[논문 리뷰] Coherent Epitaxial Semiconductor-Ferromagnetic Insulator InAs/EuS Interfaces: Band Alignment and Magnetic Structure

Yu Liu, Alessandra Luchini외 17명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 19.

Electronic and Structural Properties of Oxides참고 문헌 61인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 InAs/EuS 이종구조에서 격자에 맞는, 공명적인 에pitaxial 성장을 입증하며, InAs 도핑 레벨이 InAs 도핑 레벨에 가까이 위치하고 있고 EuS 밴드 갭 내에 유지되어 반도체적 거동가 유지됨을 보여준다. 중성자 및 X선 반사도 측정 결과, 인터페이스에서 Eu 모멘트가 억제되었고, ab initio 예측에 따르면 작은 교환장이 존재할 것으로 예측되었음에도 불구하고 InAs에서 유의미한 유도 모멘트가 관측되지 않았다. 이는 외부 자장이 없는 고품질 스핀트로닉스 플랫폼을 발전시킨다.

ABSTRACT

Hybrid semiconductor-ferromagnetic insulator heterostructures are interesting due to their tunable electronic transport, self-sustained stray field and local proximitized magnetic exchange. In this work, we present lattice matched hybrid epitaxy of semiconductor - ferromagnetic insulator InAs/EuS heterostructures and analyze the atomic-scale structure as well as their electronic and magnetic characteristics. The Fermi level at the InAs/EuS interface is found to be close to the InAs conduction band and in the bandgap of EuS, thus preserving the semiconducting properties. Both neutron and X-ray reflectivity measurements show that the ferromagnetic component is mainly localized in the EuS thin film with a suppression of the Eu moment in the EuS layer nearest the InAs. Induced moments in the adjacent InAs layers were not detected although our ab initio calculations indicate a small exchange field in the InAs layer. This work presents a step towards realizing high quality semiconductor - ferromagnetic insulator hybrids, which is a critical requirement for development of various quantum and spintronic applications without external magnetic fields.

연구 동기 및 목표

• 스핀트로닉스 응용을 위한 고품질, 격자에 맞는 반도체-페로자성 절연체 이종구조를 개발하기 위해.
• InAs/EuS 이종인터페이스에서 원자 척도의 인터페이스 구조, 밴드 정렬 및 자성 특성을 이해하기 위해.
• 근접 효과를 통해 InAs 층에 존재하는 유도 자성의 존재 및 정도를 조사하기 위해.
• EuS 층 내에서 페로자성 모멘트의 공간 분포와 그 인터페이스 근처에서의 억제 정도를 규명하기 위해.
• 이론적 예측된 InAs 층 내 교환장의 실험적 측정을 통해 검증하기 위해.

제안 방법

• 격자에 맞는 기질 위에 공명적인 인터페이스를 갖는 InAs/EuS 이종구조의 에피택셜 성장을 통해 고품질의 에피택셜 이종구조를 구현하기 위해.
• EuS 층의 밀도 및 자기적 깊이 프로파일을 탐사하기 위해 X선 및 중성자 반사도 측정을 수행하기 위해.
• 인터페이스에서의 페르미 수준 위치 및 밴드 정렬을 결정하기 위해 각도 분해형 광전자분광법(ARPES)을 사용하기 위해.
• InAs 층 내의 교환장 및 전자 구조를 예측하기 위해 ab initio 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하기 위해.
• 반사도 데이터를 자가 일관성 모델을 사용하여 분석하여 층 두께, 거칠기 및 자기 모멘트 깊이 프로파일을 추출하기 위해.
• 실험 결과를 이론적 예측과 비교하여 근접 효과에 의해 유도된 자성의 강도 및 공간적 범위를 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공명적인 InAs/EuS 이종인터페이스에서의 밴드 정렬은 무엇이며, 전자 이동도 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 특히 InAs 인터페이스 근처에서 EuS의 페로자성 모멘트는 어떻게 분포되어 있는가?
• RQ3 페로자성 EuS에 인접한 InAs 층에서 유의미한 유도 자성이 관측되는가?
• RQ4 InAs/EuS 인터페이스에서 EuS 자기 모멘트는 어느 정도 억제되는가?
• RQ5 ab initio 계산은 관측된 InAs 층 내 교환장을 어느 정도 정확하게 예측하는가?

주요 결과

• InAs/EuS 인터페이스에서의 페르미 수준은 InAs 도핑 레벨에 매우 가까이 위치해 있으며, EuS의 밴드 갭 내에 유지되어 반도체적 거동이 유지된다.
• 중성자 및 X선 반사도 데이터는 페로자성 성분이 주로 EuS 층에 국소화되어 있으며, 인터페이스 근처의 EuS 층에서 Eu 자기 모멘트가 현저하게 억제됨을 보여준다.
• ab initio 계산에서는 작은 교환장이 존재할 것으로 예측되었음에도 불구하고, 인접한 InAs 층에서 유의미한 유도 자기 모멘트가 관측되지 않았다.
• 인터페이스는 공명적이며 격자에 맞춰져 있어, 양자 및 스핀트로닉스 장치에 필수적인 고품질의 에피택셜 이종구조를 가능하게 한다.
• 유의미한 유도 모멘트가 관측되지 않음으로써, 현재 실험 조건 하에서 InAs에서의 근접 효과가 약한 것으로 나타났다.
• 결과적으로, 반도체-페로자성 절연체 이종구조를 이용한 자기장이 없는 스핀트로닉스 장치 개발의 길을 제시한다.