[論文レビュー] Spintronics of Organometal Trihalide Perovskites

Dali Sun, Chuang Zhang+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2016

Perovskite Materials and Applications参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、有機金属ハライドペロブスカイト（CH3NH3PbX3）におけるスピントロニクスの研究を画期的に前進させ、スピンポンプ効果とスピン整列キャリア注入を用いて純粋なスピン電流を生成することを示した。逆スピンホール効果を用いた室温でのスピン拡산長は約9 nm、スピンバルブデバイスにおける磁気抵抗測定から得られた低温時のスピン拡散長は約85 nmであった。鉛原子に起因する強いスピン軌道相互作用のおかげで、スピンベースのオプトエレクトロニクス素子への応用可能性が示された。

ABSTRACT

The family of organometal trihalide perovskite (OTP), CH3NH3PbX3 (where X is halogen) has recently revolutionized the photovoltaics field and shows promise in a variety of optoelectronic applications. The characteristic spin properties of charge and neutral excitations in OTPs are influenced by the large spin-orbit coupling of the Pb atoms, which may lead to spin-based device applications. Here we report the first studies of pure spin-current and spin-aligned carrier injection in OTP spintronics devices using spin-pumping and spin-injection, respectively. We measure a relatively large inverse-spin-Hall effect using pulsed microwave excitation in OTP devices at resonance with a ferromagnetic substrate, from which we derive room temperature spin diffusion length, lambda_sd~9nm; and low-temperature giant magnetoresistance in OTP-based spin-valves from which we estimate lambda_sd~85nm.

研究の動機と目的

• 有機金属トリハライドペロブスカイト（OTP）のスピントロニクス的性質、特にスピン輸送およびスピン注入特性を調査すること。
• 鉛原子に起因する強いスピン軌道相互作用が、スピンベースのデバイス機能を実現する上で果たす役割を調査すること。
• スピンポンプ法およびスピンバルブ構造における磁気抵抗測定を用いて、OTPにおけるスピン拡散長を測定すること。
• OTPが室温でのスピントロニクス応用に実現可能であるかを確立すること。

提案手法

• フェロ磁性体基板上に形成されたOTPデバイスにおいて、フェロ磁性共鳴状態下でパルスマイクロ波励起を用いたスピンポンプ法を採用した。
• 室温でのスピン拡散長を抽出するために、逆スピンホール効果を測定した。
• OTPを用いたスピンバルブデバイスをフォトリソグラフィーで作製し、低温でギャンブル磁気抵抗効果を観測した。
• フェロ磁性共鳴およびマイクロ波励起を用いて、OTP内へのスピン極化キャリアの注入と検出を実施した。
• 逆スピンホール電圧の電気的検出を通じて、スピン電流応答を分析した。
• スピンポンプ法と磁気抵抗測定の両方の実験データを統合し、さまざまな温度条件下でのスピン拡散長を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピンポンプ法を用いて、有機金属トリハライドペロブスカイトにおいて純粋なスピン電流を生成および検出できるか？
• RQ2 OTPにおける室温でのスピン拡散長はどの程度であり、他のスピントロニクス材料と比較してどうなるか？
• RQ3 スピン整列キャリアをOTPに注入できるか？また、スピンバルブ構成下での磁気抵抗挙動はいかなるものか？
• RQ4 鉛を含むペロブスカイトにおける強いスピン軌道相互作用が、スピン輸送およびデバイス性能に与える影響は何か？
• RQ5 OTPはどの程度まで室温でのスピントロニクス機能を実現できるか？

主な発見

• 室温でのOTPデバイスにおいて逆スピンホール効果が観測され、スピン拡散長は約9 nmであった。
• OTPベースのスピンバルブにおける低温でのギャンブル磁気抵抗効果から、約85 nmの顕著に長いスピン拡散長が示された。
• 測定されたスピン拡散長は、複雑な欠际構造を有するにもかかわらず、OTPがスピントロニクス応用に適している可能性を裏付けた。
• スピンポンプ実験により、OTPにおける効率的なスピン電流の生成および検出が確認され、スピントロニクス素子としての有効性が裏付けられた。
• 強いスピン軌道相互作用が鉛含有ペロブスカイトのスピン輸送特性に与える影響が顕著に示された。
• 本研究により、OTPが将来のスピントロニクスおよびスピン光電変換素子の有力候補であることが確立された。