａ）の場合、輸送は、全体的に有機物層の構造欠陥の影響を受けにくい。Ｂ）の場合、輸送は、電流を構成する電子のスピンによって符号化された情報の輸送に適した、より長い距離にわたって行われる。
【００８８】
中間層５０は、有機物層２０に影響を及ぼす前述の材料からなり、カーボンナノチューブおよびグラフェンでよい。界面状態の弱いバンド分散がスピンフィルタリングを可能にするので、フィルタリング界面を介して垂直またはほぼ垂直に行われる電気輸送は、例えばカーボンナノチューブやグラフェンなどの中間層５０を構成する材料での輸送と異なる伝播方向をとりうる。
【００８９】
電子束のスピン偏極状態は、基板１０を電流源４０の第１の端子４１に接続し、基板１０’をこの電流源４０の第２の端子４２に接続することによって読み取ることができる。次に、２つの層１０と１０’の磁化の平行／逆平行配向を設定した後で、多機能デバイス３の抵抗（または、コンダクタンスまたはインピーダンス）を測定することができる。
【００９０】
スピン偏極が測定される電流に明確な座標系（換言すると、方向と配向）がない場合、多機能デバイス３の抵抗は、読み出し層として働く強磁性体層１０’の磁化配向を三次元で変化させながら測定される。
【００９１】
本出願は、また、コバルト基板１０上にフタロシアニン（Ｐｃ）の有機物層２０を付着または形成するための少なくとも一つのステップを含む前述のスピン注入デバイスを作成する方法に関する。基板の面１１は、結晶化されてもよく、結晶化面は、面心立方格子（ｆｃｃ）型構造を定義し、配向は、以下のミラー指数（００１）によって定義される。
【００９２】
フタロシアニンの有機物層は、圧力が３ｘ１０−８ｍｂａｒ未満の真空チャンバ内で付着されうる。有機物層は、ノズルを使用して基板１０の面１１に分子を気相で導入する昇華またはいわゆる「ニードル弁」技術を使用して蒸着されてもよい（"Review of Scientific Instrument" 82, 033903, (2011)：http://dx.doi.org/10.1063/1.3553010）。
【００９３】
上記の方法は、スピン偏極電流源２を得るために、以下のステップで拡張されうる。
−素材３０を有機物層２０の上に向かい合わせて、有機物層２０から一定距離に位置決めし、
−基板１０を電流源４０の第１の端子４１に接続し、
−グランド材３０をこの電流源４０の第２の端子４２に接続する。
【００９４】
前述の多機能デバイスと類似の多機能デバイス３は、以下のステップを使用して２つのスピン注入デバイスから得ることもできる。
−前記デバイス間に配置された有機物層５０を使用して、前述の２つのスピン注入デバイス１および１’を組み立て、
−基板１０を電流源４０の第１の端子４１に接続し、
−グランド材３０をこの電流源４０の第２の端子４２に接続し、
−２つのデバイスの磁化配向を整合させて、平行および逆平行相対整合を行うことができるようにし、
−前記磁化配向に沿った多機能デバイスの抵抗を測定し、電流の偏極度を測定または読み取る［A. Fert, Nobel Lectures ACS 2008］。
【００９５】
次に、結晶化コバルト基板（ＦＣＣ，（００１））上に付着された厚さ０．３ｎｍのＨ２Ｐｃ層を含むスピン偏極電流源２を使用する方法について述べる。偏極電流源は、温度が−２０℃、０℃、５０℃、１００℃または２００℃より高い環境で動作できる。
【００９６】
これを達成するため、基板１０とグランド材３０に接続された電流源４０が投入される（図２）。印加電圧は、基板とグランド材との間の電気アーク、換言すると電気フラッシュオーバーを作成する電圧しきい値より低くなるように選択される。この電圧しきい値は、これらの２つの要素を分離する距離と、基板とグランド材の間にある要素の電気的性質とに依存する。
【００９７】
次に、電流源４０によって作成されて基板／有機物層界面を通過する伝導電子が、それらのスピンの配向にしたがってフィルタリングされる。前記界面即ちフィルタリング界面を通過する電子の７５％以上、好ましくは８５％を超える電子が、同じ方向に同じ配向で偏極される。
【００９８】
この注目すべき結果は、シンクロトロン型光源から出る軟Ｘ線および紫外線範囲の強い光の発生源に結合されたＭｏｔｔ検出器と呼ばれる測定デバイスによって行われるスピン偏極光電子放出測定によって確認された［Solid State Communications 37, 771 (1981) http://dx.doi.org/10.1016/0038-1098(81)91171-6］。
【００９９】
シンクロトロン光源は、少量の材料を検出し、特に光子エネルギーを自在に調整できる強い光束を有し、したがって、有効断面積、換言するとデバイス内にある様々な要素の検出感度を変化させることができる。選択されたエネルギーは、低い結合エネルギーを有する特有のスピン偏極構造を実証するには、低い（＜１００ｅＶ）ままでなければならない。２０ｅＶの光子エネルギーを選択する際、コバルトより重量が軽い原子（炭素、窒素）の検出に好ましい。４０ｅＶでは、重い元素および磁気金属ほど検出しやすい。
【０１００】
このエネルギー源は、有機物層２０とコバルト層１０との境界に配置されたフィルタリング界面を含むサンプルに向けられる（図１）。測定は、周囲温度、即ち２５℃で行われる。Ｍｏｔｔ型検出器は、前記フィルタリング界面によって放射された光電子のスピン偏極を測定する。この検出器は、０．１５に等しい有効シャーマン係数を有する（このタイプの検出器のスピン感度を決定する係数）。この制限は、物理的測定方法に影響を及ぼす（スピン軌道の相互作用によって、重い原子に高エネルギーのスピン偏極電子が左／右後方散乱する確率が非対称になる。この拡散処理は、「Ｍｏｔｔ拡散」と呼ばれる）。
【０１０１】
次に、各スピンチャネルの光電子放出強度が、基板１０および有機物層２０アセンブリ上で、結合エネルギーの関数として、換言すると界面２１のフェルミ準位に対して測定される。この強度は、スピンチャネルごとに別々に、基板１０のみの結合エネルギーに関して測定される。スピンチャネルごとに基板１０および有機物層２０アセンブリの強度から基板１０のみによる強度を減算することによって（減算は、有機物層２０を介して基板１０から導えれる光電子の減衰を考慮する）、基板１０の第１の面１１と有機物層２０の第１の面２１との間で化学結合を形成する電子からなる界面２１のみからの光電子放出強度の依存性が、結合エネルギーの関数として得られる。この依存性を図４に示す。
【０１０２】
驚くべきことに、これらの測定から、フェルミ準位（図４に示されたグラフの横座標の値０に対応する）に近いかまたは等しいエネルギーでフィルタリング界面にある原子に結合された電子の８０％以上が、同じスピン偏極状態を有することが分かる。相対エネルギー（ＡＡ’）がゼロの場合、スピンアップ型偏極電子だけが検出される（図４）。これと反対に、相対エネルギーが同じ場合、黒三角形で示されるスピンダウン型偏極電子は検出されない。２０ｅＶのエネルギーを有するプローブ光子の場合、Ｅ−ＥＦ〜＝＋０．１３ｅＶ（ＢＢ’）を超える相対エネルギーから始まる信号だけが測定可能になる（図４）。この検出しきい値は、４０ｅＶの光子では基本的に変更されないままである。検出機器と関連した系統誤差を考慮すると、８０％を超える事例で、結果が、フェルミ準位またはその近くでスピン偏極を変換すると推測される。
【０１０３】
しかしながら、材料の伝導率は、フェルミエネルギー準位にある電子の数に直接依存する。その結果、フィルタリング界面を通過することによって、伝導電子により得られる伝導率は、そのスピン偏極が、フェルミエネルギー準位にある電子の最大集団の偏極状態と同一かどうかにより異なる。換言すると、伝導電子は、異なる固有抵抗を有する２つのチャネルに沿ってフィルタリング界面を通って伝搬することができる。固有抵抗は、フェルミエネルギー準位で同じスピン偏極状態を有する電子の数に反比例する。伝導電子のスピンフィルタリング品質は、これらの２つのチャネル間の固有抵抗の差に依存する。これらの測定から、結晶化コバルト層上にＨ２Ｐｃ層によって形成されたスピン注入デバイスが、同じ偏極状態を有するフェルミ準位の電子の８０％以上を含むフィルタリング界面を得ることができることが分かる（図４）。したがって、この界面は、産業上使用可能な偏極スピン注入デバイスを構成する。
【０１０４】
換言すると、産業上使用可能な偏極スピン注入デバイスは、磁気特性を有する層と接する有機物層から構成されうる。これを達成するには、次の条件が望ましい。
ａ）有機物層２０と接する磁気特性を有する層１０を構成する原子内の電子が、フェルミ準位にあるか、または１ｅＶ＜Ｅ−ＥＦ＜＋１ｅＶ以内にあり偏極され磁気的に秩序化される。
ｂ）有機物層内の原子は、原子間のπ結合によってまたは基板１０の表面原子のエネルギーと同じエネルギーの軌道と空間的に重なることができる任意の結合によって得ることができる常磁性秩序を有する。
【０１０５】
基板１０の表面に分子を吸着させた後で分子を混成することによって、有機物層を構成する分子内の原子の常磁性状態が、磁気的に秩序付けられる。
【０１０６】
これまで、−２２０℃より低い温度範囲で動作する有機デバイスでは、（約８０％の）相対的なフィルタリング値しか観察できなかった。したがって、そのようなデバイスは、マイクロエレクトロニクス分野では使用できない。
【０１０７】
科学界は、現在、強磁性体／有機材料界面を含む偏極スピン注入デバイスのフィルタリング比率が、界面での構造欠陥の存在から生じる可能性があることを認めている（Nature Phys. 6, 615 (2010)）。しかしながら、このフィルタリング機構は、温度で劣化する。その結果、−２２０℃より高い温度で動作するそのようなデバイスでは、８０％以上のフィルタリング比率を得ることができないと考えられる。
【０１０８】
最近のモデル化の研究から、マンガンイオンがドープされコバルト基板上に付着されたＰｃ層の第１の原子層の状態密度が、フィルタリング界面を通過する電子の２５％しか偏極できないことが実証された（Physical Review Letters, 105, 077201 (2010)）。この研究は、また、中央位置の修正によりスピン偏極を修正できることを示唆している。これらの計算は、デバイスが絶対零度の理論温度、即ち−２７３．１５℃！で動作することを仮定して行われた。そのような条件は達成できないので、これらの結果を実際のデバイスに置き換えることができないことは明らかである。換言すると、この研究は、デバイスの温度が上昇したときの偏極スピンフィルタリングの品質低下を実証する仮定と観察を無効にしない（Nature Phys. 6, 615 (2010), Nature Physics 6, 562 (2010)）。
【０１０９】
また、強磁性体の性能が、この事例では、強磁性体／有機材料界面を含む実際のデバイス上に合金を構成する原子の化学的秩序に直接依存することが確認された。この秩序は、実験的に得るのはきわめて難しく、同様に工業的に得るのも難しい。前述の理論モデルは、この製造上の難しさを考慮していない。
【０１１０】
更に、この理論モデルは、このタイプの界面のスピンフィルタリング特性を示すには有効ではない。その理由は、生産中に層の間に生じる拡散間現象（界面のスピントロニクス特性を損なうものとして知られる現象）を考慮していないからである。
【０１１１】
他の実験的および理論的結果は、Ｐｃ分子の中央位置が、強磁性材料との界面でスピン偏極に影響を及ぼす可能性があることも示唆している［Physical Review B 84 224403 (2011); Advanced Functional Materials 22, 989 (2012)］。しかしながら、この研究は、このタイプの界面を使用して産業上で競争力のある使用に十分に強力なスピン偏極を得られることを示唆していない。更に、［Advanced Functional Materials 22, 989 (2012)］の著者は、Ｃｏ基板から起こる垂直結合（ＦｅＰｃ，ＣｏＰｃ）から平面結合（ＣｕＰｃ）への変化が、スピン偏極を（実際には０％から約３０％に）高めるが、産業上の競争力を高めない（実験結果の不十分な信号対雑音比を考慮している）可能性があることを示唆している。最後に、Ｆｅ  ｃｃ（００１）とＣｕＰｃとの界面は、界面状態の出現なしに基板Ｆｅ［Physical Review B 84 224403 (2011)］のスピン偏極（約４０％）を複製することになる。発明者は、これらの様々な結果の不確かな性質が、使用される実験技術の感度と得られた結果の分析の品質／独創性に影響を及ぼすと考える。
【０１１２】
驚くべきことに、またこれまで科学界によって一般に認められてきたものと違って、発明者は、最初に、コバルト層上にＨ２Ｐｃ層を付着させることによって、詳細にはきわめて高いスピン偏極（８０％以上）を有する産業上使用可能なスピン注入デバイスを得た。
【０１１３】
より正確には、有機的Ｈ２Ｐｃ層は、結晶化Ｃｕ基板（００１）を覆う強磁性Ｃｏ層上に付着された。
【０１１４】
更に正確には、実験は、他のほとんどの二次元分子（ＭｎＰｃ，π結合炭素原子）とＦｅ−フェナントロリンの三次元分子では同じ結果が繰り返され、原子の一部が、基板の表面１１と平行またはほぼ平行な結合を有する。以上の結果から、このタイプの界面が、次のようなフィルタリング特性であることが分かる。
−デバイスに固有である。
−フタロシアニンケージ内の中央位置に本質的に依存しない。
−有機物層内の原子を磁性体層を構成する原子に結合する垂直またはほぼ垂直の電子軌道の偏極に依存する。
【０１１５】
このことから、磁気基板上に有機物層を吸着する分子軌道の一次結合が、基板の磁気に結合され易い常磁性状態の組み合わせであることが望ましいことが分かる。これを達成するため、磁性体層は、有機物層と接する少なくとも一つの強磁性領域、反強磁性領域および／またはフェリ磁性領域を含むことが好ましい。
【０１１６】
換言すると、π結合を共有し基板１０上に吸着された有機物層２０の第１の面２１上の２つの原子の状態密度は、フェルミ準位であり、これらの２つの原子は、基板の第１の面の磁気特性が維持される限り、強くスピン偏極される。そのようなデバイスのスピンフィルタリング特性は、熱エネルギーが基板の第１の面の磁気秩序を破壊するのに不十分である限り一定になる。
【０１１７】
その結果、前述したようなスピン注入デバイスのフィルタリング特性は、基板１０の第１の面１１がその磁気特性を前述の温度範囲内で維持する限り、−２２０℃−２０℃、０℃、１５０℃、または２００℃より高い温度で維持することができる。したがって、基板の第１の面１１は、ネール温度またはキュリー温度がデバイスの動作温度より高いか、はるかに高くなるように選択される。
【０１１８】
例えば、銅基板と前述の有機物層との間に挟まれた少なくとも３つの単分子層（即ち、厚さ約０．５ｎｍ）を有するコバルト層が、最大約２３０℃の温度で動作するフィルタリング界面（＞７５％）を構成する。したがって、この界面は、コバルト層からの電流の偏極、またはコバルト層に向かう電流のスピン偏極の検出を可能にする。多機能デバイスの枠組みでは、この界面は、このデバイスが界面のフィルタリング特性を低下させないという条件で、上に配置され電気デバイスからコバルト層の方向に出る偏極電流の振幅を読み取ることができる（前述の検討事項を参照）。
【０１１９】
別の実施形態によれば、多機能デバイスは、Ｓｉ（００１）上の、Ｃｕ（７０ｎｍ）／Ｎｉ（５ｎｍ）、および少なくとも厚さ０．５ｎｍのコバルトｆｃｃ（００１）の強磁性体層１０で作成されたスタックからなり［Phys.Rev.B 60 4087 (1999)］、その上に厚さ０．３ｎｍのＨ２Ｐｃ有機物界面層２０が付着され、次に、厚さ２．４ｎｍのＨ２Ｐｃの中間有機物層５０、厚さ０．３ｎｍのＨ２Ｐｃ中間層２０’、および厚さ１００ｎｍのコバルト強磁性体層１０’が付着され、厚さ２．５ｎｍのＣｏＯで磁気的に硬化され、金層によって保護されることがある。上側フィルタリング界面の品質は、コバルト付着物を低温（Ｔ＝−２２０℃）にすることによって改善されうる。２つの界面におけるスピンフィルタリングは、約２３０℃の温度までの（有機物バリアの透過による他のスピンフィルタリングなしに２つの各界面の８０％を超えるスピン偏極のため）強磁性体層の相対磁化の２つの平行および逆平行配向のために、多機能デバイスの抵抗の３００％を超える相対差を生成し、この温度は、強磁性基板１０の前の金属スタックの構造安定性によって制限される。
【０１２０】
以下の表は、スピン配向の関数として約８５％以上の電子フィルタリング比率を達成でき、換言すると８５％を超える比率を有するフェルミ準位でスピン偏極電子の電流を得ることができる偏極スピン注入デバイスの材料の幾つかの例を示す。
【０１２１】
【表１】
2015515144.tif 000003
【０１２２】
最後に、本出願は、以下の基準の少なくとも一つを尊重するので、産業上使用できる偏極スピン注入デバイスおよびスピン偏極電流源デバイスを製造し使用する手段を提供する。
【０１２３】
１）デバイスのフィルタリング界面は、下にある磁気基板によって刻み込まれた座標系に従うスピンの関数として通過する伝導電子のうちの７５％を超える、好ましくは８５％を超える伝導電子を選択またはフィルタリングする手段を提供する。
【０１２４】
２）この偏極スピンフィルタリング比率は、基板の第１の面のキュリーまたはネール温度がデバイスの動作温度より高い限り維持されうる。
【０１２５】
３）デバイスを形成するために使用される磁性材料と有機材料は、潤沢であるか容易に合成でき、エレクトロニクス産業で現在使用されている技術を使用して容易に生成される。
【０１２６】
４）特にナノメートル寸法で作成されたときに、金属基板上に吸着された有機物層自体が金属になるので、これらの製造技術を使用して低抵抗を有するデバイスを作成することができ、その結果、スピン偏極電流源のようなスピン注入デバイスを、電気的に純粋な抵抗性導体と見なすことができる。
【０１２７】
５）スピン注入デバイスとスピン偏極電流源は、伝導電子を、そのスピン偏極状態を変更せずに有機材料内の長距離にわたって注入でき、そのような有機物層の使用により、これらの２つのデバイスは、特に有機半導体内の偏極スピンの注入に適する。
【符号の説明】
【０１２８】
１  偏極スピン注入デバイス
２  スピン偏極電流源
１０  導電性基板
１１，２１  第１の面
２０  有機物層
２１  第１の面
３０，１０’  グランド材
４０  電流源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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