[논문 리뷰] Intrinsic nature of the giant spin Hall conductivity of Pt

Lijun Zhu, Lujun Zhu외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 11.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 59인용 수 124

한 줄 요약

이 연구는 백금(Pt)에서의 거대한 스핀 홀 전도도(SHC)가 주로 밴드 구조의 비리 위상 기여로 인한 내재된 스핀 홀 효과에 기인하며, 외재적 메커니즘은 아님을 규명한다. 긴장성 결정 구조를 조절하기 위해 MgO 산란 중심을 Pt 필름에 도입함으로써, 저자들은 SHC와 격자 정렬도 사이에 직접적인 상관관계를 입증하였으며, 스핀 오비트 토크 효율을 100% 향상시켰고, Pt₀.₆(MgO)₀.₄는 낮은 저항도, 강한 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용 및 높은 스핀 홀 각을 지닌 저전력 스핀트로닉스 장치에 매우 유망한 재료로 규명되었다.

ABSTRACT

More than a decade after the first theoretical and experimental studies of the spin Hall conductivity (SHC) of Pt, both its dominant origin and amplitude remain in dispute. Resolving these questions is of fundamental importance for advancing understanding of very strong spin-orbit effects in conducting systems and for maximizing the spin Hall effect for energy-efficient spintronics applications. Here, we report the experimental determination of the rapid variation of the intrinsic SHC of Pt with the carrier lifetime ({ au}) in the dirty-metal regime by incorporating finely dispersed MgO inter-site impurities into the Pt while maintaining the essential elements of its band structure (face-centered-cubic order). This findings conclusively validate the theoretical prediction that the SHC in Pt in the dirty-metal regime should be dominated by the intrinsic Berry curvature contribution and should decrease rapidly with shortening { au}. This also establishes the limit to which the spin Hall ratio { heta}SH of pure Pt can be increased by shortening { au}. When the spin backflow at the Pt/ferromagnet interface due to the finite interfacial spin-mixing conductance is taken into account, the amplitude of the intrinsic SHC of Pt in the clean limit is found to be at least 1.6x10^6 (h_bar/2e) {\Omega}-1 m-1, more than 3.5 times greater than the available theoretical predictions. Our work also establishes a compelling spin Hall metal Pt0.6(MgO)0.4 that combines a giant { heta}SH (0.73) with a moderate resistivity (74 {\mu}{\Omega} cm), a strong Dzyaloshinskii-Moriya interaction, easy growth, and good integration compatibility for spintronics technology.

연구 동기 및 목표

• 백금(Pt)에서의 거대한 스핀 홀 전도도(SHC) 기원에 대한 오랫동안 끊어진 논쟁을 해결하기 위해, 이는 내재적 메커니즘과 외재적 메커니즘 사이에서 여전히 논란이 되고 있다.
• 실험적으로 Pt에서의 SHC 기여가 내재된 밴드 구조 효과(Berry 곡률)에서 기인하는지, 아니면 기울기 산산각이나 측면 이동과 같은 외재적 메커니즘에서 기인하는지 확인한다.
• 저항도가 낮고 실리콘 기반 통합에 적합하며 스핀 오비트 토크 효율이 향상된 새로운 스핀 홀 재료를 설계한다.
• 이론적 예측과 실험 측정 간의 불일치를 명확히 하며, 특히 첫 번째 원리 계산에서 내재된 SHC가 크게 과소평가되고 있음을 밝힌다.

제안 방법

• Si/SiO₂ 기판 위에 다양한 MgO 농도(x = 0에서 1까지)를 가진 공승착된 Pt₁₋ₓ(MgO)ₓ 필름을 제작하여 장거리 결정 구조 정렬도(LRCO)와 저항도(ρxx)를 체계적으로 조절하였다.
• 고해상도 횡단면 STEM, EDS 매핑 및 XPS를 사용하여 MgO가 Pt 내에서 군집화되거나 Pt 원자가 산화되지 않은 균일한 분포를 확인하였다.
• X선 회절(XRD)을 통해 MgO 농도 변화에 따라 격자 상수의 변화가 없음을 확인하여, MgO가 Pt 내에서 치환 도핑가 아니라 내재 도핑임을 입증하였다.
• 내재 평면 조화 반응 기법을 통해 스핀 오비트 토크 효율(ξDL)과 스핀 홀 전도도(σSH)를 측정하였으며, 이는 저항도 및 LRCO와 상관관계를 보였다.
• Pt₀.₇(MgO)₀.₃를 사용하여 Co 층의 결정성 자화 스위칭을 성공적으로 구현함으로써 강력한 SOT 효율과 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)을 확인하였다.
• 이론적 분석을 통해 실험적 SHC 값과 첫 번째 원리 및 타이트 버전 계산을 비교하였으며, 기존 모델에서 상당한 과소평가가 있음을 밝혔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pt에서의 거대한 스핀 홀 전도도의 주요 물리적 기원은 내재된 밴드 구조(내재적)인지, 아니면 산산각과 같은 산란 기반 메커니즘(외재적)인지?
• RQ2 Pt 필름의 장거리 결정 구조 정렬도(LRCO) 수준이 스핀 홀 전도도와 스핀 오비트 토크 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 현재의 이론 모델이 Pt의 내재된 스핀 홀 전도도를 얼마나 정확하게 예측하는가?
• RQ4 통제된 결함 공학을 통해 Pt 기반 재료의 스핀 홀 전도도와 스핀 오비트 토크 효율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 신규 Pt₀.₆(MgO)₀.₄ 합금의 주요 재료적 특성은 무엇이며, 이는 저전력 스핀트로닉스 장치에 적합한가?

주요 결과

• Pt에서의 거대한 스핀 홀 전도도는 주로 내재된 스핀 홀 효과에 기인하며, 이는 밴드 구조의 비리 곡률에 기인한다. 이는 SHC와 장거리 결정 구조 정렬도(LRCO) 사이의 직접적인 상관관계로 확인되었다.
• 측정된 내재 스핀 홀 전도도는 1×10⁶ (ℏ/2e) Ω⁻¹ m⁻¹를 초과하며, 이는 이론적 예측보다 크게 높다. 이는 현재의 첫 번째 원리 및 타이트 버전 모델이 Pt의 진정한 내재 SHC를 크게 과소평가하고 있음을 시사한다.
• MgO 도핑으로 저항도를 증가시킴으로써 스핀 오비트 토크 효율(ξDL)을 100% 향상시켰으며, Pt₀.₆(MgO)₀.₄는 ξDL = 0.30 및 ρxx = 74 μΩ cm를 기록하였다.
• Pt₀.₆(MgO)₀.₄ 합금은 강한 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)을 보이며, 1.15×10⁷ A/cm²의 임계 전류 밀도에서 수직 방향 Co 층의 결정성 스위칭을 가능하게 하였다.
• 이 재료는 실리콘 기판과 호환되며, 스퍼터링 기반 제조 공정에 적합하여 SOT-MRAM 및 스카이르미온 장치와 같은 스핀트로닉스 장치에의 통합에 매우 유리하다.
• ξDL가 ρxx에 따라 스케일링되며, 표면 구조에 대한 의존성이 없음을 고려할 때, 기울기 산산각, 측면 이동 또는 인터페이스 효과의 기여가 미미함을 입증하였다.