[논문 리뷰] Reliability of spin-to-charge conversion measurements in graphene-based lateral spin valves

C. K. Safeer, Franz Herling외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 09.

Graphene research and applications참고 문헌 51인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 그래핀에서 관찰되는 S자형 비국소 전압(VNL) 대 자석장(B) 응답—일반적으로 역라슈바에델슈타인 효과(IREE)의 증거로 해석되는 것—이 진정된 스핀-전하 변환을 위한 것이 아니라, 그대로 있는 그래핀에서 페로자성 잔류자장에 의해 유도된 일반 헬 효과(OHE)에 기인할 수 있음을 보여준다. 유한요소 시뮬레이션과 실험적 검증을 통해 저자들은 Co 전극에서의 이론적 OHE가 이방성 헬 효과(AHE)를 압도하며, 표준 횡방향 스핀 밸브 구조에서 IREE 할당이 Hanle 프리세이션 측정과 결합되지 않는 한 정당하지 않음을 입증한다.

ABSTRACT

Understanding spin physics in graphene is crucial for developing future two-dimensional spintronic devices. Recent studies show that efficient spin-to-charge conversions via either the inverse spin Hall effect or the inverse Rashba-Edelstein effect can be achieved in graphene by proximity with an adjacent spin-orbit coupling material. Lateral spin valve devices, made up of a graphene Hall bar and ferromagnets, are best suited for such studies. Here, we report that signals mimicking the inverse Rashba-Edelstein effect can be measured in pristine graphene possessing negligible spin-orbit coupling, confirming that these signals are unrelated to spin-to-charge conversion. We identify either the anomalous Hall effect in the ferromagnet or the ordinary Hall effect in graphene induced by stray fields as the possible sources of this artefact. By quantitatively comparing these options with finite-element-method simulations, we conclude the latter better explains our results. Our study deepens the understanding of spin-to-charge conversion measurement schemes in graphene, which should be taken into account when designing future experiments.

연구 동기 및 목표

• 그래핀 기반 횡방향 스핀 밸브(LSV)에서 스핀-전하 변환(SCC) 측정의 신뢰성을 조사하는 것.
• 일반적으로 역라슈바에델슈타인 효과(IREE)로 기인된 것으로 여겨지는 S자형 VNL 대 B 곡선이 그래핀 내 스핀-오르빗 결합의 진정한 지표인지 확인하는 것.
• 순수한 그래핀과 Bi2O3 프록시미티제이션된 그래핀에서 IREE를 모방하는 페로자성 잔류자장과 헬 효과에 기인한 오염 신호를 특정하고 정량화하는 것.
• 오직 Hanle 프리세이션 측정만이 그래핀 기반 LSV에서 스핀-전하 변환의 명백한 증거를 제공한다는 것을 확립하는 것.

제안 방법

• TiOx/Co 페로자성 전극과 SiO2/Si 기판 위에 Bi2O3 프록시미티 층을 갖춘 이중층 그래핀 횡방향 스핀 밸브를 제작하였다.
• 50 K에서 평행(내부) 자기장(Bx)과 수직(외부) 자기장(Bz)을 변화시키며 비국소 전압(VNL) 측정을 수행하였다.
• COMSOL Multiphysics를 사용하여 일반 헬 효과(OHE)의 잔류자장 기여와 Co 전극 내 이방성 헬 효과(AHE)를 모델링하기 위해 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 인터페이스 저항(Ri), 이방성 헬 각도(θAHE), 핀홀 수, 그래핀 두께를 변화시켜 전기 잠재력 분포와 비국소 전압 응답을 시뮬레이션하였다.
• 모의된 VNL 응답을 실험 데이터와 비교하여 주요 오염 메커니즘을 분리하였다.
• 라만 분석과 광학 대비를 통해 이중층 그래핀의 확인과 여러 장치 간의 재현성 검증을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 기반 횡방향 스핀 밸브에서 관찰되는 S자형 VNL 대 B 곡선은 진정된 스핀-전하 변환을 위한 역라슈바에델슈타인 효과(IREE)로 기인할 수 있는가?
• RQ2 장치 구조 내에서 그래핀의 스핀-오르빗 결합과 무관하게 S자형 VNL-B 응답을 유도할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 페로자성 전극의 잔류자장에 의해 유도된 일반 헬 효과(OHE)는 LSV 측정에서 주요 오염 신호의 원천인가?
• RQ4 Co에서의 이방성 헬 효과(AHE)와 그래핀에서의 OHE는 관측된 비국소 전압 신호를 설명하기 위해 크기와 대칭성 측면에서 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ5 유한요소 시뮬레이션이 실험적 VNL 응답을 정량적으로 재현하고 AHE 및 OHE 기여를 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 스핀-오르빗 결합이 거의 없는 순수한 그래핀에서도 S자형 VNL 대 Bx 곡선이 관측되어 이들이 IREE를 의미하지는 않음을 입증하였다.
• 잔류자장에 의해 유도된 일반 헬 효과(OHE)가 주요 오염 메커니즘으로 밝혀졌으며, 이는 S자형 응답을 설명하는 데 기여한다. 반면 Co 전극의 이방성 헬 효과(AHE)는 주요 원인이 아니다.
• 유한요소 시뮬레이션은 수직 잔류자장에 의해 유도된 OHE가 실험적 S자형 곡선과 동일한 대칭성과 크기의 비국소 전압을 생성함을 확인하였다.
• 모의 조건에서 OHE 기여는 AHE보다 약 100배 더 크며, 이는 오염의 주요 원인임을 입증하였다.
• 시뮬레이션 결과 OHE 전압는 그래핀 두께에 비례하며 고 인터페이스 저항(Ri)에 의해 억제되지만, 현실적인 핀홀 농도 조건에서도 여전히 지배적임을 보였다.
• 이 연구는 오직 Hanle 프리세이션 측정만이 그래핀 기반 횡방향 스핀 밸브에서 스핀-전하 변환의 명백한 증거를 제공한다는 결론을 내렸다.