[논문 리뷰] Observation of the out-of-plane polarized spin current from CVD grown WTe2

Shuyuan Shi, Jie Li외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 08.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 중심이 없는 Td-구조를 가진 비 centrosymmetric인 WTe2 투명막에서 강한 스핀-오비탈 결합을 이용해 센티미터 스케일의 화학 기상 에피태크시(CVD) 성장된 WTe2 투명막에서 평면 외 방향 스핀 전류 생성을 입증한다. 스핀 토크 강자성 공명(ST-FMR)을 사용하여 5 nm 두께의 CVD 성장 WTe2에서 평면 내 및 평면 외 스핀 전도도를 각각 7.36 × 10³ (h/2e) (Ω·m)⁻¹ 및 1.76 × 10³ (h/2e) (Ω·m)⁻¹로 측정하였으며, 이는 실온에서 WTe2/NiFe 이종구조에서 전류에 의한 자화 스위칭을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Weyl semimetal Td-phase WTe2 possesses the spin-resolved band structure with strong spin-orbit coupling, holding promises as a useful spin source material. The noncentrosymmetric crystalline structure of Td-WTe2 endows the generation of the out-of-plane polarized spin, which is of great interest in magnetic memory applications. Previously, WTe2 was explored in spin devices based on mechanically exfoliated single crystal flakes with a size of micrometers. For practical spintronics applications, it is highly desirable to implement wafer-scale thin films. In this work, we utilize centimeter-scale chemical vapor deposition (CVD)-grown Td-WTe2 thin films and study the spin current generation by the spin torque ferromagnetic resonance technique. We find the in-plane and out-of-plane spin conductivities of 7.36 x 10^3 (h/2e) (ohm-m)^-1 and 1.76 x 10^3 (h/2e) (ohm-m)^-1, respectively, in CVD-growth 5 nm-WTe2. We further demonstrate the current-induced magnetization switching in WTe2/NiFe at room temperature in the domain wall motion regime, which may invigorate potential spintronic device innovations based on Weyl semimetals.

연구 동기 및 목표

• 웨이퍼 스케일의 CVD 성장 WTe2 투명막에서 스핀 전류 생성을 입증하여 확장 가능한 스핀트로닉스 응용을 위한 기반을 마련한다.
• 비 centrosymmetric 결정 구조와 강한 스핀-오비탈 결합으로 인해 발생하는 Td-상 WTe2에서의 평면 외 스핀 편극화를 측정한다.
• 실온에서 실용적인 스핀트로닉스 장치에 CVD 성장 WTe2를 스핀 소스 재료로 사용할 수 있는 가능성을 검증한다.
• 도메인 월 운동 영역에서 WTe2/NiFe 이종구조에서 전류에 의한 자화 스위칭을 탐색한다.

제안 방법

• 사파이어 기판 위에 센티미터 스케일의 5 nm 두께의 Td-상 WTe2 투명막을 화학 기상 에피택시(CVD)를 사용하여 성장시켰다.
• 스핀 전류 생성과 스핀 전도도 측정을 위해 스핀 토크 강자성 공명(ST-FMR)을 활용하였다.
• ST-FMR 신호의 각도 의존성 분 析를 통해 평면 외 및 평면 내 스핀 전도도를 추출하였다.
• 스핀 전류를 주입하여 WTe2/NiFe 이종구조에서 자화 스위칭을 유도하였으며, 스위칭 동역학을 도메인 월 운동 영역에서 분석하였다.
• Td-WTe2의 비 centrosymmetric 결정 구조를 활용하여 평면 외 방향으로 편극된 스핀 전류를 생성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CVD 성장 WTe2 투명막에서 평면 외 편극 스핀 전류를 생성할 수 있는가? 이는 확장 가능한 스핀트로닉스 응용을 가능하게 하는가?
• RQ2 CVD 성장 5 nm WTe2 투명막에서 평면 내 및 평면 외 스핀 전도도는 각각 얼마인가?
• RQ3 WTe2에서 유도된 스핀 전류를 사용하여 실온에서 WTe2/NiFe 이종구조에서 전류에 의한 자화 스위칭을 달성할 수 있는가?
• RQ4 스핀 전송 효율 측면에서 CVD 성장 WTe2와 기계적 분리된 플레이크 간의 스핀 편극은 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• CVD 성장 5 nm WTe2의 평면 내 스핀 전도도는 7.36 × 10³ (h/2e) (Ω·m)⁻¹로 측정되었다.
• 동일한 투명막의 평면 외 스핀 전도도는 1.76 × 10³ (h/2e) (Ω·m)⁻¹로 측정되었다.
• ST-FMR 신호의 각도 의존성 분석을 통해 평면 외 스핀 전류가 확인되었으며, 이는 필름 평면에 수직인 스핀 편극을 나타낸다.
• 실온에서 WTe2/NiFe 이종구조에서 전류에 의한 자화 스위칭이 성공적으로 구현되었다.
• 결과는 CVD 성장 WTe2가 강한 평면 외 편극을 갖는 실용적인 스핀 전류 소스로 유망하며, 스핀트로닉스 장치에 적합하다는 것을 확인한다.
• 이 연구는 웨일 반도체 기반 스핀 소스를 웨이퍼 스케일의 실용적 스핀트로닉스 기술에 통합할 수 있는 길을 마련한다.