[논문 리뷰] All-Electrical Spin Field Effect Transistor in van der Waals Heterostructures at Room Temperature

André Dankert, Saroj P. Dash|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 20.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 29인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 실온에서 작동하는 벤더발스 이종구조에서 처음으로 전체 전기적 스핀 필드효과트랜지스터(spin-FET)를 구현하였으며, 그래핀/MoS₂ 이종구조를 통해 슈트키 장벽과 MoS₂의 전도도 조절을 통해 게이트 조절 가능한 스핀 균형과 수명을 달성하였다. 주요 결과는 실온 조건에서 그래핀에서 전기적으로 제어되는 스핀 전송 및 한틀 프리세션 신호를 관측한 것으로, 스핀트로닉스 장치에서 완전한 전기적 스핀 제어를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Spintronics aims to exploit the spin degree of freedom in solid state devices for data storage and information processing technologies. The fundamental spintronic device concepts such as creation, manipulation and detection of spin polarization has been demonstrated in semiconductors and spin transistor structures using both the electrical and optical methods. However, an unsolved challenge in the field is the realization of all electrical methods to control the spin polarization and spin transistor operation at ambient temperature. For this purpose, two-dimensional (2D) crystals offer a unique platform due to their remarkable and contrasting spintronic properties, such as weak spin-orbit coupling (SOC) in graphene and strong SOC in molybdenum disulfide (MoS$_2$). Here we combine graphene and MoS$_2$ in a van der Waals heterostructure to realize the electric control of the spin polarization and spin lifetime, and demonstrated a spin field-effect transistor (spin-FET) at room temperature in a non-local measurement geometry. We observe electrical gate control of the spin valve signal due to pure spin transport and Hanle spin precession signals in the graphene channel in proximity with MoS$_2$ at room temperature. We show that this unprecedented control over the spin polarization and lifetime stems from the gate-tuning of the Schottky barrier at the MoS$_2$/graphene interface and MoS$_2$ channel conductivity leading to spin interaction with high SOC material. The all-electrical creation, transport and control of the spin polarization in a spin-FET device at room temperature is a substantial step in the field of spintronics. It opens a new platform for the interplay of spin, charge and orbital degrees of freedom for testing a plethora of exotic physical phenomena, which can be key building blocks in future device architectures.

연구 동기 및 목표

• 실온 조건에서 스핀트로닉스 장치에서 스핀 균형과 스핀 수명의 전체 전기적 제어를 달성하기 위해.
• 기존 반도체 이종구조를 사용한 스핀-FET에서 오랫동안 해결되지 않은 실온 작동 과제를 극복하기 위해.
• 그래핀의 약한 스핀-오비탈 결합과 MoS₂의 강한 스핀-오비탈 결합이라는 2차원 재료의 대조적 스핀트로닉스 성질을 활용하여 향상된 스핀 제어를 위해.
• 순수 스핀 전송과 한틀 프리세션 측정을 이용한 비국소 기하구조에서 기능성 스핀-FET를 시연하기 위해.

제안 방법

• 기계적 분리 및 건식 이송을 통해 그래핀과 디티오모리브데니움(MoS₂)을 조합하여 벤더발스 이종구조를 제작하였다.
• 전기적 제어를 위한 상부 게이트 유전체 및 게이트 전극을 갖춘 비국소 스핀 밸브 기하구조에 이종구조를 통합하였다.
• 게이트 전압을 적용하여 MoS₂/그래핀 인터페이스의 슈트키 장벽을 조절하고 MoS₂ 채널 전도도를 조절하였다.
• 비국소 전압 검출 및 한틀 프리세션 신호를 통해 스핀 전송과 스핀 균형 및 수명을 측정하였다.
• 외부 자기장이 없이 전기적 게이팅을 통해 스핀 균형을 전기적으로 생성, 전송 및 검출하였다.
• 게이트 전압에 따른 스핀 밸브 및 한틀 프리세션 신호 분석을 통해 스핀 수명과 균형의 조절 가능성을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 벤더발스 이종구조를 사용하여 실온 조건에서 스핀-FET에서 스핀 균형과 스핀 수명의 전체 전기적 제어가 가능할 수 있는가?
• RQ2 MoS₂/그래핀 인터페이스의 슈트키 장벽이 전기적 게이팅 조건에서 스핀 전송과 스핀 수명에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 게이트 전압을 통해 MoS₂와 같은 강한 스핀-오비탈 결합 재료와의 상호작용을 통해 그래핀의 스핀 수명을 어느 정도 조절할 수 있는가?
• RQ4 실온 조건에서 MoS₂에 결합된 그래핀 채널에서 순수 스핀 전송과 한틀 프리세션을 관측할 수 있는가?
• RQ5 광학적 자극이나 외부 자기장 없이도 이종구조의 스핀 균형은 전기적 수단으로만 제어 가능한가?

주요 결과

• 저자들은 실온에서 그래핀 채널에서 게이트 조절 가능한 스핀 밸브 신호를 시연하여 전기적 제어를 통한 스핀 주입 및 전송의 가능성을 확인하였다.
• 비국소 기하구조에서 명확한 한틀 프리세션 신호가 관측되어 그래핀에서 마이크로미터 규모의 거리에서의 강인한 스핀 전송이 가능함을 시사한다.
• 스핀 수명은 게이트 전압에 의해 전기적으로 조절되었으며, 이는 슈트키 장벽 조절과 MoS₂ 전도도 조절에 기인한 것으로 분석되었다.
• 스핀 균형은 외부 자기장이나 광학적 자극 없이 전적으로 전기적 수단으로 제어되었으며, 이는 전기적 스핀 제어의 실현 가능성을 뒷받침한다.
• 관측된 스핀 전송 및 제어 능력은 그래핀의 긴 스핀 확산 길이와 MoS₂의 강한 스핀-오비탈 결합 간의 상호작용에 기인하며, 이는 인터페이스 공학에 의해 가능해졌다.
• 장치는 실온에서 안정적으로 작동하여 실용적 스핀트로닉스 응용을 향한 중요한 발걸음이다.