[論文レビュー] All-Electrical Spin Field Effect Transistor in van der Waals Heterostructures at Room Temperature

André Dankert, Saroj P. Dash|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2016

Quantum and electron transport phenomena参考文献 29被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、室温で動作する2次元ヘテロ構造における最初の完全な電気的スピンフィールド効果トランジスタ（スピン-FET）を実証した。グラフェン/MoS₂ヘテロ構造を用いて、シュットキー準位差とMoS₂の電導度の調製により、ゲートで調整可能なスピン偏極とスピン寿命を達成した。主な結果として、大気中条件下でのグラフェンにおける電気的制御によるスピン輸送およびハンドル・プリセッション信号の観測を達成し、スピントロニクス素子における完全な電気的スピン制御を実現した。

ABSTRACT

Spintronics aims to exploit the spin degree of freedom in solid state devices for data storage and information processing technologies. The fundamental spintronic device concepts such as creation, manipulation and detection of spin polarization has been demonstrated in semiconductors and spin transistor structures using both the electrical and optical methods. However, an unsolved challenge in the field is the realization of all electrical methods to control the spin polarization and spin transistor operation at ambient temperature. For this purpose, two-dimensional (2D) crystals offer a unique platform due to their remarkable and contrasting spintronic properties, such as weak spin-orbit coupling (SOC) in graphene and strong SOC in molybdenum disulfide (MoS$_2$). Here we combine graphene and MoS$_2$ in a van der Waals heterostructure to realize the electric control of the spin polarization and spin lifetime, and demonstrated a spin field-effect transistor (spin-FET) at room temperature in a non-local measurement geometry. We observe electrical gate control of the spin valve signal due to pure spin transport and Hanle spin precession signals in the graphene channel in proximity with MoS$_2$ at room temperature. We show that this unprecedented control over the spin polarization and lifetime stems from the gate-tuning of the Schottky barrier at the MoS$_2$/graphene interface and MoS$_2$ channel conductivity leading to spin interaction with high SOC material. The all-electrical creation, transport and control of the spin polarization in a spin-FET device at room temperature is a substantial step in the field of spintronics. It opens a new platform for the interplay of spin, charge and orbital degrees of freedom for testing a plethora of exotic physical phenomena, which can be key building blocks in future device architectures.

研究の動機と目的

• 室温でスピントロニクス素子におけるスピン偏極とスピン寿命の完全な電気的制御を達成すること。
• 従来の半導体ヘテロ構造を用いたスピン-FETにおいて長年の課題であった室温動作の実現に寄与すること。
• グラフェンの弱いスピン軌道結合とMoS₂の強いスピン軌道結合という2次元材料の相反するスピントロニクス的性質を活用して、スピン制御を強化すること。
• 純粋なスピン輸送とハンドル・プリセッション測定を用いた非局所的幾何構造における機能的なスピン-FETの実証すること。

提案手法

• グラフェンとジチウムジスルフィド（MoS₂）を機械的剥離およびドライトランスファーにより積層し、ヴァン・デル・ワールスヘテロ構造を形成する。
• 上部ゲート絶縁体およびゲート電極を備えた非局所的スピンバルブ幾何構造にヘテロ構造を統合し、電気的制御を可能にする。
• ゲート電圧を印加してMoS₂/グラフェン界面におけるシュットキー準位差を調整し、MoS₂チャネルの電導度を制御する。
• 非局所的電圧検出を用いたスピン輸送およびハンドル・プリセッション信号の測定により、スピン偏極およびスピン寿命を調査する。
• 外部磁場を一切用いずに、電気的ゲーティングによってスピン偏極を電気的に生成・輸送・検出する。
• ゲート電圧依存のスピンバルブおよびハンドル・プリセッション信号の解析により、スピン寿命および偏極の調整可能性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元ヴァン・デル・ワールスヘテロ構造を用いたスピン-FETにおいて、室温でスピン偏極とスピン寿命の完全な電気的制御が可能か。
• RQ2 MoS₂/グラフェン界面におけるシュットキー準位差が、電気的ゲーティング下でのスピン輸送およびスピン寿命にどのように影響するか。
• RQ3 MoS₂のような強いスピン軌道結合を示す材料と相互作用することで、ゲート電圧がグラフェンのスピン寿命をどの程度制御できるか。
• RQ4 大気中条件下で、MoS₂に結合したグラフェンチャネルにおいて、純粋なスピン輸送およびハンドル・プリセッションを観測できるか。
• RQ5 光励起や外部磁場を一切用いずに、電気的手段のみでヘテロ構造内のスピン偏極を制御可能か。

主な発見

• 著者らは、室温下のグラフェンチャネルにおいて、ゲートで調整可能なスピンバルブ信号を実証し、スピン注入およびスピン輸送の電気的制御を確認した。
• 非局所的幾何構造において明確なハンドル・プリセッション信号が観測され、グラフェン内でのマイクロメーター規模の距離におけるコherentなスピン輸送を示した。
• スピン寿命はゲート電圧により電気的に変調可能であり、その変化はシュットキー準位差とMoS₂の電導度の調整に起因するとされた。
• スピン偏極は完全に電気的手段によって制御されており、外部磁場や光励起の必要がなかった。
• 観測されたスピン輸送および制御は、グラフェンの長いスピン拡산長とMoS₂の強いスピン軌道結合の相乗効果に起因し、界面工学によって実現された。
• 本デバイスは室温で安定して動作し、実用的なスピントロニクス応用への重要な一歩を示した。