[論文レビュー] Reliability of spin-to-charge conversion measurements in graphene-based lateral spin valves

C. K. Safeer, Franz Herling+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2021

Graphene research and applications参考文献 51被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、グラフェンにおいて一般的に逆ラシュバ・エデルシュタイン効果（IREE）の証拠と解釈されてきたS字型非局所電圧（VNL）対磁場（B）応答が、真のスピン-電荷変換ではなく、純粋なグラフェンにおける渦電場誘起通常ホール効果（OHE）に起因するものであることを示している。有限要素法シミュレーションと実験的検証を用いて、Co電極における異常ホール効果（AHE）を上回るOHEが、標準的な横方向スピンバルブ構造において支配的であることを示しており、IREEの割り当てはハンル・プレセッション測定と併用しない限り無効である。

ABSTRACT

Understanding spin physics in graphene is crucial for developing future two-dimensional spintronic devices. Recent studies show that efficient spin-to-charge conversions via either the inverse spin Hall effect or the inverse Rashba-Edelstein effect can be achieved in graphene by proximity with an adjacent spin-orbit coupling material. Lateral spin valve devices, made up of a graphene Hall bar and ferromagnets, are best suited for such studies. Here, we report that signals mimicking the inverse Rashba-Edelstein effect can be measured in pristine graphene possessing negligible spin-orbit coupling, confirming that these signals are unrelated to spin-to-charge conversion. We identify either the anomalous Hall effect in the ferromagnet or the ordinary Hall effect in graphene induced by stray fields as the possible sources of this artefact. By quantitatively comparing these options with finite-element-method simulations, we conclude the latter better explains our results. Our study deepens the understanding of spin-to-charge conversion measurement schemes in graphene, which should be taken into account when designing future experiments.

研究の動機と目的

• グラフェンベースの横方向スピンバルブ（LSV）におけるスピン-電荷変換（SCC）測定の信頼性を調査すること。
• S字型VNL対B曲線—通常は逆ラシュバ・エデルシュタイン効果（IREE）に起因するとされる—が、グラフェンにおけるスピン-軌道結合の真の指標であるかどうかを特定すること。
• フェロ磁性体の渦電場およびホール効果が、純粋なグラフェンおよびBi2O3プロキシミティズドグラフェンにおいてIREEを模倣する偽信号を引き起こす原因を同定および定量すること。
• 唯一、ハンル・プレセッション測定がグラフェンベースLSVにおけるスピン-電荷変換の明確な証拠を提供することを確立すること。

提案手法

• SiO2/Si基板上にTiOx/Coフェロ磁性電極およびBi2O3プロキシミティ層を有する二層グラフェン横方向スピンバルブを作製した。
• 50 Kで、面内磁場（Bx）および面外磁場（Bz）を変化させながら非局所電圧（VNL）測定を実施した。
• COMSOL Multiphysicsを用いた有限要素法（FEM）シミュレーションにより、渦電場に起因する通常ホール効果（OHE）およびCo電極における異常ホール効果（AHE）をモデル化した。
• 界面抵抗（Ri）、異常ホール角度（θAHE）、ピンホール数、グラフェン厚さを変化させることで、電位プロファイルおよび非局所電圧応答をシミュレートした。
• シミュレートされたVNL応答を実験データと比較し、支配的となるアーティファクト機構を特定した。
• ラマン分光および光学コントラストを用いて二層グラフェンの確認を行い、複数デバイス間での再現性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンベースの横方向スピンバルブにおけるS字型VNL対B曲線は、真のスピン-電荷変換としての逆ラシュバ・エデルシュタイン効果（IREE）に起因するものとみなせるか？
• RQ2 デバイス構造に起因するどのような物理的メカニズムが、グラフェンにおけるスピン-軌道結合とは無関係にS字型VNL-B応答を生じさせるか？
• RQ3 フェロ磁性体電極に起因する渦電場に起因する通常ホール効果（OHE）は、LSV測定におけるアーティファクト信号の主要因であるか？
• RQ4 Coにおける異常ホール効果（AHE）とグラフェンにおけるOHEの大きさおよび対称性は、観測された非局所電圧信号を説明するためにどのように比較されるか？
• RQ5 有限要素法シミュレーションは、実験的VNL応答を定量的に再現でき、AHEとOHEの寄与を区別できるか？

主な発見

• スピン-軌道結合がほとんどない純粋なグラフェンにおいてもS字型VNL対Bx曲線が観測されたため、これらがIREEを示すものではないことが証明された。
• フェロ磁性体の渦電場に起因する通常ホール効果（OHE）が、支配的アーティファクト機構であり、S字型応答の原因である。異常ホール効果（AHE）は寄与していない。
• 有限要素法シミュレーションにより、面外渦電場に起因するOHEが、実験的S字型曲線と同一の対称性および振幅の非局所電圧を生成することが確認された。
• シミュレーションでは、OHEの寄与がAHEの約100倍にのぼり、アーティファクトの主因であることが判明した。
• シミュレーションでは、OHE電圧がグラフェン厚さに比例し、高界面抵抗（Ri）で抑制されるが、現実的なピンホール密度下でも依然として支配的であることが示された。
• 本研究の結論として、唯一、ハンル・プレセッション測定がグラフェンベースの横方向スピンバルブにおけるスピン-電荷変換の明確な証拠を提供するものである。