[논문 리뷰] Boosting proximity spin orbit coupling in graphene/WSe$_2$ heterostructures via hydrostatic pressure

Bálint Fülöp, Albin Márffy외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 24.

Graphene research and applications참고 문헌 66인용 수 66

한 줄 요약

이 연구는 수소압이 그래핀/WSe₂ 반데르발스 헤테로구조에서 상호작용 유도 스핀오비트 결합(SOC)을 증가시킨다는 것을 보여준다. 이는 계면 간격을 감소시켜 궤도 오버랩을 증가시키기 때문이다. 자화도 측정에서 약한 국소화에서 약한 반국소화로의 명확한 전이가 관측되었으며, 이는 1.8 GPa 압력에서 SOC 강도가 약 3배 증가했음을 확인한다. 이는 2차원 물질에서 스핀오비트 공학을 조절 가능한 것으로 이어진다.

ABSTRACT

Van der Waals heterostructures composed of multiple few layer crystals allow the engineering of novel materials with predefined properties. As an example, coupling graphene weakly to materials with large spin orbit coupling (SOC) allows to engineer a sizeable SOC in graphene via proximity effects. The strength of the proximity effect depends on the overlap of the atomic orbitals, therefore, changing the interlayer distance via hydrostatic pressure can be utilized to enhance the interlayer coupling between the layers. In this work, we report measurements on a graphene/WSe$_2$ heterostructure exposed to increasing hydrostatic pressure. A clear transition from weak localization to weak anti-localization is visible as the pressure increases, demonstrating the increase of induced SOC in graphene.

연구 동기 및 목표

• 수소압을 이용한 그래핀에서의 상호작용 유도 스핀오비트 결합(SOC) 조절을 실험적으로 입증하는 것.
• 계면 간격 조절이 그래핀/WSe₂ 반데르발스 헤테로구조에서 SOC 강도에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 수소압을 2차원 물질에서 스핀오비트 결합을 공학하고 토폴로지 상태를 가능하게 하는 실용적인 스위치로 설정하는 것.
• 약한 국소화 측정을 통해 압력 유도 궤도 혼성화에 의한 SOC 증가 이론 예측을 검증하는 것.

제안 방법

• 전체 배게 게이트를 가진 Si/SiO₂ 기판 위에 건식 스택을 이용해 그래핀/WSe₂/h-BN 헤테로구조를 제작하였다.
• 코니솔을 채운 피스톤 실린더 셀을 사용하여 수소압(최대 1.8 GPa)을 적용하였으며, 저온(1.5 K) 측정을 유지하였다.
• 다양한 배게 게이트 전압과 압력에서 이중단 전도도 및 저자장 자화도 측정을 수행하였다.
• 대칭화 및 필드 제거된 전도도 맵을 사용하여 약한 국소화(WL) 및 약한 반국소화(WAL) 신호를 추출하였다.
• 3파ram터 및 5파라미터 공식을 사용하여 자화도 곡선을 피팅하여 스핀오비트 산란 시간(τϕ, τasy, τiv)을 추출하였다.
• 압력에 따른 피팅 결과를 비교하여 SOC 강도 변화를 평가하였으며, WAL 피크 진폭을 SOC의 대체 척도로 집중적으로 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수소압은 그래핀/WSe₂ 헤테로구조에서 상호작용 유도 스핀오비트 결합을 증가시킬 수 있는가?
• RQ2 수소압에 의한 계면 간격 감소는 그래핀에서 스핀오비트 결합 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 압력 하에서 관측된 약한 국소화에서 약한 반국소화로의 전이가 증가한 SOC와 관련이 있는가?
• RQ4 스핀오비트 산란 시간(τϕ)은 얼마나 정량적으로 추출되고, 압력 유도 변화와 어떻게 관련되는가?
• RQ5 이 시스템에서 밸리-제만 효과 유사 SOC는 측정 가능하며, 약한 국소화 행동에 영향을 미치는가?

주요 결과

• 압력이 0에서 1.8 GPa로 증가함에 따라 자화도 곡선에서 약한 국소화에서 약한 반국소화로의 명확한 전이가 관측되었다.
• 1.8 GPa 압력에서 WAL 피크 진폭이 약 3배 증가하여 상호작용 유도 스핀오비트 결합이 크게 향상되었음을 나타낸다.
• 추출된 스핀오비트 산란 시간 τϕ는 0 GPa에서 약 ~1.0 × 10⁻¹¹ s에서 1.8 GPa에서 약 ~3.3 × 10⁻¹² s로 감소하여 SOC 강도 증가와 일치한다.
• 면내 스핀오비트 산란 시간 τasy는 압력 증가와 함께 감소하는 경향을 보이며, 스핀오비트 결합 강화를 뒷받침한다.
• 3파라미터 및 5파라미터 공식을 모두 사용한 피팅 결과가 일관되며, 추출된 스핀오비트 시간의 신뢰성과 3파라미터 모델의 적용 가능성 확인하였다.
• 밸리-제만 효과(τsym)에 대한 측정 가능한 영향은 발견되지 않아, 관측된 WAL 행동이 라슈바 유형 SOC에 의해 지배됨을 시사한다.