[논문 리뷰] Spin - Phonon Coupling in Nickel Oxide Determined from Ultraviolet Raman Spectroscopy

Ece Aytan, Bishwajit Debnath외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 17.

Transition Metal Oxide Nanomaterials참고 문헌 58인용 수 63

한 줄 요약

이 논문은 자외선 Raman 분광법이 NiO에서 스핀–포논 결합을 정량화할 수 있음을 보여주며, LO 포논과 TO 포논 사이에서 Ni 스핀 상호작용이 더 강하고 포논 에너지에 대한 영향은 반대 방향이며, 밀도 범함수 이론(DFT) 경향과 일치한다.

ABSTRACT

Nickel oxide (NiO) has been studied extensively for various applications ranging from electrochemistry to solar cells [1,2]. In recent years, NiO attracted much attention as an antiferromagnetic (AF) insulator material for spintronic devices [3-10]. Understanding the spin - phonon coupling in NiO is a key to its functionalization, and enabling AF spintronics' promise of ultra-high-speed and low-power dissipation [11,12]. However, despite its status as an exemplary AF insulator and a benchmark material for the study of correlated electron systems, little is known about the spin - phonon interaction, and the associated energy dissipation channel, in NiO. In addition, there is a long-standing controversy over the large discrepancies between the experimental and theoretical values for the electron, phonon, and magnon energies in NiO [13-23]. This gap in knowledge is explained by NiO optical selection rules, high Neel temperature and dominance of the magnon band in the visible Raman spectrum, which precludes a conventional approach for investigating such interaction. Here we show that by using ultraviolet (UV) Raman spectroscopy one can extract the spin - phonon coupling coefficients in NiO. We established that unlike in other materials, the spins of Ni atoms interact more strongly with the longitudinal optical (LO) phonons than with the transverse optical (TO) phonons, and produce opposite effects on the phonon energies. The peculiarities of the spin - phonon coupling are consistent with the trends given by density functional theory calculations. The obtained results shed light on the nature of the spin - phonon coupling in AF insulators and may help in developing innovative spintronic devices.

연구 동기 및 목표

• NiO의 스핀–포논 결합이 반강자성 절연체 및 스핀트로닉스에 대한 관련성으로 인해 연구의 필요성을 제기한다.
• NiO에서 스핀–포논 결합 계수를 정량화하기 위한 UV Raman 분광법 접근법을 개발한다.
• 어떤 포논 모드(LO 대 TO)가 Ni 스핀에 더 강하게 결합하는지와 그것이 포논 에너지를 어떻게 영향을 주는지 확인한다.
• 실험 결과를 밀도 범함수 이론(DFT) 경향과 비교하여 NiO의 에너지 소실 채널을 명확히 한다.

제안 방법

• NiO를 분석하고 스핀–포논 결합 계수를 추출하기 위해 자외선 Raman 분광법을 사용한다.
• Ni 스핀과 종방향 광학 LO 포논 및 수평광학 TO 포논 간의 상호작용을 분석한다.
• 스핀–포논 결합이 포논 에너지에 미치는 영향과 변화의 부호와 크기를 제공한다.
• 실험 결과를 밀도 범함수 이론(DFT) 예측과 비교하여 일관성을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UV Raman 분광법으로 NiO의 스핀–포논 결합 계수를 정량화할 수 있는가?
• RQ2 Ni 스핀이 LO 및 TO 포논에 다르게 결합하며 각 포논의 에너지 이동 부호는 무엇인가?
• RQ3 NiO에서 관찰된 스핀–포논 결합 경향이 밀도 범함수 이론 계산과 일치하는가?
• RQ4 스핀–포논 상호작용이 반강자성 NiO의 스핀트로닉 기능에 어떤 시사점을 주는가?

주요 결과

• NiO 스핀은 LO 포논과 TO 포논에 대해 더 강하게 상호작용한다.
• 스핀–포논 결합은 LO 및 TO 포논 에너지에 반대의 효과를 만든다.
• 관찰된 결합 경향은 밀도 범함수 이론 계산과 일치한다.