[논문 리뷰] Experimental study of extrinsic spin Hall effect in CuPt alloy

Rajagopalan Ramaswamy, Yi Wang외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 29.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 55인용 수 33

한 줄 요약

이 실험적 연구는 Pt 농도를 변화시켜 CuPt 합금에서의 외재적 스핀 홀 효과를 조사하며, 28% Pt 조성에서 순수한 Pt와 유사한 스핀 홀 각도를 달성함을 밝혀냈다. 스핀 토크 강자성 공진을 이용해 저자들은 Pt 농도가 증가할수록 스핀 홀 각도가 증가함을 보였으며, 저농도에서는 기울기 산산이, 고농도에서는 측면 점프 메커니즘이 지배함을 밝혀내어, CuPt가 Si 호환 스핀트로닉스 장치에 적합함을 시사한다.

ABSTRACT

We have experimentally studied the effects on the spin Hall angle due to systematic addition of Pt into the light metal Cu. We perform spin torque ferromagnetic resonance measurements on Py/CuPt bilayer and find that as the Pt concentration increases, the spin Hall angle of CuPt alloy increases. Moreover, only 28% Pt in CuPt alloy can give rise to a spin Hall angle close to that of Pt. We further extract the spin Hall resistivity of CuPt alloy for different Pt concentrations and find that the contribution of skew scattering is larger for lower Pt concentrations, while the side-jump contribution is larger for higher Pt concentrations. From technological perspective, since the CuPt alloy can sustain high processing temperatures and Cu is the most common metallization element in the Si platform, it would be easier to integrate the CuPt alloy based spintronic devices into existing Si fabrication technology.

연구 동기 및 목표

• CuPt 합금에서 Pt 농도에 따른 스핀 홀 각도의 의존성을 조사하는 것.
• CuPt에서 외재적 스핀 홀 효과에 기여하는 기울기 산산 및 측면 점프 메커니즘의 상대 기여도를 규명하는 것.
• CuPt 합금을 실리콘 기반 스핀트로닉스 장치에서 스핀 홀 재료로 사용할 수 있는지 타당성을 평가하는 것.
• 다양한 Pt 조성에서 CuPt의 스핀 홀 저항도를 측정하는 것.

제안 방법

• 스핀 홀 각도를 추출하기 위해 Py/CuPt 이중막 구조에서 스핀 토크 강자성 공진(ST-FMR) 측정을 수행하였다.
• CuPt에서의 Pt 농도를 체계적으로 변화시켜 스핀 홀 성질에 미치는 영향을 연구하였다.
• ST-FMR 데이터에서 스핀 홀 저항도를 추출하여 기울기 산산 및 측면 점프 메커니즘의 기여를 분석하였다.
• 기울기 산산 및 측면 점프의 기여도를 Pt 농도에 대한 의존성 비교를 통해 분석하였다.
• 외재적 스핀 홀 메커니즘을 고려한 모델에 실험 데이터를 피팅하여 각 기여도를 정량화하였다.
• 높은 열 안정성과 일반적인 메탈라이제이션 용도를 바탕으로, CuPt가 표준 실리콘 제조 공정과의 호환성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CuPt 합금의 스핀 홀 각도는 증가하는 Pt 농도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 다른 Pt 농도에서 CuPt에서 외재적 스핀 홀 효과에 기여하는 기울기 산산 메커니즘과 측면 점프 메커니즘의 상대 기여도는 어떻게 되는가?
• RQ3 낮은 Pt 함량을 가진 CuPt 합금이 순수한 Pt와 유사한 스핀 홀 각도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 CuPt의 스핀 홀 저항도는 Pt 농도에 얼마나 의존하는가?
• RQ5 CuPt는 기존 실리콘 기반 반도체 제조 공정에 실제로 스핀트로닉스 응용을 위해 통합될 수 있는가?

주요 결과

• CuPt 합금에서 28% Pt 농도는 순수한 백금과 유사한 스핀 홀 각도를 나타내어 낮은 Pt 함량에서도 높은 스핀 홀 효율성을 보임을 시사한다.
• CuPt 합금에서 스핀 홀 각도는 Pt 농도가 증가함에 따라 단조롭게 증가한다.
• 저농도의 Pt 농도에서는 기울기 산산 메커니즘이 외재적 스핀 홀 효과를 지배한다.
• 고농도의 Pt 농도에서는 측면 점프 기여가 외재적 스위치 홀 효과의 주요 기여 메커니즘이 된다.
• CuPt의 스핀 홀 저항도는 Pt 농도가 증가함에 따라 감소하여 스핀 홀 성능 향상을 나타낸다.
• CuPt 합금은 높은 열 안정성과 실리콘 기반 메탈라이제이션 공정과의 호환성을 보이며, 기존 반도체 제조 기술에의 통합 가능성을 뒷받침한다.