[論文レビュー] Van der Waals Magnet based Spin-Valve Devices at Room Temperature

Bing Zhao, Roselle Ngaloy+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2021

2D Materials and Applications参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、van der Waals (vdW) 磁性体を用いた初の室温スピンバルブデバイスを、Fe5GeTe2/グラフェンヘテロ構造を用いて実現した。室温で約45%の大きな負のトンネルスピン極化を達成し、ラテラル構造のデバイスで電気的スピン注入、輸送、プロセッション、検出を可能にした。これにより、常温下でのすべて2次元スピントロニクス回路の実現に向けた道筋が開かれた。

ABSTRACT

The discovery of van der Waals (vdW) magnets opened up a new paradigm for condensed matter physics and spintronic technologies. However, the operations of active spintronic devices with vdW magnets are so far limited to cryogenic temperatures, inhibiting its broader practical applications. Here, for the first time, we demonstrate room temperature spin-valve devices using vdW itinerant ferromagnet Fe5GeTe2 in heterostructures with graphene. The tunnel spin polarization of the Fe5GeTe2/graphene vdW interface is detected to be significantly large ~ 45 % and negative at room temperature. Lateral spin-valve device design enables electrical control of spin signal and realization of basic building blocks for device application such as efficient spin injection, transport, precession, and detection functionalities. Furthermore, measurements with different magnetic orientations provide unique insights into the magnetic anisotropy of Fe5GeTe2 and its relation with spin polarization and dynamics in the heterostructure. These findings open opportunities for the applications of vdW magnet-based all-2D spintronic devices and integrated spin circuits at ambient temperatures.

研究の動機と目的

• vdW磁性体を用いたスピントロニクスデバイスが、冷害温度でのみ動作することという制限を克服すること。
• 室温で動作するvan der Waals遷移金属フェロ磁性体Fe5GeTe2を用いた機能的スピンバルブデバイスの実証。
• ラテラルデバイス構造において、効率的な電気的スピン注入、輸送、プロセッション、検出を達成すること。
• Fe5GeTe2の磁気異方性と、ヘテロ構造におけるスピン極化およびスピンダイナミクスに与える影響の調査。
• 常温下でのすべて2次元スピントロニクスデバイスおよび統合スピン回路の実用的応用の実現。

提案手法

• 磁性チャネルにFe5GeTe2、スピン輸送チャネルにグラフェンを用いたラテラルスピンバルブデバイスの作製。
• 高品質なトンネル特性を有するFe5GeTe2/グラフェン界面を形成するためのvan der Waalsヘテロエpitaxyの適用。
• 室温下でのフェロ磁性コンタクトを用いたスピン注入および検出によるスピン信号の電気的測定。
• 磁気異方性およびスピン極化をプローブするため、方向を変化させた外部磁場の適用。
• 異なる磁場配置下でのスピンプロセッションおよびスピン寿命の測定により、スピンダイナミクスの抽出。
• 室温下でのスピン注入効率の度合いを定量化するためのトンネルスピン極化分析の適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 van der Waals磁性体を用いたスピンバルブデバイスは、室温で効果的に動作することができるか？
• RQ2 室温下におけるFe5GeTe2/グラフェン界面でのトンネルスピン極化の大きさと符号は何か？
• RQ3 Fe5GeTe2の磁気異方性は、ヘテロ構造におけるスピン極化およびスピン輸送にどのように影響するか？
• RQ4 ラテラルスピンバルブ構造は、室温下でスピン信号の注入、輸送、プロセッション、検出のすべての主要機能を支えることができるか？
• RQ5 これらの結果は、すべて2次元スピントロニクス統合回路の開発にどのような意味を持つのか？

主な発見

• Fe5GeTe2/グラフェン界面におけるトンネルスピン極化は、室温で約45%に達し、符号は負であり、強力なスピンフィルタリングを示している。
• ラテラルスピンバルブデバイスの室温動作が成功裏に実証され、スピン信号の電気的制御が可能となった。
• デバイスは、1つのすべて2次元ヘテロ構造内で、効率的なスピン注入、輸送、プロセッション、検出というすべての基本的機能を示した。
• 磁気異方性測定により、Fe5GeTe2の磁気的配向とそのスピン極化およびダイナミクスとの強い相関が明らかになった。
• 高いスピン極化および常温下での安定性を示すため、Fe5GeTe2は室温スピントロニクス応用の実現可能な候補であることが確立された。
• 本研究は、室温で動作するスケーラブルなすべて2次元スピントロニクス回路の実現に向けた重要な一歩を示した。