[論文レビュー] Large and Robust Charge-to-Spin Conversion in Sputtered Weyl Semimetal WTex with Structural Disorder

Xiang Li, Peng Li+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2020

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 5

ひとこと要約

この研究では、構造的不規則性を有するスパッタリング法で作製されたウェイル半金属WTe_x薄膜が、結晶性WTe₂と比較して優れたスピンホール電導度および電荷-スピン変換効率を示す大規模で頑健な電荷-スピン変換を実証した。これらの薄膜は室温で0.97 MA/cm²の低電流密度で磁化の磁場フリー切り替えを可能とし、産業的スケールのスピントロニクス素子への応用可能性を示している。

ABSTRACT

Topological insulators have recently shown great promise for ultralow-power spin-orbit torque (SOT) devices thanks to their large charge-to-spin conversion efficiency originating from the spin-momentum-locked surface states. Weyl semimetals, on the other hand, may be more desirable due to their spin-polarized surface as well as bulk states, robustness against magnetic and structural disorder, and higher electrical conductivity for integration in metallic magnetic tunnel junctions. Here, we report that sputtered WTex thin films exhibit local atomic and chemical structures of Weyl semimetal WTe2 and host massless Weyl fermions in the presence of structural disorder at low temperatures. Remarkably, we find superior spin Hall conductivity and charge-to-spin conversion efficiency in these sputtered WTex films compared with crystalline WTe2 flakes. Besides, the strength of unidirectional spin Hall magnetoresistance in annealed WTex/Mo/CoFeB heterostructure is up to 20 times larger than typical SOT/ferromagnet bilayers reported at room temperature. We further demonstrate room temperature field-free magnetization switching at a current density as low as 0.97 MA/cm2. These large charge-to-spin conversion properties that are robust in the presence of structural disorder and thermal annealing pave the way for industrial production of Weyl semimetals. Our results open up a new class of sputtered Weyl semimetals for memory and computing based on magnetic tunnel junctions as well as broader planar heterostructures containing SOT/ferromagnet interfaces.

研究の動機と目的

• 高スピン軌道変換効率を有するウェイル半金属薄膜を、スケーラブルで産業的・実用的である方法で製造するための手法を開発すること。
• 構造的不規則性および熱アニール処理がウェイル半金属における電荷-スピン変換に与える影響を調査すること。
• スパッタリング法で作製されたWTe_xを用いて、室温で効率的かつ磁場フリーの磁化スイッチングを実現すること。
• 不規則なウェイル半金属系におけるスピンホール電導度およびスピン軌道トルクの頑健性を示すこと。

提案手法

• スパッタリング法で作製したWTe_x薄膜が、マクロな構造的不規則性を有しても、局所的な原子および化学的秩序を有するウェイル半金属相を形成することを達成すること。
• WTe_x/Mo/CoFeBヘテロ構造におけるスピンホール磁気抵抗（SMR）を測定することで、スピンホール電導度および電荷-スピン変換効率を評価すること。
• ウェイルフェルミオン状態を維持したまま構造的および電子的特性を向上させるために、熱アニール処理を施すこと。
• WTe_xベースの磁気トンネル接合において、電流パルスを用いて室温で磁場フリーの磁化スイッチング実験を実施すること。
• 高品質な結晶性WTe₂フラクチュアと比較して、スパッタリング法で作製したWTe_x薄膜のスピンホール電導度およびSMR応答を評価すること。
• 一方向性スピンホール磁気抵抗を用いて、ヘテロ構造におけるスピン軌道トルク効率を定量すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構造的不規則性を有するにもかかわらず、スパッタリング法で作製したWTe_x薄膜は、質量のないウェイルフェルミオンを有することができるか？
• RQ2 スパッタリング法で作製したWTe_xにおける電荷-スピン変換効率は、結晶性WTe₂フラクチュアと比較してどの程度か？
• RQ3 熱アニール処理は、不規則なウェイル半金属薄膜におけるスピンホール電導度およびスピン軌道トルクをどの程度向上させるか？
• RQ4 室温で低電流密度で、WTe_xベースのヘテロ構造において磁場フリーの磁化スイッチングを達成できるか？
• RQ5 構造的不規則性および磁気的不規則性の下でも、スパッタリング法で作製したウェイル半金属のスピン軌道特性はどの程度頑健か？

主な発見

• スパッタリング法で作製したWTe_x薄膜は、構造的不規則性を有しても、ウェイル半金属WTe₂と一致する局所的な原子および化学的構造を示し、質量のないウェイルフェルミオンを有している。
• スパッタリング法で作製したWTe_x薄膜におけるスピンホール電導度および電荷-スピン変換効率は、結晶性WTe₂フラクチュアを上回っている。
• アニール処理を施したWTe_x/Mo/CoFeBヘテロ構造における一方向性スピンホール磁気抵抗は、室温で通常のSOT/鉄磁性体バイライヤーの20倍まで大きくなっている。
• WTe_xベースの磁気トンネル接合において、室温で0.97 MA/cm²という低電流密度で磁場フリーの磁化スイッチングが達成された。
• スパッタリング法で作製したウェイル半金属薄膜における電荷-スピン変換特性は、構造的不規則性および熱アニール処理に対しても頑健であり、大規模なデバイス統合が可能である。
• スパッタリング法で作製したウェイル半金属薄膜は、高性能スピントロニクス素子の産業的生産に実用的なプラットフォームを提供する。