[논문 리뷰] Large and Robust Charge-to-Spin Conversion in Sputtered Weyl Semimetal WTex with Structural Disorder

Xiang Li, Peng Li외 11명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 13.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 구조적 불규칙성을 가진 스퍼터링된 와일 세미메탈 WTex 박막에서 큰 크기와 높은 안정성의 전하-스핀 변환을 입증하며, 결정질 WTe2에 비해 뛰어난 스핀 홀 전도도와 전하-스핀 변환 효율을 달성한다. 이 박막들은 실온에서 0.97 MA/cm²의 낮은 전류 밀도로 자기화가 없는 스위칭을 가능하게 하여 산업적 스핀트로닉스 장치의 잠재력을 드러낸다.

ABSTRACT

Topological insulators have recently shown great promise for ultralow-power spin-orbit torque (SOT) devices thanks to their large charge-to-spin conversion efficiency originating from the spin-momentum-locked surface states. Weyl semimetals, on the other hand, may be more desirable due to their spin-polarized surface as well as bulk states, robustness against magnetic and structural disorder, and higher electrical conductivity for integration in metallic magnetic tunnel junctions. Here, we report that sputtered WTex thin films exhibit local atomic and chemical structures of Weyl semimetal WTe2 and host massless Weyl fermions in the presence of structural disorder at low temperatures. Remarkably, we find superior spin Hall conductivity and charge-to-spin conversion efficiency in these sputtered WTex films compared with crystalline WTe2 flakes. Besides, the strength of unidirectional spin Hall magnetoresistance in annealed WTex/Mo/CoFeB heterostructure is up to 20 times larger than typical SOT/ferromagnet bilayers reported at room temperature. We further demonstrate room temperature field-free magnetization switching at a current density as low as 0.97 MA/cm2. These large charge-to-spin conversion properties that are robust in the presence of structural disorder and thermal annealing pave the way for industrial production of Weyl semimetals. Our results open up a new class of sputtered Weyl semimetals for memory and computing based on magnetic tunnel junctions as well as broader planar heterostructures containing SOT/ferromagnet interfaces.

연구 동기 및 목표

• 높은 스핀-오비트 변환 효율을 가진 와일 세미메탈 박막을 생산하기 위한 확장 가능하고 산업적으로 유용한 방법을 개발하는 것.
• 구조적 불규칙성과 열처리가 와일 세미메탈에서 전하-스핀 변환에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 스퍼터링된 WTex를 이용해 실온에서 효율적이고 자기장이 없는 자기화 스위칭을 달성하는 것.
• 불규칙한 와일 세미메탈 시스템에서 스핀 홀 전도도와 스핀-오비트 토크의 강건성을 입증하는 것.

제안 방법

• macroscopic한 구조적 불규칙성에도 불구하고 국소적 원자 및 화학적 질서를 유지하는 와일 세미메탈 상을 갖는 스퍼터링 WTex 박막 제조.
• WTex/Mo/CoFeB 이종구조에서 스핀 홀 자석저항도(SMR)를 측정하여 스핀 홀 전도도와 전하-스핀 변환 효율 측정.
• 와일 페르미온 상태를 유지하면서도 구조적 및 전자적 특성을 향상시키기 위해 열처리 적용.
• 실온에서 전류 펄스를 이용한 WTex 기반 자기터널접합에서 자기화가 없는 스위칭 실험 수행.
• 고품질의 결정질 WTe2 플레이크와의 비교를 통해 스퍼터링된 WTex 박막의 스핀 홀 전도도와 SMR 반응 측정.
• 이방향 스핀 홀 자석저항도를 사용하여 이종구조 내에서 스핀-오비트 토크 효율 정량화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스퍼터링된 WTex 박막은 구조적 불규칙성에도 불구하고 질량이 없는 와일 페르미온을 수용할 수 있는가?
• RQ2 스퍼터링된 WTex의 전하-스핀 변환 효율은 결정질 WTe2 플레이크와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 열처리가 불규칙한 와일 세미메탈 박막의 스핀 홀 전도도와 스핀-오비트 토크에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 실온에서 낮은 전류 밀도로 WTex 기반 이종구조에서 자기장이 없는 자기화 스위칭을 달성할 수 있는가?
• RQ5 스퍼터링된 와일 세미메탈의 스핀-오비트 특성은 구조적 및 자기적 불규칙성에 대해 얼마나 강건한가?

주요 결과

• 스퍼터링된 WTex 박막은 구조적 불규칙성에도 불구하고 와일 세미메탈 WTe2와 일치하는 국소적 원자 및 화학적 구조를 보이며, 질량이 없는 와일 페르미온을 수용한다.
• 스퍼터링된 WTex 박막의 스핀 홀 전도도와 전하-스핍 변환 효율은 결정질 WTe2 플레이크를 초월한다.
• 열처리된 WTex/Mo/CoFeB 이종구조에서의 이방향 스핀 홀 자석저항도는 일반적인 SOT/강자성체 이중막 대비 실온에서 최대 20배 높다.
• WTex 기반 자기터널접합에서 실온에서 전류 밀도 0.97 MA/cm²로 자기화가 없는 스위칭을 달성하였다.
• 스퍼터링된 와일 세미메탈의 전하-스핀 변환 특성은 구조적 불규칙성과 열처리에 대해 강건하여 확장 가능한 장치 통합이 가능하다.
• 스퍼터링된 와일 세미메탈 박막은 고성능 스핀트로닉스 장치의 산업적 생산을 위한 실현 가능한 플랫폼을 제공한다.