[논문 리뷰] Electron-Spin-Resonance in a proximity-coupled MoS2/Graphene van-der-Waals heterostructure

Chithra H. Sharma, Pai Zhao외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 31.

Graphene research and applications참고 문헌 41인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 1.5 K에서 그래핀/모리브데나 디 sulfide (Gr/MoS2) 반데발스 이종구조에서 저항으로 검출된 전자 스핀 공명(EPR)을 보여주며, 1.91로 조절 가능한 게이트에 의한 g인자 값을 확인하였다. 이는 그래핀/SiO2에서 측정된 1.952보다 유의미하게 낮은 값이며, 이는 그래핀 내에 인접 효과에 의한 스핀-오비탈 결합(SOC)이 존재함을 시사한다. 이는 주파수 의존성 ESR 측정 결과와 일치하며, 상호작용에 의해 증가된 SOC에 대한 이론적 예측을 뒷받침한다.

ABSTRACT

Coupling graphene's excellent electron and spin transport properties with higher spin-orbit coupling material allows tackling the hurdle of spin manipulation in graphene, due to the proximity to van-der-Waals layers. Here we use magneto transport measurements to study the electron spin resonance on a combined system of graphene and MoS2 at 1.5K. The electron spin resonance measurements are performed in the frequency range of 18-33GHz, which allows us to determine the g-factor in the system. We measure average g-factor of 1.91 for our hybrid system which is a considerable shift compared to what is observed in graphene on SiO2. This is a clear indication of proximity induced SOC in graphene in accordance with theoretical predictions.

연구 동기 및 목표

• 반데발스 이종구조에서 MoS2와의 인접 효과를 통해 그래핀 내 스핀-오비탈 결합(SOC)을 조사한다.
• 저온(1.5 K)에서 저항으로 검출된 전자 스핀 공명(ESR)을 이용해 그래핀 내 전자의 g인자를 측정한다.
• 게이트 전압에 따른 g인자의 변화를 통해 캐리어 농도와 상호작용의 영향을 탐색한다.
• 표준 Gr/SiO2 장치와의 비교를 통해 인접 효과에 의한 SOC의 직접적인 실험적 증거를 확립한다.

제안 방법

• 1.5 K에서 Gr/MoS2 이종구조에 대해 사점 자기전도 측정을 수행하여 ESR 신호를 탐지한다.
• 18–33 GHz의 마이크로파 복사장을 허르츠안 공명코ils를 통해 적용하여, 마이크로파 주파수가 자성분열과 일치할 경우 스핀 전환을 유도한다.
• 마이크로파 복사 유무에 따른 저항 변화(ΔRxx)를 측정하여 ESR 공명을 탐지한다.
• 공명장의 주파수에 대한 선형 의존성에서 g인자를 추출하며, 관계식 hν = gμBB를 사용한다.
• 고로프- doping된 Si 기판을 사용한 백게이트 장치를 활용하여 캐리어 농도를 조절하고 g인자의 게이트 전압 의존성을 탐색한다.
• MoS2 인접 효과가 g인자에 미치는 영향을 분리하기 위해 기준 Gr/SiO2 장치와 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Gr/MoS2 반데발스 이종구조에서 그래핀의 g인자가 그 본질적 값에서 벗어나는가? 이는 인접 효과에 의한 스핀-오비탈 결합을 시사하는가?
• RQ2 MoS2 존재 하에서 그래핀의 g인자는 게이트 전압에 따라 어떻게 변화하는가? 이는 캐리어 매개 스핀-오비탈 결합에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 1.5 K에서 Gr/MoS2 이종구조에서 저항으로 검출된 전자 스핀 공명(ESR)을 성공적으로 측정할 수 있는가? 신호 대 잡음 성능은 어떠한가?
• RQ4 층 간 상호작용은 그래핀의 스핀 동역학과 스핀 수명에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 MoS2에 인접한 상태에서 그래핀의 스핀 회복 시간은 SiO2 위의 그래핀과 비교해 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• Gr/MoS2 이종구조에서 평균 g인자는 1.91이며, SiO2 위 그래핀에서 측정된 1.952 ± 0.002와는 유의미하게 다름을 보이며, 강화된 스핀-오비탈 결합을 시사한다.
• g인자는 게이트 전압에 따라 강하게 변화하며, 전하 중성점 부근에서 약 1.95에서 1.91로 감소함을 확인하여, 인접 효과에 의한 SOC와 일치한다.
• 스핀 수명 τs는 (71.5 ± 4) ps로 추정되며, 그래핀 및 Gr/TMDC 이종구조에서 보고된 값과 유사하여 스핀 혼돈이 유지됨을 시사한다.
• ESR 신호는 MoS2로 덮인 영역과 SiO2로 덮인 영역가 모두 포함된 측정에서만 탐지 가능하며, 이는 혼합 영역이 신호 대 잡음 비율을 향상시킴을 시사한다.
• 관측된 g인자 이격은 MoS2에 의한 전자 이동과 전기장에 의해 유도된 SOC 때문이며, 이는 첫 번째 원리 계산(예: 약 1 meV의 분리)에 의해 예측된 바와 같다.
• 더 작은 프로브 구성에서 검출 가능한 ESR 신호가 없는 것은, 신호가 스핀 전환 사건의 수와 충분한 캐리어 농도 및 면적에 민감함을 시사한다.