Skip to main content
Log in

Spin transport in molecules studied by Fe3O4/molecule nanoparticles

  • Invited paper
  • Published:
Applied Physics A Aims and scope Submit manuscript

Abstract

In this work, we synthesize single molecular layer coated Fe3O4 nanoparticles to form the network of the molecular junction spin valves. The Fe3O4 nanoparticles chemically bond with molecules without any physically absorbed molecules, leading to one monolayer molecule coated on nanoparticles. The magnetoresistance (MR) of cold-pressed Fe3O4/oleic acid nanoparticles is more than two times larger than bare Fe3O4 nanoparticles, indicating weaker spin scattering in molecules. Furthermore, the MR ratio is as high as ∼21 % at room temperature for Fe3O4/alkane molecule nanoparticles. Interestingly, even though the resistance spans about two decades as the alkane molecular length varies from 0.7 to 2.5 nm, the MR ratio stays approximately constant. This molecular length independent spin valve MR, originated from the weaker hyperfine interaction strength of the σ-electrons in alkane molecules, entails room-temperature spin-conserving transport in molecular materials. Using the size of ∼500 nm Fe3O4 nanoparticles, a large MR is achieved in a relatively low magnetic field. This feature opens a door for the development of future spin-based molecular electronics. Moreover, spin injection at the interface of Fe3O4/stearic acid molecule is investigated in a comparative study between Fe3O4 nanoparticles chemically bonded (ChemNPs) and physically absorbed (PhyNPs) molecules. A MR of 12 % at room temperature is observed in ChemNPs, in sharp contrast to the zero MR ratio in PhyNPs, reflecting that the chemical bonding is crucial for spin injection. These results show that the hybrid nanoparticles provide a simple approach to study the spin transport in molecules.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Fig. 5
Fig. 6
Fig. 7
Fig. 8
Fig. 9

Similar content being viewed by others

References

  1. L. Bogani, W. Wernsdorfer, Nat. Mater. 7, 179 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  2. G. Szulczewski, S. Sanvito, M. Coey, Nat. Mater. 8, 693 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  3. Z.H. Xiong, D. Wu, Z.V. Vardeney, J. Shi, Nature (London) 427, 821 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  4. F.J. Yue, Y.J. Shi, B.B. Chen, H.F. Ding, F.M. Zhang, D. Wu, Appl. Phys. Lett. 101, 022416 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  5. J.W. Yoo, H.W. Jang, V.N. Prigodin, C. Kao, C.B. Eom, A.J. Epstein, Phys. Rev. B 80, 205207 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  6. S. Majumdar, R. Laiho, P. Laukkanen, I.J. Väyrynen, H.S. Majumdar, R. Österbacka, Appl. Phys. Lett. 89, 122114 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  7. S. Pramanik, C.G. Stefanita, S. Patibandla, S. Bandyopadhyay, K. Garre, N. Harth, M. Cahay, Nat. Nanotechnol. 2, 216 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  8. J.H. Shim, K.V. Raman, Y.J. Park, T.S. Santos, G.X. Miao, B. Satpati, J.S. Moodera, Phys. Rev. Lett. 100, 226603 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  9. A.R. Rocha, V.M. García-suárez, S.W. Bailey, C.J. Lambert, J. Ferrer, S. Sanvito, Nat. Mater. 4, 335 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  10. S. Schmaus, A. Bagrets, Y. Nahas, T.K. Yamada, A. Bork, M. Bowen, E. Beaurepaire, F. Evers, W. Wulfhekel, Nat. Nanotechnol. 6, 185 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  11. J.R. Petta, S.K. Slater, D.C. Ralph, Phys. Rev. Lett. 93, 136601 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  12. T.X. Wang, H.X. Wei, Z.M. Zeng, X.F. Han, Z.M. Hong, G.Q. Shi, Appl. Phys. Lett. 88, 242505 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  13. M. Ouyang, D.D. Awschalom, Science 301, 1074 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  14. S. Wang, F.J. Yue, D. Wu, F.M. Zhang, W. Zhong, Y.W. Du, Appl. Phys. Lett. 94, 012507 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  15. S. Wang, F.J. Yue, J. Shi, Y.J. Shi, A. Hu, Y.W. Du, D. Wu, Appl. Phys. Lett. 98, 172501 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  16. F.J. Yue, S. Wang, L. Lin, H.F. Ding, D. Wu, J. Phys. D, Appl. Phys. 45, 075001 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  17. F.J. Yue, S. Wang, L. Lin, F.M. Zhang, C.H. Li, J.L. Zuo, Y.W. Du, D. Wu, J. Phys. D, Appl. Phys. 44, 025001 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  18. J.M.D. Coey, C.L. Chien, Mater. Res. Soc. Bull. 28, 720 (2003)

    Article  Google Scholar 

  19. Z. Zhang, S. Satpathy, Phys. Rev. B 44, 13319 (1991)

    Article  ADS  Google Scholar 

  20. N. Shukla, C. Liu, P.M. Jones, D. Weller, J. Magn. Magn. Mater. 266, 178 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  21. Q. Liu, Z. Xu, Langmuir 11, 4617 (1995)

    Article  Google Scholar 

  22. A. Dey, A. De, S.K. De, J. Phys. Condens. Matter 17, 5895 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  23. J.Q. Xiao, J.S. Jiang, C.L. Chien, Phys. Rev. Lett. 68, 3749 (1992)

    Article  ADS  Google Scholar 

  24. R.H. Terrill, T.A. Postlethwaite, C. Chen, C.D. Poon, A. Terzis, A. Chen, J.E. Hutchison, M.R. Clark, G. Wignall, J. Am. Chem. Soc. 117, 12537 (1995)

    Article  Google Scholar 

  25. N.J. Tao, Nat. Nanotechnol. 1, 173 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  26. G. Wang, T. Kim, H. Lee, T. Lee, Phys. Rev. B 76, 205320 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  27. H. Zeng, C.T. Black, R.L. Sandstrom, P.M. Rice, C.B. Murray, S. Sun, Phys. Rev. B 73, 020402(R) (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  28. B.B. Nelson-Cheeseman, F.J. Wong, R.V. Chopdekar, E. Arenholz, Y. Suzuki, Phys. Rev. B 81, 214421 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  29. A. Chainani, T. Yokoya, T. Morimoto, T. Takahashi, S. Todo, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 78, 99 (1996)

    Article  Google Scholar 

  30. J. Inoue, S. Maekawa, Phys. Rev. B 53, 11927 (1996)

    Article  ADS  Google Scholar 

  31. G. Hu, Y. Suzuki, Phys. Rev. Lett. 89, 276601 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  32. Y.S. Dedkov, U. Rüdiger, G. Güntherodt, Phys. Rev. B 65, 064417 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  33. P.A. Bobbert, W. Wagemans, F.W.A. van Oost, B. Koopmans, M. Wohlgenannt, Phys. Rev. Lett. 102, 156604 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  34. J.J.H.M. Schoonus, P.G.E. Lumens, W. Wagemans, J.T. Kohlhepp, P.A. Bobbert, H.J.M. Swagten, B. Koopmans, Phys. Rev. Lett. 103, 146601 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  35. K. Torlyama, K. Nunome, M. Iwasaki, J. Phys. Chem. 85, 2149 (1981)

    Article  Google Scholar 

  36. C. Martínez-Boubeta, K. Simeonidis, M. Angelakeris, N. Pazos-Pérez, M. Giersig, A. Delimitis, L. Nalbandian, V. Alexandrakis, D. Niarchos, Phys. Rev. B 74, 054430 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  37. D.L. Peng, T. Asai, N. Nozawa, T. Hihara, K. Sumiyama, Appl. Phys. Lett. 81, 4598 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  38. C. Park, Y. Peng, J. Zhu, D.E. Laughlin, R.M. White, J. Appl. Phys. 97, 10C303 (2005)

    Article  Google Scholar 

  39. H.Y. Hwang, S.W. Cheong, N.P. Ong, B. Batlogg, Phys. Rev. Lett. 77, 2041 (1996)

    Article  ADS  Google Scholar 

  40. P. Chen, D.X. Xing, Y.W. Du, J.M. Zhu, D. Feng, Phys. Rev. Lett. 87, 107202 (2001)

    Article  ADS  Google Scholar 

  41. M. Wagenknecht, H. Eitel, T. Nachtrab, J.B. Philipp, R. Gross, R. Kleiner, D. Koelle, Phys. Rev. Lett. 96, 047203 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  42. C. Li, B. Lei, Z. Luo, S. Han, Z. Liu, D. Zhang, C. Zhou, Adv. Mater. 17, 1548 (2005)

    Article  Google Scholar 

  43. J.F. Wang, J. Shi, D. Tian, H. Deng, Y. Li, P. Song, C. Chen, Appl. Phys. Lett. 90, 213106 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  44. B.S. Kang, H. Wang, J.L. Macmanus-Driscoll, Y. Li, Q.X. Jia, I. Mihut, J.B. Betts, Appl. Phys. Lett. 88, 192514 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  45. P.K. Siwach, H.K. Singh, O.N. Srivastava, J. Phys. Condens. Matter 20, 273201 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  46. P. Dey, T.K. Nath, Phys. Rev. B 73, 214425 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  47. M. Bibes, L.I. Balcells, J. Fontcuberta, M. Wojicik, S. Nadolski, E. Jedryka, Appl. Phys. Lett. 82, 928 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  48. X.D. Cui, A. Primak, X. Zarate, J. Tomfohr, O.F. Sankey, A.L. Moore, T.A. Moore, D. Gust, G. Harris, S.M. Lindsay, Science 294, 571 (2001)

    Article  ADS  Google Scholar 

  49. S. Javaid, M. Bowen, S. Boukari, L. Joly, J.B. Beaufrand, X. Chen, Y.J. Dappe, F. Scheurer, J.P. Kappler, J. Arabski, W. Wulfhekel, M. Alouani, E. Beaurepaire, Phys. Rev. Lett. 105, 077201 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  50. J. Brede, N. Atodiresei, S. Kuck, P. Lazić, V. Caciuc, Y. Morikawa, G. Hoffmann, S. Blgel, R. Wiesendanger, Phys. Rev. Lett. 105, 047204 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  51. Y. Zhan, E. Holmström, R. Lizárraga, O. Eriksson, X. Liu, F. Li, E. Carlegrim, S. Stafström, M. Fahlman, Adv. Mater. 22, 1626 (2010)

    Article  Google Scholar 

  52. R. Massart, IEEE Trans. Magn. 17, 1247 (1981)

    Article  ADS  Google Scholar 

  53. H. Deng, X. Li, Q. Peng, X. Wang, J. Chen, Y.D. Li, Angew 44, 2782 (2005)

    Google Scholar 

Download references

Acknowledgements

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (10974084, 11222435, and 11023002), the National Basic Research Program of China (2010CB923402, 2013CB922103), and the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions.

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding authors

Correspondence to S. Wang or D. Wu.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Yue, F.J., Wang, S. & Wu, D. Spin transport in molecules studied by Fe3O4/molecule nanoparticles. Appl. Phys. A 111, 347–354 (2013). https://doi.org/10.1007/s00339-013-7625-3

Download citation

  • Received:

  • Accepted:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00339-013-7625-3

Keywords

Navigation