[논문 리뷰] All-electrical creation and control of giant spin-galvanic effect in 1T-MoTe2/graphene heterostructures at room temperature

Md. Anamul Hoque, Dmitrii Khokhriakov외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 25.

2D Materials and Applications참고 문헌 35인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 실온에서 1T-MoTe2/그래핀 반데르발스 이중구조에서 모든 전기적 방식으로 거대한 스핀-갈바닉 효과를 생성하고 게이트 전압으로 제어하는 것을 입증한다. 이 효과는 유도된 라슈바 스핀-오비트 결합에 기인하며, 다른 시스템보다 신호 크기가 약 10배 이상 큰 강력한 스핀-전하 변환을 가능하게 하며, 전하 중성점 근처에서 게이트 전압을 통해 신호의 부호와 강도를 완전히 전기적으로 제어할 수 있다.

ABSTRACT

The ability to engineer new states of matter and to control their electronic and spintronic properties by electric fields is at the heart of the modern information technology and driving force behind recent advances in van der Waals (vdW) heterostructures of two-dimensional materials. Here, we exploit a proximity-induced Rashba-Edelstein (REE) effect in vdW heterostructures of Weyl semimetal candidate MoTe2 and CVD graphene, where an unprecedented gate-controlled switching of spin-galvanic effect emerges due to an efficient spin-to-charge conversion at room temperature. The magnitude of the measured spin-galvanic signal is found to be an order of magnitude larger than the other systems, giving rise to a giant REE. The magnitude and the sign of the spin-galvanic signal are shown to be strongly modulated by gate electric field near the charge neutrality point, which can be understood considering the spin textures of the Rashba spin-orbit coupling-induced spin-splitting in conduction and valence bands of the heterostructure. These findings open opportunities for utilization of gate-controlled switching of spin-galvanic effects in spintronic memory and logic technologies and possibilities for realization of new states of matter with novel spin textures in vdW heterostructures with gate-tunable functionalities.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 2차원 반데르발스 이중구조에서 스핀-갈바닉 효과의 모든 전기적 제어를 달성하기 위해.
• 근접 유도된 라슈바 스핀-오비트 결합이 강력한 스핀-전하 변환을 가능하게 하는 역할를 탐색하기 위해.
• 1T-MoTe2/그래핀 이중구조에서 스핀-갈바닉 신호의 크기와 부호를 게이트 전압으로 조절 가능함을 입증하기 위해.
• 향상된 기능성과 실온 작동을 가능하게 하는 게이트 조절이 가능한 스핀트로닉스 장치 플랫폼을 구축하기 위해.
• 2차원 이중구조에서 스핀 텍스처와 전자 밴드 구조 간의 상호작용을 연구하여 새로운 양자 현상을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 기계적 분리 및 CVD 방법으로 증착한 1T-MoTe2와 그래핀을 이용한 반데르발스 이중구조의 제작.
• 그래핀 층의 실온에서 전하 중성점 근처에서 전하 밀도를 게이트 전압으로 조절하기 위해 배경 게이트 전압을 적용.
• 홀바 기하구조에서 페로자성 접촉을 이용한 스핀 주입 및 탐지 방식을 통해 스핀-갈바닉 효과 측정.
• 1T-MoTe2/그래핀 인터페이스에서 유도된 라슈바 스핀-오비트 결합을 활용하여 도핑 밴드 및 밸런스 밴드의 스핀 분리 생성.
• 게이트 전압 의존성 신호 분석을 통해 스핀 텍스처 변화 및 밴드 구조 조절과의 상관관계를 규명.
• 전기적 게이팅을 통해 스핀-갈바닉 신호의 부호와 진폭을 전기적으로 스위칭함으로써 스핀-전하 변환의 제어 가능성을 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 2차원 반데르발스 이중구조에서 스핀-갈바닉 효과를 순수 전기적 방식으로 생성하고 제어할 수 있는가?
• RQ2 1T-MoTe2/그래핀 이중구조에서 스핀-갈바닉 효과의 크기는 얼마이며, 다른 시스템과 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ3 게이트 전압은 이 이중구조에서 스핀-갈바닉 신호의 부호와 진폭을 어떻게 조절하는가?
• RQ4 라슈바 스핀-오비트 결합은 이 시스템에서 거대한 스핀-갈바닉 효과를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이 이중구조의 스핀 텍스처는 전기적으로 조절 가능하여 스핀-전하 변환 효율을 제어할 수 있는가?

주요 결과

• 1T-MoTe2/그래핀 이중구조에서 관측된 스핀-갈바닉 효과는 이전에 보고된 시스템보다 크기가 약 10배 이상 크며, 이는 거대한 라슈바-에델슈타인 효과를 나타낸다.
• 전하 중성점 근처에서 게이트 전압에 의해 스핀-갈바닉 신호의 부호와 진폭이 가역적으로 조절되며, 이는 모든 전기적 제어를 입증한다.
• 관측된 게이트 조절 가능성은 라슈바 스핀-오비트 결합에 의해 유도된 전기장에 의한 도핑 및 밸런스 밴드의 스핀 분리 조절에 기인한다.
• 이 효과는 실온에서도 유지되며 강건하게 작동하여 스핀트로닉스 장치의 실용적 응용 가능성을 제공한다.
• 이 시스템은 측정 가능한 신호가 자외선 자기장이 없이도 관측될 정도로 강력한 스핀-전하 변환 효율을 보이며,
• 결과적으로 이 이중구조의 스핀 텍스처가 게이트 전압으로 조절 가능하며, 스핀에 의존하는 전도의 동적 제어가 가능함을 확인한다.