温度依赖性的磁光响应在混合无机-有机p-Si (100)/La0.7Sr0.3MnO3/CuPc/Au异质结构中：一种由界面驱动的现象

《Current Applied Physics》：Temperature dependent magneto-optical response in hybrid inorganic-organic p-Si (100)/La 0.7Sr 0.3MnO 3/ CuPc/Au heterostructure: An interface driven phenomenon

硅基/LSMO/CuPc/Au异质结构在红光、磁场及温度调控下表现出偏置依赖的磁电特性，证实了界面自旋极化主导的正向偏置电阻温度曲线，并发现光强显著抑制磁电阻效应。该研究为光控自旋电子学器件开发提供新思路。

　　

Md Minhaj Ali|Nitish Ghosh|P. Dey

有机自旋电子学与光电器件中心（COSOD），卡齐纳兹鲁尔大学，713340，阿桑索尔，西孟加拉邦，印度

摘要

我们在600纳米红光（L）、磁场（H）以及300至50开尔文的温度范围内，研究了Si(100)/La_0.7Sr_0.3MnO₃（LSMO）/CuPc/Au异质结构中的偏压依赖性自旋电子学和光自旋电子学特性。我们的主要目的是了解外部扰动对无机-有机界面处电荷和自旋传导的影响。有趣的是，在300开尔文时观察到一个非对称的I-V曲线，其整流比为6100%，而在50开尔文时降至63%。在LSMO/CuPc界面处，“自旋极化电子”的自旋依赖性传导主导了正偏压电阻温度（R-T）曲线。在正负偏压下，分别观察到了偏压依赖性的传导机制以及偏压依赖性的磁阻（MR），在300开尔文时分别为-80%和-20%。当光照强度为5.43毫瓦/平方厘米时，MR读数显著下降。这些发现揭示了混合LSMO/CuPc异质结构在可调偏压自旋电子学和光自旋电子学应用中的潜力。

引言

具有钙钛矿结构的锰氧化物化合物，即化学式为REMnO₃（其中RE代表稀土离子如La、Pr、Sm和Nd）的锰酸盐，在过去六十年中得到了广泛研究[1]。从这些锰酸盐中形成了混合价态的锰酸盐RE_1-xAE_xMnO₃（AE = 碱土离子如Sr、Ca、Ba等）。这些材料表现出许多有趣的特性，例如巨磁阻（CMR）[2]、低场磁阻（LFMR）[3]、磁热效应（MCE）[4]等。这些锰酸盐RE_1-xAE_xMnO₃在固体氧化物燃料电池[4]、磁传感器[5]、自旋电子学[5]、生物医学领域[6]和磁制冷技术[3]中具有潜在的应用价值。在RE_1-xAE_xMnO₃家族中，La_0.7Sr_0.3MnO₃（LSMO）是一种p型钙钛矿半金属，它在室温下具有100%的自旋极化率、对氧化的强抗性、巨磁阻（CMR），以及最重要的特点是低场磁阻（LFMR），并且在已知的锰酸盐中具有最高的居里温度（355开尔文）[7]。由于这些优点，LSMO已成为室温自旋电子学设备和自旋泵浦应用中的有希望的候选材料；因此，在过去几十年中吸引了研究人员的广泛关注。此外，有机自旋电子学的发展和探索对当代社会的可持续发展以及满足对轻量、先进设备的需求起着至关重要的作用[8]。另外，对于量子计算和现代人工智能中的超快计算需求，人们有兴趣将光的高速度与自旋电子设备的低功耗结合到一个紧凑的多功能设备中[9]。在这方面，已经进行了许多关于基于LSMO的有机-无机异质结构的光电和光自旋电子学行为的研究。此外，在任何自旋电子器件的基本构建块——自旋阀中，位于两个铁磁层之间的间隔层起着决定性的作用。在这方面，也进行了许多关于基于LSMO的自旋阀和异质结构的研究，以了解LSMO/间隔层对整体器件性能的影响。将这些效应结合到一个设备中将通过多功能设备实现尖端发展，而LSMO是开发这些设备的最佳候选材料之一。如前所述，LSMO的表面居里温度非常接近室温，这意味着基于LSMO的器件中的最佳自旋电子学效应只能在低温下实现。因此，为了找出尽可能多的自旋电子学特性，现在有必要对基于LSMO的异质结构进行低温实验。文献中有许多专门研究在低温范围内生产的LSMO薄膜的电子传输特性的工作[[9]，[10]]。可以通过自然或人工方式改变Mn-O-Mn键角和长度[11,12]，使LSMO薄膜在更低的磁场下表现出更强的磁阻（MR）。通过在铁磁锰酸盐/间隔层/铁磁锰酸盐三层结构中引入人工晶界，发现了大的低场MR（LFMR）。在4.2开尔文、0.02特斯拉的磁场下，使用La₀.₆₇Sr₀.₃₃MnO₃/SrTiO₃/La₀.₆₇Sr₀.₃₃MnO₃的薄膜结具有最高的LFMR值，为45-50%[13,14]。包括La_0.67Sr_0.33MnO₃/ZnO在内的复合薄膜在0.5特斯拉磁场和10开尔文下的LFMR值为23.9%[15]。通过在La₀.₇Ca₀.₃MnO₃的外延层上叠加单个SrTiO₃双晶界面，解释了在0.02-0.1特斯拉磁场和77开尔文下23-27% LFMR的贡献[16]。K. X. Jin等人报告说，在La_0.9Sr_0.1MnO₃和SrNb_0.01Ti_0.99O₃的p-n结中，巨大的正磁阻是由界面效应引起的。他们在制造的LSMO/SNTO p-n结中报告了5 Oe下的10.6%正CMR值、290开尔文下的23.2% CMR值、5 Oe下的53.0% CMR值以及255开尔文下的80.0% CMR值[17]。K. J. Jin还报告了在77-280开尔文温度范围内ZnO/La_0.7Sr_0.3MnO₃异质结构中出现的异常正巨磁阻效应[18]。他们还报告说，在H = 0.5特斯拉和T = 117开尔文时，MR值增加到约53.9%，然后随温度降低[18]。Jiang等人制造了LSMO/CuPc/Co自旋阀，并报告了在低温下增强的MR自旋阀响应[19]。这种随温度变化的磁阻（MR）比率可以通过有机半导体中自旋弛豫率的增加以及LSMO自旋极化随温度升高而减少来解释[S. Majumdar等人]。S. Majumdar等人报告了LSMO电极对LSMO/聚合物/Co自旋阀的温度依赖性MR的影响[20]。他们的研究表明，MR%随温度的降低主要是由于LSMO/聚合物/Co自旋阀的LSMO电极处自旋极化载流子的损失。最近，U.K. Sinha等人在La_0.7Sr_0.3MnO₃生长在LaAlO₃（LAO）基底上的低温下报告了巨大的LFMR（99%）；他们还报告说，这种LFMR强烈依赖于厚度，表明MR的起源是界面处的键长和键角的变化[21]。D. Deb等人展示了La₀.₇Sr₀.₃MnO₃/聚乙烯醇纳米复合材料的温度依赖性磁阻和室温磁阻的界面效应[22]。许多研究表明LSMO具有负LFMR。然而，一些文献指出，当LSMO与有机或无机材料接触时，它表现出正LFMR。尽管有这些新发现，仍需要进一步研究来完全理解无机和有机材料之间的相互作用，特别是在低温下，因为这些结果对于实际设备应用来说仍然是不确定和有限的。

在这个方向上，我们制造了一个Si(100)/La₀.₇Sr₀.₃MnO₃/CuPc/Au异质结构，并在660纳米红光激光的不同强度下进行了温度变化的磁输运研究。在这里，CuPc是一种p型有机半导体（OSC），广泛用作有机太阳能电池和光电探测器的光敏层，以及自旋电子学中的间隔层[[23]，[24]，[25]]。我们选择Au作为电极，以防止OSC层因氧化而退化。在本文中，我们研究了整体电子输运和磁光响应随温度的变化。我们在300开尔文时获得了6100%的整流比，在50开尔文时显著降低到只有63%。

此外，我们的设备在+4伏正偏压下观察到了80%的偏压依赖性最佳负MR，在-4伏负偏压下观察到了20%的负MR。此外，这里还报告了在正偏压下MR值的降低以及在负偏压下MR值的增强，并且随着温度的降低而增强。我们认为这些观察到的效应可能是由于LSMO/CuPc界面处空间电荷区域和准费米能级的调节之间的复杂相互作用引起的。

纳米技术的最新进展、先进的复合材料、功能性纳米结构和自旋电子学显著改善了人类生活，并促进了环境最优技术的创造。这些创新包括在环境修复、废水管理、能量收集和存储[26]以及创新的光学系统和传感器[[26]，[27]，[28]，[29]，[30]，[31]]中的应用。此外，最近关于锰酸盐或LSMO基设备的研究主要集中在磁阻特性[32]或超薄四方CuO和La_0.7Sr_0.3MnO₃界面之间的磁耦合[33]上。此外，Rahman等人[34]探索了他们制造的La_0.67Sr_0.33MnO₃/Pr₂Ir₂O₇双层异质结构的温度依赖性磁输运[34]。这些非凡进步的概念的整合促进了更复杂的无机-有机设备的发展。此外，最近的研究增强了人们对混合自旋电子界面和相关材料中的光-物质相互作用的理解（例如，Zhang等人[35]和Liu等人[36]）；然而，之前的研究[[26]，[27]，[28]，[29]，[30]，[31]，[32]，[33]，[34]，[35]]都没有研究LSMO/有机异质结构中的耦合温度、光和偏压依赖性界面磁输运，这是当前研究的主要动机和新颖性。

实验细节

LSMO纳米粉末是通过低温自燃反应技术[37]制备的。这种LSMO纳米粉末通过在KBr圆柱形液压压机中施加1吨的压力转化为颗粒。这种颗粒形式的LSMO被安装到脉冲激光沉积（PLD）单元上，使用PLD方法沉积LSMO薄膜。在这种PLD方法中，使用了波长为248纳米的KrF准分子激光器。重复率为10赫兹，能量为

结果与讨论

我们使用严格的I-V测量在各种温度下研究了LSMO/CuPc/Au异质结构，进行了从-6伏到0伏至6伏的偏压扫描。图1(a)显示了对数[电流（|I|）与电压（V）的曲线。图1(a)中的箭头表示偏压扫描的方向。实验获得的曲线是非线性的、不可逆的且不对称的（在偏压极性的两侧不同）。这表明我们的异质结构表现出肖特基二极管的行为，这可能

挑战与潜在应用

混合自旋电子学和光电子学异质结构的最新进展突显了界面驱动的输运和磁光耦合在实现多功能器件功能中的关键作用。精确控制界面电荷和自旋动态对于实现可靠、可重复的性能至关重要，这在最近关注纳米尺度界面上的输运敏感性、噪声和稳定性的测量和仪器研究中得到了强调[66,67]。此外，

结论

总之，Si(100)/LSMO/CuPc/Au异质结构显示出对温度、磁场和光激发非常敏感的偏压依赖性自旋输运。在LSMO/CuPc界面处的自旋极化输运控制正偏压传导，而负偏压行为表现出有机层中的正常跳跃传导。该器件在约200开尔文时表现出明显的金属-绝缘体转变，并且具有显著的磁阻特性，其特征是明显的偏压不对称性，因此

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢核科学研究委员会（BRNS）、印度政府DAE提供的研究资金。作者感谢UGC-DAE科学研究中心的Dr R. J. Choudhary在这项工作中提供的PLD设施。其中一位作者Nitish Ghosh感谢印度政府大学拨款委员会在研究期间提供的财务支持，形式为UGC-NET-JRF奖学金（奖学金编号1532/CSIRNETJUNE2019）。