[論文レビュー] Van der Waals engineering of ferromagnetic semiconductor heterostructures for spin and valleytronics

Ding Zhong, Kyle L. Seyler+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2018

2D Materials and Applications参考文献 58被引用数 840

ひとこと要約

本研究では、2次元半導体のモノレイヤーWSe2と超薄膜CrI3をvan der Waalsヘテロ構造に組み合わせることで、スピンおよびバルク擬スピンの前例のない制御を実現した。CrI3の磁化を反転させることで、バルク分裂および偏極の急速なスイッチングを達成し、約13 Tの大きな有効磁気交換場を検出。光励起発光強度は界面におけるスピン整列に強く依存していた。

ABSTRACT

The integration of magnetic material with semiconductors has been fertile ground for fundamental science as well as of great practical interest toward the seamless integration of information processing and storage. Here we create van der Waals heterostructures formed by an ultrathin ferromagnetic semiconductor CrI3 and a monolayer of WSe2. We observe unprecedented control of the spin and valley pseudospin in WSe2, where we detect a large magnetic exchange field of nearly 13 T and rapid switching of the WSe2 valley splitting and polarization via flipping of the CrI3 magnetization. The WSe2 photoluminescence intensity strongly depends on the relative alignment between photo-excited spins in WSe2 and the CrI3 magnetization, due to ultrafast spin-dependent charge hopping across the heterostructure interface. The photoluminescence detection of valley pseudospin provides a simple and sensitive method to probe the intriguing domain dynamics in the ultrathin magnet, as well as the rich spin interactions within the heterostructure.

研究の動機と目的

• 2次元半導体におけるスピンおよびバルク擬スピンの制御を、超薄膜フェロ磁性半導体とのプロキシミティ結合を用いて探求すること。
• 格子不整合や界面欠損が生じない強力でチューナブルな交換相互作用を可能にするvan der Waals界面の役割を調査すること。
• バルク擬スピンの発光検出を用いて、2次元磁性体における磁気ドメインダイナミクスを感度高く非破壊的にプローブする手法を開発すること。
• 2次元ヘテロ構造が、高いチューナビリティを持つスピントロニクスおよびバルクトロニクス素子のためのプラットフォームとして実現可能であることを示すこと。

提案手法

• モノレイヤーWSe2と約10 nmのCrI3を機械的剥離により作製し、h-BNでカプセル化して劣化を防いだ。
• 可変磁場および温度下での偏光発光分光測定を実施し、スピンおよびバルク状態を調べた。
• 空間的に分解能の高い発光マッピングを用いて、CrI3内のバルク擬スピン偏極およびドメイン構造をマイクロメートル未満の分解能で画像化した。
• 磁場を2次元平面に垂直に印加（ファラデー幾何）することで、発光強度およびピークエネルギーにヒステリシスを誘発させ、フェロ磁性の挙動を明らかにした。
• バルク分裂および正規化された強度差（ρ）のフィッティング手法を用いて、発光データからロバストでノイズの少ない信号を抽出した。
• 双極性ドメインモデルを用い、ドーピュールおよびゼーマン相互作用を含めた体系的記述により、観測されたヒステリシスループおよびドメイン安定性を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超薄膜フェロ磁性CrI3は、van der Waalsプロキシミティ効果により2次元半導体に大きなチューナブルな交換場を誘導できるか？
• RQ2 CrI3の磁化方向がWSe2におけるバルク擬スピンおよびスピン偏極に与える影響は何か？
• RQ3 バルク偏極の発光検出は、2次元磁性体における磁気ドメインダイナミクスを感度高くプローブできるか？
• RQ4 界面における交換結合がバルク分裂の高速スイッチングを可能にする役割は何か？
• RQ5 ドメインサイズ、磁化強度、ドメイン間結合が観測されたヒステリシス挙動に与える影響は何か？

主な発見

• CrI3とのプロキシミティ結合により、WSe2で約13 Tの大きな有効磁気交換場が検出され、5 Kでのバルク分裂は約3.5 meVに相当した。
• 励起パワーに依存しないバルク分裂が確認され、キャリア密度の影響を除外し、交換相互作用に起因することを裏付けた。
• 発光強度は、WSe2内の光励起スピンとCrI3の磁化の相対的整列に強く依存しており、界面を介した超高速スピン依存性電荷移動を示唆した。
• 磁場印加下で発光強度およびピークエネルギーにヒステリシスループが観測され、CrI3のフェロ磁性挙動が確認された。コercive場は約±0.85 Tおよび±1.85 Tであった。
• 空間的分解能の高い発光マッピングにより、CrI3内の明確な磁気ドメイン構造が観察され、この手法はドメインサイズおよび磁化方向に感度を示した。
• 正規化された強度差ρは、短時間積分時においても信号対ノイズ比が優れており、バルク分裂の測定を凌駆するロバストで低ノイズなバルク擬スピンプローブであった。