[論文レビュー] Coherent Epitaxial Semiconductor-Ferromagnetic Insulator InAs/EuS Interfaces: Band Alignment and Magnetic Structure

Yu Liu, Alessandra Luchini+17 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2019

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 61被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、格子整合性があり、界面に coherent なエpitaxial成長を示す InAs/EuS 異種接合の構造が実証され、InAs の導電帯付近に位置するフェルミ準位と、EuS のバンドギャップ内に位置するフェルミ準位が、半導体的性質を維持することを示した。中性子およびX線反射率の測定により、界面でEuのスピンモーメントが抑制されていることが判明したが、ab initio の予測とは裏腹に、InAsに誘起されたスピンモーメントは検出されなかった。これは、外部磁場を必要としない高品質なスピントロニクスデバイスの実現に向けた前進である。

ABSTRACT

Hybrid semiconductor-ferromagnetic insulator heterostructures are interesting due to their tunable electronic transport, self-sustained stray field and local proximitized magnetic exchange. In this work, we present lattice matched hybrid epitaxy of semiconductor - ferromagnetic insulator InAs/EuS heterostructures and analyze the atomic-scale structure as well as their electronic and magnetic characteristics. The Fermi level at the InAs/EuS interface is found to be close to the InAs conduction band and in the bandgap of EuS, thus preserving the semiconducting properties. Both neutron and X-ray reflectivity measurements show that the ferromagnetic component is mainly localized in the EuS thin film with a suppression of the Eu moment in the EuS layer nearest the InAs. Induced moments in the adjacent InAs layers were not detected although our ab initio calculations indicate a small exchange field in the InAs layer. This work presents a step towards realizing high quality semiconductor - ferromagnetic insulator hybrids, which is a critical requirement for development of various quantum and spintronic applications without external magnetic fields.

研究の動機と目的

• スピントロニクス応用を目的とした、高品質で格子整合性のある半導体-強磁性絶縁体異種接合の開発。
• InAs/EuS 異種接合における原子スケールの界面構造、バンド配列、磁気的性質の理解。
• 近接効果による InAs 層内に誘起された磁性の有無とその程度の調査。
• EuS 層内の強磁性モーメントの空間的分布と、界面近傍でのモーメントの抑制度の特定。
• 理論的予測された InAs 内の交換場を、実験的測定で検証すること。

提案手法

• 格子整合性のある基板上に、InAs/EuS 異種接合をエピタキシャル成長させ、界面の整合性を実現する。
• X線および中性子反射率測定により、EuS 層の密度と磁気的深さプロファイルを調査する。
• 角度分解光電子分光法 (ARPES) を用いて、界面におけるフェルミ準位の位置とバンド配列を特定する。
• ab initio 密度汎関数理論 (DFT) 計算を用いて、InAs 層内の交換場と電子構造を予測する。
• 反射率データを自己無撞着モデルを用いて解析し、層厚、粗さ、磁気モーメントの深さプロファイルを抽出する。
• 実験的結果と理論的予測を比較することで、近接効果に起因する磁性の強度と空間的範囲を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 整合性のある InAs/EuS 異種接合界面におけるバンド配列は何か？ また、電子的輸送特性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 特に InAs 界面近傍において、EuS の強磁性モーメントはどのように分布しているか？
• RQ3 InAs 層に、強磁性体である EuS に近接することで、測定可能な誘起磁性が生じているか？
• RQ4 InAs/EuS 界面において、EuS の磁気モーメントはどの程度抑制されているか？
• RQ5 ab initio 計算は、観測された InAs 層内の交換場をどの程度正確に予測しているか？

主な発見

• InAs/EuS 界面におけるフェルミ準位は、InAs の導電帯に近く、EuS のバンドギャップ内に位置しており、半導体的性質が維持されている。
• 中性子およびX線反射率の測定データから、強磁性成分は主に EuS 層に局在しており、界面近傍の EuS 層では、Eu の磁気モーメントが顕著に抑制されていることが示された。
• ab initio 計算では小さな交換場が予測されているにもかかわらず、隣接する InAs 層に検出可能な誘起磁気モーメントは観測されなかった。
• 界面は整合的かつ格子整合性を示しており、量子およびスピントロニクスデバイスに不可欠な高品質なエピタキシャル異種接合を実現している。
• 測定可能な誘起モーメントが存在しないことから、現在の実験条件下では InAs における近接効果が弱いことが示唆された。
• 本研究の結果は、半導体-強磁性絶縁体異種接合を用いた磁場なしスピントロニクスデバイスの実現に向けた道筋を示している。