[논문 리뷰] Room temperature high charge to spin conversion in amorphous topological insulator

Protyush Sahu, Junyang Chen외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 08.

Topological Materials and Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 스퍼터링을 통해 제작한 비정질 비ism성 페라이트(Gd-합금화된 BixSe1-x) 필름을 통해 실온에서 고전하-스핀 변환을 입증한다. 8 nm 두께의 비정질 BSG 필름은 3.74의 스핀 홀 각도를 나타내며, 이는 전통적인 중금속보다 한 계급 높은 값으로, 이는 비정질 토폴로지컬 시스템에서 스핀트로닉스 응용 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Disordered topological insulator (TI) films have gained intense interest because of their possibility for spintronic applications by befitting from TI's exotic transport properties. Here, we have fabricated disordered Gd-alloyed BixSe1-x (BSG) TI films by sputtering methods and have investigated their magneto-transport and spin-torque properties. Structural characterizations show a mainly amorphous feature for the 8 nm thick BSG film, while Bi rich crystallites are developed inside the 16 nm thick BSG film. The bulk resistivity of BSG film is found to be relatively high, up to 6 x 10^4 this http URL, with respect to the resistivity of the polycrystalline BixSe1-x film. Temperature dependent resistivity measurements display the evident character of a variable range hopping transport from 80K to 300K. Second harmonic transport characterizations have been performed on the BSG (t)/ CFB (5 nm) bilayer structures with different thicknesses (t = 6, 8, 12, 16 nm). The effective spin Hall angle deduced form the damping-like torque shows a maximum value of 3.74 corresponding to 8 nm thick BSG at room temperature, which is one order of magnitude higher than that of heavy metals. The possible various origins of suck enhancement are discussed. Our study provides a new experimental direction, beyond crystalline solids, to search for topological systems in amorphous solids and other engineered random systems.

연구 동기 및 목표

• 비정질, 비정질 토폴로지컬 인산염 필름의 스핀트로닉스 잠재력을 탐색하기 위해.
• 다양한 두께를 가진 스퍼터링 공정으로 제작된 Gd-합금화된 BixSe1-x(비정질 BSG) 필름에서 자화-운반 및 스핀-터널링 성질을 조사하기 위해.
• 비정질 토폴로지컬 인산염이 실온에서 고전하-스핀 변환을 지원할 수 있는지 확인하기 위해.
• 비정질 시스템에서 관찰된 향상된 스핀 홀 효과의 기원을 결정하기 위해.

제안 방법

• 라디오파워 주입 자기 스퍼터링을 이용해 두께가 6, 8, 12, 16 nm인 BSG 필름을 제작하기 위해.
• X선 회절 및 전자현미경을 통한 구조적 특성 분석을 통해 비정질 성질을 확인하고 두꺼운 필름에서 Bi-rich 결정립이 존재하는지 탐지하기 위해.
• 변동 범위 히팅 운반 거동을 확인하기 위해 온도 의존 저항 측정을 수행하기 위해.
• BSG/CuFeB(5 nm) 이중막 구조에서 제2조화 전압 측정을 통해 효과적 스핀 홀 각도를 추출하기 위해.
• 감쇠-유사 토크 신호 분석을 통해 필름 두께 및 온도에 따른 스핀 홀 각도를 결정하기 위해.
• 기존 중금속의 스핀 홀 각도 값과 비교하여 향상 정도를 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정질 토폴로지컬 인산염 필름이 실온에서 강력한 전하-스핀 변환을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 필름 두께가 비정질 BSG 필름에서 스핀 홀 각도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비정질 BSG 필름에서 관찰된 향상된 스핀 홀 효과의 기원은 무엇인가?
• RQ4 구조적 불규칙성은 토폴로지컬 인산염의 스핀 운반 성질에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 비정질 토폴로지컬 인산염은 스핀트로닉스 장치에서 결정성 물질의 실질적인 대체재가 될 수 있는가?

주요 결과

• 8 nm 두께의 BSG 필름은 주로 비정질 구조를 나타내며, 16 nm 두께의 필름은 Bi-rich 결정립의 형성을 보였다.
• BSG 필름의 부피 저항도는 다결정 BixSe1-x 필름보다 현저히 높아 최대 6 × 10⁴ Ω·cm에 도달했다.
• 온도 의존 저항 측정 결과, 80 K에서 300 K 사이에서 변동 범위 히팅 운반 거동이 확인되었다.
• 실온에서 8 nm 두께의 BSG 필름에서 효과적 스핀 홀 각도가 최대 3.74에 도달했다.
• 이 스핀 홀 각도는 일반적으로 관찰되는 전통적 중금속의 값보다 약 한 계급 높았다.
• 스핀 홀 효과의 향상은 다수의 가능한 기원, 즉 불규칙성 유도 스핀 궤도 결합 및 비정질 시스템 내의 토폴로지컬 표면 상태에 기인한 것으로 추정된다.