[논문 리뷰] Strain Dependent Spin Hall Magnetoresistance in the Multiferroic Antiferromagnet BiFeO$_3$

Daniel Sando, Si Chen외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 24.

Multiferroics and related materialsMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 에pitaxial BiFeO3 박막에서 기계적 스트레인에 의해 유도된 구조적 상(R' 및 T' 상)이 서로 다른 스핀 홀 자화율 저항성(SMR) 반응을 나타냄을 보여준다. 두 상 모두 스트레인에 의해 유도된 canted 형상의 강자성 모멘트를 나타내는 양의 SMR를 보이지만, T' BFO는 실온에서 증가한 SMR를 보이며 냉각에 따라 감소하는 반면, R' BFO는 반대로 행동하여 약한 강자성의 특성을 반영한다. 이 차이는 서로 다른 자기장 유도 자기모멘트 기여 방식에서 기인한다: T' BFO에서는 외부 자기장이 직접 모멘트를 유도하는 반면, R' BFO에서는 Néel 벡터가 모멘트를 매개함으로써 스트레인 조절이 가능한 SMR를 실현할 수 있으며, 이는 스핀트로닉스 응용에 유리하다.

ABSTRACT

The spin Hall magnetoresistance (SMR) of epitaxial BiFeO$_3$ thin films is investigated. SMR consistent with ferromagnetic interfacial states for BiFeO$_3$ films fabricated on (001) SrTiO$_3$ (R' BFO) and LaAlO$_3$ (T' BFO) substrates is found, albeit with different temperature dependencies. For T' BFO, the SMR is enhanced at room temperature, and decays with reduced temperatures. By contrast, R' BFO shows a monotonic decrease in SMR response with increasing temperature, mirroring the trend of a weak ferromagnet. Density functional theory shows that this difference originates from the coupling of the applied magnetic field to oxygen octahedral rotation (R') and spin (T') degrees of freedom.

연구 동기 및 목표

• 에피택셜 스트레인과 BiFeO3 박막의 구조적 상(R' 대 T')이 스핀 홀 자화율 저항성(SMR)에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• R'- 및 T'-상 BiFeO3에서 관찰된 SMR의 온도 의존성의 대비되는 특성의 기원을 규명하기 위해.
• 반자성 BiFeO3에서 약한 강자성과 스핀-격자 결합의 역할이 스핀트로닉스 응용에 어떻게 기여하는지 탐색하기 위해.
• 다중철산 산화물에서 표면계의 자기이방성 및 자기장 유도 스핀 반응을 정밀하게 진단할 수 있는 SMR의 임무를 확립하기 위해.

제안 방법

• 에피택셜 BiFeO3 박막을 (001) SrTiO3 (R' BFO) 및 (001) LaAlO3 (T' BFO) 기질에 성장시켜 서로 다른 면내 압축 스트레인을 유도하였다.
• Pt 캡핑층을 갖춘 허브 기하구조를 사용하여 온도 및 자기장에 따른 스핀 홀 자화율 저항성(SMR)을 측정하였다.
• 도메인 재정렬, 스핀-플롭 전이 및 선형 자기모멘트 반응을 구분하기 위해 자기장 의존성 SMR 측정을 수행하였다.
• 밀도함수이론(DFT) 계산을 통해 자기장, 산소 올레하드론 회전(R') 및 스핀 자유도(T') 간의 결합을 분석하였다.
• 모세바우어 분광법을 사용하여 자기 상태를 확인하고 약한 강자성을 검증하였다.
• 이론적 모델링을 통해 관측된 SMR 거동이 T' BFO에서는 자기장 유도 자기모멘트에 기인하고, R' BFO에서는 L-벡터에 의해 매개된 모멘트에 기인함을 연결지었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BiFeO3 박막에서 에피택셜 스트레인이 스핀 홀 자화율 저항성(SMR)의 온도 의존성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 T'-상 BiFeO3는 실온에서 증가한 SMR를 보이며 R'-상은 저온에서 최대 SMR를 나타내는가?
• RQ3 BiFeO3의 T' 및 R' 구조적 상에서 관찰된 서로 다른 SMR 반응의 기원은 무엇인가?
• RQ4 Néel 벡터와 외부 자기장이 반자성 BiFeO3에서 관측된 SMR 신호를 어떻게 생성하는가?
• RQ5 SMR는 다중철산 산화물에서 표면계의 자기이방성 및 자기장 유도 스핀 반응을 신뢰할 수 있는 진단 도구로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• T'-상 BiFeO3는 300 K에서 증가한 SMR를 보이며, 냉각에 따라 단조롭게 감소함으로써 자기장 유도 모멘트 반응을 나타낸다.
• R'-상 BiFeO3는 5 K에서 최대 SMR를 보이며 온도 상승에 따라 감소함으로써 약한 강자성의 행동을 반영한다.
• 두 상 모두 자기장 의존성 SMR 측정 결과에서 ∆ρxy vs. H 그래프가 선형임을 확인하여, 신호 기원으로서 도메인 재정렬 또는 스핀-플롭 전이의 가능성을 배제한다.
• DFT 계산을 통해 SMR의 차이가 자기장과 산소 올레하드론 회전(R') 간의 상호작용 및 자기장과 스핀 자유도(T') 간의 상호작용에 기인함을 확인하였다.
• T' BFO에서의 SMR 반응은 주로 자기장 유도 자기모멘트에 의해 지배되며, R' BFO에서는 Néel 벡터(L)에 의해 모멘트가 매개됨으로써 온도 의존성의 대비되는 특성을 설명할 수 있다.
• 결과적으로 스트레인 공학을 통해 다중철산 반자성체에서 SMR 크기와 그 온도 의존성을 조절할 수 있으며, 이는 스핀트로닉스 응용에 유리하다.