Tunnelmagnetowiderstand zwischen Übergangsmetallclustern getrennt durch isolierende Moleküle

Zare Kolsaraki, Hamid (2004). Tunnelmagnetowiderstand zwischen Übergangsmetallclustern getrennt durch isolierende Moleküle. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Wechselwirkung zwischen Übergangsmetallclustern (Co und Ni) und verschiedenen isolierenden Materialien auf den TMR untersucht. Insgesamt wurden acht neue Systeme durch das gleichzeitige Aufdampfen von im Strahl vorgefertigten Clustern wohldefinierter Größe (mittlere Clustergröße L ≈ 4,5 nm) und jeweils einer isolierenden Komponente hergestellt. Die hergestellten Systeme sind: Co/CO, Co/C2H2, Co/C2H4, Co/C6H6, Co/C60, Ni/CO und Ni/Kr(Xe). An den Proben wurde zuerst das r(T)-Verhalten untersucht. Alle Proben erfüllen das von der Theorie vorhergesagte Temperaturverhalten des Widerstandes in granularen Systemen gemäß r µ exp(T0/T)1/2. Anschließend wurde der TMR abhängig von dem Clustervolumenanteil vCl gemessen. Mit Ausnahme von Co/C2H4 und Co/C60 zeigen alle anderen Systeme einen probenunabhängigen TMR. Im Co/C2H4 und Co/C60 nimmt der TMR mit zunehmendem vCl ab. Dies wurde im Co/C2H4 auf die Änderung der Orientierung des zwischen zwei Clustern sitzenden C2H4-Moleküls aufgrund der Änderung des vCl zurückgeführt. Die Abnahme des TMR im Co/C60 mit zunehmendem vCl wird auf eine Erhöhung der Wahrscheinlichkeit für die Spin-Flip-Prozesse aufgrund der erhöhten Elektronendotierung von C60 zurückgeführt. Weiterhin wurde der TMR abhängig von der Temperatur gemessen. Im Co/CO-System wurde bei T = 1,7 K der bisher höchste TMR-Wert in einem aus Co-Clustern bestehenden System gemessen. Die TMR(T)-Daten wurden mit einem Modell gefittet, das annimmt, dass die Spinunordnung auf der Clusteroberfläche mit zunehmender Temperatur zunimmt. Das Modell liefert den TMR(0), den TMR bei T = 0, woraus mittels Jullière-Modells die Spinpolarisation der tunnelnden Elektronen ermittelt wird. Im Vergleich zu den wechselwirkungsfreien, granularen Co/Kr(Xe)-Systemen wird in allen aus Co-Clustern bestehenden Systemen eine starke Erhöhung des TMR(0) bzw. der Spinpolarisation |P| beobachtet. Diese Erhöhung wird auf einen direkten Kontakt zwischen Co-Clustern und dem C-Atom zurückgeführt, die zur Bildung einer p-Bindung und dadurch zu einem Ladungstransfer zwischen den beiden Komponenten führt. Durch die Untersuchungen an Ni/Kr(Xe)-Systemen konnte man die Spinpolarisation der tunnelnden Elektronen ermitteln (|P| = 20%) und mit der von Bulk-Ni vergleichen. Im Ni/CO-System wurde für die Spinpolarisation ein Wert von |P|= 28% erhalten. Dieser Wert ist im Vergleich zu |P| in Ni/Kr(Xe)-Proben um 40% erhöht. Diese Erhöhung wurde ebenfalls auf einen direkten Kontakt zwischen der Ni-Clusteroberfläche und dem C-Atom zurückgeführt.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

In this thesis the influence of the cluster-surface/insulator interaction on the TMR in well-defined granular systems has been studied. Eight new granular systems have been prepared by the co-deposition of well-defined transition metal clusters Co and Ni (mean diameter L ≈ 4.5 nm) and different insulating atoms or molecules onto a cold substrate. The prepared systems are: Co/CO, Co/C2H2, Co/C2H4, Co/C6H6, Co/C60, Ni/CO and Ni/Kr(Xe). The resistivities of all samples obey the theoretical expected r µ exp(T0/T)1/2-law. The magnetic-field dependence of the sample resistance was measured for different cluster volume fraction vCl. Expect for Co/C2H4 and Co/C60, the TMR in all investigated systems has been found to be independent of vCl, despite the fact that there are big differences in vCl. In Co/C2H4 and Co/C60 TMR decreases with increasing vCl. The decrease of TMR with increasing vCl in Co/C2H4 is due to change in the orientation of C2H4-molecules between the two clusters caused by changing in vCl. The reason for the observed strong decrease of the TMR with increasing vCl in Co/C60-system is the enhancement of the probability of spin-flip-process due to enhanced electron-doping of C60 caused by a charge transfer process between C60 and Co. In addition, the temperature dependence of the TMR has been investigated. We observed in Co/CO-system a TMR-value of about 50% at T = 1.7 K, which to our knowledge is the highest TMR reported for a granular Co-system. The TMR(T)-data were fitted with a model, which assumes increasing spin disorder at the cluster surface with increasing temperature and provides TMR(0), the TMR at T = 0. Using Jullière model we obtained the spin polarization |P| of the tunneling electrons. The obtained values for TMR(0) or |P| in systems composed of Co-clusters were strongly enhanced compared to the non-interacting Co/Kr(Xe)-systems. We explain this enhancement as caused by a direct contact between Co-clusters and C-atom, which leads to the formation of a p-bond and thereby to a charge transfer between the clusters an the insulating component. On the basis of TMR-investigation of Ni/Kr(Xe)-systems we have determined the spin polarization of tunneling electrons and compared it to bulk-Ni ones, which is in spite of numerous experimental and theoretical works not yet quite understood. For the spin polarization we obtained |P| = 20%. The obtained |P|-value in Ni/CO-system (|P| = 28%) showed an enhancement of about 40% compared to that of Ni/Kr(Xe). This enhancement can be assigned to the interaction between Ni-cluster surface and C-atoms.

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