[論文レビュー] Electrical spin injection into graphene from a topological insulator in a van der Waals heterostructure

Jifa Tian, Ting‐Fung Chung+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、トポロジカル絶縁体（Bi2Te2Se）の表面状態におけるスピン運動量ロックを活用し、ヴァン・デル・ワールスヘテロ構造を介してグラフェンへすべて電気的スピン注入を実現した。両材料に共通する段差型の電圧信号が、電流誘起のヘリカルスピン偏極を確認した。信号の極性は電流の向きを逆転させると反転し、バイアス電流に比例して増大する。磁性材料を用いない電気的スピン注入の実証である。

ABSTRACT

All-electrical (magnetic-material-free) spin injection is one of the outstanding goals in spintronics. Topological insulators (TIs) have been recognized as a promising electrically controlled spin source thanks to the strong spin-orbit coupling and in particular, the spin-momentum locked topological surface states (TSS) supporting helically spin polarized currents. Many TI materials such as Bi-based chalcogenides are also layered 2D materials and can be incorporated into van der Waals (vdW) coupled heterostructures, opening the possibility of the utilization of TIs for electrical spin injection into other 2D materials. Here, we demonstrate electrical injection of helically spin-polarized current into graphene through a 3D TI in a mechanically stacked heterostructure between Bi2Te2Se (a TI) and chemical vapor deposition (CVD)-grown graphene, using the spin potentiometric measurement. When a dc current is flowing from the TI to graphene, we detect a striking step-like voltage change (spin signal) in both the TI and graphene using ferromagnetic (FM) probes. The sign of the spin signal can be reversed by reversing the direction of the dc bias current, and the corresponding amplitude of the spin signal increases linearly with the bias current, indicative of a current-induced helical spin polarization in both TI and graphene. In contrast, the graphene itself exhibits usual nonlocal spin valve signal when the spins are injected using an FM electrode. We discuss possible origins of the helical spin polarization injected into the graphene in our TI/graphene heterostructure that may include TSS as well as the spin-orbit coupled Rashba states. Our findings show electrical injection of a spin helical current into graphene through a TI and demonstrate TIs as potential spin sources for future spintronic devices wherein spin manipulation is achieved electrically.

研究の動機と目的

• フェロ磁性電極を用いずに、グラフェンへのすべて電気的スピン注入を達成すること。
• スピン運動量ロックされた表面状態を有するトポロジカル絶縁体がスピン源としての可能性を有することを調査すること。
• Bi2Te2SeとCVD法で成長したグラフェンのヴァン・デル・ワールスヘテロ構造を用いてスピン注入を実証すること。
• スピンポテンショメトリーを用いて、トポロジカル絶縁体およびグラフェンの両方でヘリカルスピン偏極電流の存在を検証すること。
• ヘテロ構造におけるスピン偏極の起源を、トポロジカル表面状態およびラシュバ状態の寄与を含めて調査すること。

提案手法

• 機械的剥離法で得たBi2Te2Se（3次元トポロジカル絶縁体）とCVD法で成長したグラフェンのヴァン・デル・ワールススタック構造を形成した。
• トポロジカル絶縁体からグラフェンへ直流電流を印加し、スピン注入を誘起した。
• フェロ磁性プローブを用いてスピンポテンショメトリー測定を実施し、Bi2Te2Seおよびグラフェンにおけるスピン信号を検出した。
• バイアス電流の関数としての電圧変化を測定し、スピン信号の振幅と極性を評価した。
• 直流バイアス電流の向きを反転させ、スピン信号の可逆性を検証した。
• グラフェン上にフェロ磁性電極を用いた従来の非局所スピンバルブ測定と結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヴァン・デル・ワールスヘテロ構造において、トポロジカル絶縁体がグラフェンの電気的駆動スピン源として機能可能か？
• RQ2 直流電流によって駆動されるトポロジカル絶縁体から、ヘリカルスピン偏極電流がグラフェンに注入されるか？
• RQ3 ヘテロ構造におけるスピン信号が電流依存の振幅と極性反転を示すか。これは電気的スピン注入制御の証明となるか？
• RQ4 グラフェン層におけるスピン偏極の主な寄与要因は何か。トポロジカル表面状態か、ラシュバ型状態か？
• RQ5 2次元ヘテロ構造において、フェロ磁性材料を用いずにすべて電気的スピン注入を達成可能か？

主な発見

• 直流電流を印加した際、トポロジカル絶縁体およびグラフェン層の両方で、スピン信号を示す段差型の電圧変化が観測された。
• 直流バイアス電流の向きを逆転させるとスピン信号の符号が反転した。これにより、スピン偏極の電気的制御が確認された。
• スピン信号の振幅は印加バイアス電流に比例して増大した。これは電流誘起ヘリカルスピン偏極を示している。
• フェロ磁性電極を用いたプローブ測定で、グラフェン層に従来の非局所スピンバルブ信号が観測された。これはスピン輸送の基本的挙動を確認した。
• 観測されたスピン注入は、トポロジカル表面状態におけるスピン運動量ロックおよび、ヘテロ構造内でのおそらくラシュバ型スピン軌道結合状態の寄与によるものとされる。
• 本結果により、将来的なスピントロニクス素子における磁性材料フリーの電気的駆動スピン源として、トポロジカル絶縁体が実用的候補であることが確立された。