[論文レビュー] Room temperature high charge to spin conversion in amorphous topological insulator

Protyush Sahu, Junyang Chen+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2019

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、スパッタリング法で作製された非晶質ヒスチジウムセレン化物系トポロジカル絶縁体（Gd合金化されたBixSe1-x）薄膜において、室温で高効率な電荷-スピン変換が実証された。8 nm 厚の非晶質 BSG薄膜はスピンホール角3.74を示し、従来の重金属と比較して1桁大きい値であり、無秩序なトポロジカル系におけるスピントロニクス応用の可能性を示している。

ABSTRACT

Disordered topological insulator (TI) films have gained intense interest because of their possibility for spintronic applications by befitting from TI's exotic transport properties. Here, we have fabricated disordered Gd-alloyed BixSe1-x (BSG) TI films by sputtering methods and have investigated their magneto-transport and spin-torque properties. Structural characterizations show a mainly amorphous feature for the 8 nm thick BSG film, while Bi rich crystallites are developed inside the 16 nm thick BSG film. The bulk resistivity of BSG film is found to be relatively high, up to 6 x 10^4 this http URL, with respect to the resistivity of the polycrystalline BixSe1-x film. Temperature dependent resistivity measurements display the evident character of a variable range hopping transport from 80K to 300K. Second harmonic transport characterizations have been performed on the BSG (t)/ CFB (5 nm) bilayer structures with different thicknesses (t = 6, 8, 12, 16 nm). The effective spin Hall angle deduced form the damping-like torque shows a maximum value of 3.74 corresponding to 8 nm thick BSG at room temperature, which is one order of magnitude higher than that of heavy metals. The possible various origins of suck enhancement are discussed. Our study provides a new experimental direction, beyond crystalline solids, to search for topological systems in amorphous solids and other engineered random systems.

研究の動機と目的

• 無秩序で非晶質なトポロジカル絶縁体薄膜のスピントロニクス応用可能性を調査すること。
• スパッタリング法で作製されたGd合金化BixSe1-x（BSG）薄膜の厚さを変化させた際の磁気輸送およびスピンターブル特性を調査すること。
• 非晶質トポロジカル絶縁体が室温で高効率な電荷-スピン変換を実現できるかどうかを検証すること。
• 結晶系と比較して、無秩序系で強化されたスピンホール効果の起源を特定すること。

提案手法

• ラジオ周波数磁気スパッタリング法を用いて、6、8、12、16 nm の厚さの BSG 薄膜を製造した。
• X線回折および電子顕微鏡を用いた構造的特徴付けにより、非晶質性の確認と、厚い膜ではBi富含結晶子の生成を検出した。
• 温度依存抵抗率の測定により、変動範囲ホッピング輸送の挙動を同定した。
• BSG/CuFeB（5 nm）二重膜構造における2次高調波電圧測定により、有効スピンホール角を抽出した。
• ダンピング様ターブル信号の解析により、薄膜の厚さおよび温度依存のスピンホール角を決定した。
• 従来の重金属のスピンホール角と比較し、その増幅度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非晶質トポロジカル絶縁体薄膜は、室温で強力な電荷-スピン変換を示すことができるか？
• RQ2 薄膜の厚さが、無秩序な BSG 薄膜におけるスピンホール角にどのように影響するか？
• RQ3 非晶質 BSG 薄膜で観測された強化されたスピンホール効果の起源は何か？結晶系や重金属系と比較して。
• RQ4 構造的無秩序は、トポロジカル絶縁体におけるスピン輸送特性にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 非晶質トポロジカル絶縁体は、スピントロニクス素子において結晶材料の代替として実用可能か？

主な発見

• 8 nm 厚の BSG 薄膜は主に非晶質構造を示すが、16 nm 厚の膜では Bi 富含結晶子の生成が確認された。
• BSG 薄膜の体積抵抗率は最大で 6 × 10⁴ Ω·cm に達し、多結晶 BixSe1-x 薄膜と比較して顕著に高い値を示した。
• 温度依存抵抗率測定により、80 K から 300 K の範囲で変動範囲ホッピング輸送の挙動が確認された。
• 有効スピンホール角は、室温における 8 nm 厚 BSG 薄膜で最大値 3.74 を示した。
• このスピンホール角は、一般的に観察される従来の重金属のスピンホール角と比較して約1桁大きい値である。
• スピンホール効果の増幅は、複数の要因に起因すると考えられ、その中には無秩序に起因するスピン軌道結合や、非晶質系におけるトポロジカル的表面状態が含まれる。