[논문 리뷰] Electrical spin injection into graphene from a topological insulator in a van der Waals heterostructure

Jifa Tian, Ting‐Fung Chung외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 09.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 31인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 산란이 없는 표면 상태에서 스핀-운동량 결합을 이용해 비스무트 기반의 토폴로지적 절연체(Bi2Te2Se)에서 그래핀으로의 전기적 스핀 주입을 바이오바이오 밀착 구조를 통해 실현한다. 두 물질에서 모두 단계적인 전압 신호가 관측되어 전류에 의해 유도된 나선형 스핀 분극이 확인되었으며, 전류 방향을 뒤바꾸면 신호 극성이 반전되고, 외부 전류에 비례하여 선형적으로 증가함을 통해 자기 재료를 사용하지 않은 전기적 제어 스핀 주입이 입증되었다.

ABSTRACT

All-electrical (magnetic-material-free) spin injection is one of the outstanding goals in spintronics. Topological insulators (TIs) have been recognized as a promising electrically controlled spin source thanks to the strong spin-orbit coupling and in particular, the spin-momentum locked topological surface states (TSS) supporting helically spin polarized currents. Many TI materials such as Bi-based chalcogenides are also layered 2D materials and can be incorporated into van der Waals (vdW) coupled heterostructures, opening the possibility of the utilization of TIs for electrical spin injection into other 2D materials. Here, we demonstrate electrical injection of helically spin-polarized current into graphene through a 3D TI in a mechanically stacked heterostructure between Bi2Te2Se (a TI) and chemical vapor deposition (CVD)-grown graphene, using the spin potentiometric measurement. When a dc current is flowing from the TI to graphene, we detect a striking step-like voltage change (spin signal) in both the TI and graphene using ferromagnetic (FM) probes. The sign of the spin signal can be reversed by reversing the direction of the dc bias current, and the corresponding amplitude of the spin signal increases linearly with the bias current, indicative of a current-induced helical spin polarization in both TI and graphene. In contrast, the graphene itself exhibits usual nonlocal spin valve signal when the spins are injected using an FM electrode. We discuss possible origins of the helical spin polarization injected into the graphene in our TI/graphene heterostructure that may include TSS as well as the spin-orbit coupled Rashba states. Our findings show electrical injection of a spin helical current into graphene through a TI and demonstrate TIs as potential spin sources for future spintronic devices wherein spin manipulation is achieved electrically.

연구 동기 및 목표

• 자기성 전극을 사용하지 않고 그래핀으로의 전기적 스핀 주입을 달성하기 위해.
• 스핀-운동량 결합된 표면 상태 덕분에 토폴로지적 절연체가 스핀 소스로 활용될 잠재력을 탐색하기 위해.
• Bi2Te2Se와 CVD법으로 증착한 그래핀의 바이오바이오 밀착 구조를 통해 스핀 주입을 실현하기 위해.
• 스핀 페타enti오메트리 측정을 통해 토폴로지적 절연체와 그래핀에서 나선형 스핀 분극 전류 존재 여부를 검증하기 위해.
• 이종 구조에서 스핀 분극의 기원을 분석하여, 토폴로지적 표면 상태와 라슈바 상태의 기여를 조사하기 위해.

제안 방법

• 기계적 분리법으로 제작한 Bi2Te2Se(3D 토폴로지적 절연체)와 CVD법으로 증착한 그래핀의 바이오바이오 밀착 구조를 조립하였다.
• 토폴로지적 절연체에서 그래핀으로 직류 전류를 인가하여 스핀 주입을 유도하였다.
• 자석성 탐측기로 스핀 페타enti오메트리 측정을 수행하여 Bi2Te2Se와 그래핀에서의 스핀 신호를 검출하였다.
• 스핀 신호의 크기와 극성 평가를 위해 인가된 외부 전류에 따라 전압 변화를 측정하였다.
• 직류 전류 방향을 뒤바꾸어 스핀 신호의 가역성을 시험하였다.
• 그래핀에서 자석성 전극을 사용한 전통적인 비국소 스핀 밸브 측정 결과와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 바이오바이오 밀착 구조에서 토폴로지적 절연체는 그래핀으로의 전기적 주도 스핀 소스로 기능할 수 있는가?
• RQ2 직류 전류로 구동되는 토폴로지적 절연체에서 그래핀으로 나선형 스핀 분극 전류가 주입되는가?
• RQ3 이종 구조에서 스핀 신호가 전류에 따라 크기 변화와 극성 반전을 보이며 전기적 제어 스핀 주입을 확인할 수 있는가?
• RQ4 그래핀 층의 스핀 분극에 가장 큰 기여를 하는 기여 요소는 무엇인가—토폴로지적 표면 상태인가, 아니면 라슈바 타입의 상태인가?
• RQ5 2차원 이종 구조에서 자석 재료 없이도 전기적 스핀 주입을 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 직류 전류 인가 시 토폴로지적 절연체와 그래핀 층 양쪽에서 스핀 신호를 나타내는 단계적인 전압 변화가 관측되었다.
• 직류 전류 방향을 뒤바꾸었을 때 스핀 신호의 부호가 반전되어 전기적 제어 스핀 분극이 확인되었다.
• 스핀 신호의 크기가 인가된 전류에 비례하여 선형적으로 증가하여 전류에 의한 나선형 스핀 분극이 입증되었다.
• 자석성 전극으로 측정했을 때 그래핀 층은 전통적인 비국소 스핀 밸브 신호를 나타내어 기초적인 스핀 운반 특성을 확인하였다.
• 관측된 스핀 주입은 토폴로지적 표면 상태의 스핀-운동량 결합과, 이종 구조 내에서의 라슈바 타입 스핀 오비탈 결합 상태의 기여로 기인한 것으로 추정된다.
• 결과적으로 이 연구는 향후 스핀트로닉스 장치에서 자기 재료 없이 전기적으로 구동되는 스핀 소스로써 토폴로지적 절연체가 실현 가능하다는 것을 입증하였다.