[논문 리뷰] Electrical Measurement of the Direct Spin Hall Effect in Fe/In_xGa_{1-x}As Heterostructures

E.S. Garlid, Qi Hu외 3명|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 07.

Magnetic properties of thin films인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 강한 스핀-오비트 결합을 가진 III-V 반도체 이중층에서, 페로자성 접촉을 통한 스핀 수평 전압 측정을 이용해 처음으로 전체 전기적 방법으로 직접 스핀 홀 효과를 검출하였다. 실험 결과, 편향산산과 측면도약 기여가 모두 관찰되었으며, 측면도약 항은 이온화된 불순물 산산에 기반한 이론적 예측보다 약 2.5배 더 크며, 150 K 이하에서는 스핀 누적의 강건성 덕분에 온도 의존성이 약한 편이었다. 이는 고온에서 스핀 수명이 감소하나도 유지됨을 시사한다.

ABSTRACT

We report on an all-electrical measurement of the spin Hall effect in epitaxial Fe/In_{x}Ga_{1-x}As heterostructures with n-type channel doping (Si) and highly doped Schottky tunnel barriers. A transverse spin current generated by an ordinary charge current flowing in the In_{x}Ga_{1-x}As is detected by measuring the spin accumulation at the edges of the channel. The spin accumulation is identified through the observation of a Hanle effect in the Hall voltage measured by pairs of ferromagnetic contacts. We investigate the bias and temperature dependence of the resulting Hanle signal and determine the skew and side-jump contributions to the total spin Hall conductivity.

연구 동기 및 목표

• 강한 스핀-오비트 결합을 가진 III-V 반도체 이중층에서 직접 스핀 홀 효과의 전기적 검출을 입증하는 것.
• 편향산산 및 측면도약 메커니즘의 총 스핀 홀 전도도에 대한 기여를 정량화하는 것.
• 외압 및 온도 의존성에 따른 에피택셜 Fe/InxGa1-xAs 이중층에서의 스핀 홀 신호를 조사하는 것.
• 짧은 스핀 확산 길이를 가진 물질에서 스핀에 의존하는 현상을 탐색하는 데 스핀 홀 효과를 활용할 수 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• Si 도핑 농도를 3–5×10^16 cm⁻³로 조절하여 운반자 농도와 전도도를 조절한 분자비화학적 에피택셜 방법을 사용해 에피택셜 Fe/InxGa1-xAs 이중층을 성장시켰다.
• 표준 리터그래피 및 에칭 기법을 사용해 [110] 방향으로 30 μm 너비의 채널을 가진 수평형 장치를 제작하였다.
• 채널 가장자리에서 2, 6, 10 μm 떨어진 곳에 4 μm 너비의 페로자성 Fe 접촉을 패tern하여 스핀에 의존하는 홀 전압을 통해 횡방향 스핀 누적을 검출하였다.
• 페로자성 Fe 접촉의 자화를 반전시키기 위해 반대 방향의 자기장을 가하여 한들 효과를 측정함으로써 스핀 수명과 스핀 누적도 추출하였다.
• 한들 신호에서 스핀 홀 전도도를 추출하고, σ_SH = γσ_xx + σ_SJ 식에 맞추어 피팅하였으며, 여기서 γ는 편향산산 기여, σ_SJ는 측면도약 기여를 나타낸다.
• 30–150 K 범위에서의 온도 의존성 측정을 수행하여 전자 이동도와 스핀 비탄성에 의한 영향을 스핀 홀 신호에 미치는 영향를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 InxGa1-xAs에서 인 농도가 변화함에 따라 편향산산 및 측면도약 메커니즘이 총 스핀 홀 전도도에 기여하는 상대적 기여는 어떻게 되는가?
• RQ2 Fe/InxGa1-xAs 이중층에서 스핀 홀 전도도는 운반자 농도와 채널 전도도에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 이러한 이중층에서 스핀 홀 효과의 온도 의존성은 무엇이며, 스핀 수명과 전자 이동도와 어떻게 관련되는가?
• RQ4 이온화된 불순물 산산에 기반한 이론적 예측과 비교할 때, 실험적 스핀 홀 전도도 및 그 구성 성분의 측정치는 어느 정도의 이격을 보이는가?

주요 결과

• 스핀 홀 전도도(σ_SH)는 인 농도가 증가함에 따라 증가하지만, 이는 동반되는 운반자 농도와 이동도의 변화도 고려할 경우 스핀-오비트 결합의 강화 때문이라고 명확히 기인할 수 없다.
• σ_SH와 σ_xx 사이에 선형적 의존성이 관찰되어 편향산산(γσ_xx) 및 측면도약(σ_SJ) 기여가 모두 존재함을 확인하였으며, 음의 절편은 σ_SJ의 부호가 올바름을 시사한다.
• σ_SJ/γ 비율은 이온화 불순물 산산에 기반한 이론적 예측보다 약 2.5배 더 크며, 모든 샘플에서 2.2에서 3.0×10³ Ω⁻¹m⁻¹의 범위를 보였다.
• 측면도약 기여가 이론적 예측보다 항상 더 크게 나타나, 다른 산산 메커니즘의 기여 또는 스핀 극화 캘리브레이션에 고려되지 않은 체계적 오차의 가능성을 시사한다.
• 전자 이동도의 증가로 인해 30 K에서 100 K 사이에서는 스핀 홀 전도도가 약간 증가하였지만, ~120 K 이상에서는 스핀 수명(τ_s)의 급격한 감소로 인해 급격히 감소하였다.
• τ_s의 온도 의존성에도 불구하고 스핀 홀 전도도는 측정 범위에서 상대적으로 안정되어 있었으며, 이는 포논 산산에 대한 민감도가 낮음을 시사한다.