[논문 리뷰] Gate-tunable anomalous Hall effect in stacked van der Waals ferromagnetic insulator - topological insulator heterostructures

Andres E. Llacsahuanga Allcca, Xingchen Pan외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 27.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 36인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 갈라진 Cr2Ge2Te6 (강자성 절연체)와 BiSbTeSe2 (상위 절연체)로 구성된 반데르발스 헤테로구조에서 건식 전달을 통해 실현된 게이트 조절이 가능한 비정상 홀 효과(AHE)를 보여준다. AHE는 명확한 히스테리시스를 보이며 전기장 게이팅에 의해 조절되며, 에피택시얼 성장 제약 없이 완전한 반데르발스 헤테로구조에서 자성 인지 효과를 확인함으로써, 운반자 농도와 AHE 진폭을 제어할 수 있다.

ABSTRACT

The search of novel topological phases, such as the quantum anomalous Hall insulator (QAHI) or the axion insulator, has motivated different schemes to introduce magnetism into topological insulators. One scheme is to introduce ferromagnetic dopants in topological insulators. However, it is generally challenging and requires carefully engineered growth/heterostructures or relatively low temperatures to observe the QAHI due to issues such as the added disorder with ferromagnetic dopants. Another promising scheme is using the magnetic proximity effect with a magnetic insulator to magnetize the topological insulator. Most of these heterostructures are synthesized so far by growth techniques such as molecular beam epitaxy and metallic organic chemical vapor deposition. These are not readily applicable to allow mixing and matching many of the available ferromagnetic and topological insulators due to difference in growth conditions and lattice mismatch. Here, we demonstrate that the magnetic proximity effect can still be obtained in stacked heterostructures assembled via the dry transfer of exfoliated micrometer-sized thin flakes of van der Waals topological insulator and magnetic insulator materials (BiSbTeSe2/Cr2Ge2Te6), as evidenced in the observation of an anomalous Hall effect (AHE). Furthermore, devices made from these heterostructures can allow modulation of the AHE when controlling the carrier density via electrostatic gating. These results show that simple mechanical transfer of magnetic van der Waals materials provides another possible avenue to magnetize topological insulators by magnetic proximity effect, a key step towards further realization of novel topological phases such as QAHI and axion insulators.

연구 동기 및 목표

• 에피택시얼 성장의 제약 없이, 격자 불일치 및 상호확산 문제를 해결하고 상위 절연체에서 자성 인지 효과를 실현하기 위해.
• 갈라낸 반데르발스 물질이 강력한 자성 및 전송 특성을 지닌 기능성 헤테로구조를 형성할 수 있음을 입증하기 위해.
• 2차원 강자성 절연체와 부직 절연체 상위 절연체로 구성된 헤테로구조에서 게이트 조절이 가능한 비정상 홀 효과를 달성하기 위해.
• 상위 절연체 표면 상태의 운반자 농도를 전기장으로 조절할 수 있으며, 이를 통해 AHE 진폭을 제어할 수 있음을 보여주기 위해.
• 양자 비정상 홀 절연체 및 아크시온 절연체 상태를 탐색하기 위한 확장 가능한, 성장 기반이 아닌 플랫폼을 제공하기 위해.

제안 방법

• Cr2Ge2Te6(CGT)와 BiSbTeSe2(BSTS)의 마이크로미터 크기의 갈라진 플레이크를 건식 기계적 전달 방식으로 조립하여 깔끔하고 결함이 없는 인터페이스를 확보한 헤테로구조를 제작하였다.
• 2K에서 배경 게이트를 이용한 4단자 전기적 측정을 통해 종방향 저항(Rxx)과 홀 저항(Rxy)을 측정하였다.
• 수직 방향 자기장 적용을 통해 홀 응답을 측정하고, Rxy의 히스테리시스 루프를 통해 비정상 홀 효과(AHE)를 추출하였다.
• 약한 반국소화에 관련된 스핀-오비트 결합 파rameter(α, lϕ)를 추출하기 위해 Hikami-Larkin-Nagaoka(HLN) 방정식을 이용해 자기저항 데이터를 피팅하였다.
• CGT 플레이크에서 자성 히스테리시스와 AHE 행동 간의 상관관계를 확인하기 위해 자성 광학적 케르 효과(MOKE) 측정을 수행하였다.
• 다항식 배경 보정을 통해 AHE 히스테리시스 진폭(ΔRxy)을 분리하고, 게이트 전압과 온도에 따른 의존성을 연구하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 건식 전달을 통해 반데르발스 강자성 절연체를 이용해 상위 절연체에 자성 인지 효과를 효과적으로 유도할 수 있는가?
• RQ2 이러한 헤테로구조에서 비정상 홀 효과가 게이트 조절 가능성을 보이며, 운반자 농도 조절이 그 진폭을 제어할 수 있는가?
• RQ3 관측된 AHE가 다른 비선형 홀 효과와 구별되며, 강자성 질서를 나타내는 명확한 히스테리시스를 보이는가?
• RQ4 CGT 플레이크의 자성 히스테리시스가 헤테로구조에서 AHE 특성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 AHE 진폭을 종방향 저항과 표면 상태의 운반자 농도와 정량적으로 연관시킬 수 있는가?

주요 결과

• CGT/BSTS 헤테로구조에서 ~3.5 Ω의 진폭과 약 ~0.035 T의 비틀림장을 가지는 명확한, 게이트 조절 가능한 비정상 홀 효과(AHE)가 관측되었다.
• AHE 진폭(ΔRxy)은 배경 게이트 전압에 따라 변화하며, VBG = -20 V일 때 약 ~1.5 Ω에서 VBG = +20 V일 때 약 ~4.5 Ω로 증가하였으며, 종방향 저항 최소값의 변화 경향과 동일한 경향을 보였다.
• 온도가 상승함에 따라 AHE 히스테리시스 진폭이 감소하여 약 ~10 K 이상에서 사라지며, 이는 열적 억제에 의한 자성 인지 효과의 감소를 시사한다.
• ΔRxy ~ Rxx^2.8±0.3의 거듭제곱 법칙 의존성이 관측되어, AHE와 표면 상태에서의 운반자 운반 간의 강한 상관관계를 시사한다.
• MOKE 측정을 통해 두꺼운 CGT 플레이크(<10 nm)는 높은 잔류 자화와 비틀림장을 가지는 직사각형 히스테리시스 루프를 보이며, 이 특성이 AHE 응답으로 유전됨을 확인하였다.
• 장치에서는 Rxx에서 양극성 필드 효과 행동을 보였으며, VBG ≈ 15 V 근처에서 최소값을 보였으며, 디랙 점을 통과하고 스핀-오비트 결합이 강화됨을 일치시켰다.