[논문 리뷰] Unidirectional spin Hall magnetoresistance in topological insulator/ferromagnetic layer heterostructures

Yang Lv, James Kally외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 23.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 35인용 수 129

한 줄 요약

이 연구는 두께가 제어된 비틀림 절연체/자성체(TI/FM) 이중막에서 비틀림 절연체의 스핀-모멘텀 잠금 현상과 (Bi,Sb)2Te3 및 Bi2Se3를 활용하여 양방향 스핀홀 효과 자기저항(USMR)을 입증하였다. 이는 두 번째로 전류 밀도 및 총 저항에 대한 USMR의 도시도(figure-of-merit)가 최대 3.19 ppm/(MA·cm²)에 도달하여 기존에 보고된 Ta/Co 이중막의 최고 수준(1.14 ppm/(MA·cm²))을 초월하였으며, 독립적인 읽기 접합이 필요 없는 두 단자형 스핀오르빗 토크(SOT) 스위칭 장치를 실현하였다. 이는 별도의 읽기 접합 없이도 효율적이고 아키텍처 우수한 스핀트로닉스 장치를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The large spin orbit coupling in topological insulators results in helical spin-textured Dirac surface states that are attractive for topological spintronics. These states generate an efficient spin-orbit torque on proximal magnetic moments at room temperature. However, memory or logic spin devices based upon such switching require a non-optimal three terminal geometry, with two terminals for the writing current and one for reading the state of the device. An alternative two terminal device geometry is now possible by exploiting the recent discovery of a unidirectional spin Hall magnetoresistance in heavy metal/ferromagnet bilayers and (at low temperature) in magnetically doped topological insulator heterostructures. We report the observation of unidirectional spin Hall magnetoresistance in a technologically relevant device geometry that combines a topological insulator with a conventional ferromagnetic metal. Our devices show a figure-of-merit (magnetoresistance per current density per total resistance) that is comparable to the highest reported values in all-metal Ta/Co bilayers.

연구 동기 및 목표

• 20 K에서 150 K 사이의 온도 범위에서 비틀림 절연체/자성체(TI/FM) 이중막에서 비틀림 스핀홀 자기저항(USMR)을 입증하는 것.
• 자기터널접합(MTJ)을 별도로 필요로 하지 않고도 두 단자형 스핀오르빗 토크(SOT) 스위칭 장치를 실현하는 것.
• 기존의 모든 금속성 Ta/Co 이중막과 비교하여 TI/FM 시스템에서의 USMR 도시도를 평가하는 것.
• 측정치에서 외재적 기여(예: 비정상적 네르네 효과, 스핀 시벡 효과)와 내재적 USMR을 분리하고 정량화하는 것.
• Bi2Se3 및 (Bi,Sb)2Te3/CoFeB 이중막에서 USMR의 온도 의존성과 두께 의존성을 규명하는 것.

제안 방법

• 에피택셜 (Bi,Sb)2Te3 및 Bi2Se3 박막은 두께를 제어한 상태에서 InP (111) 기판 위에 분자선 에피택시(MBE)를 이용해 성장시켰다(6 및 10 퀘이니플레어 층).
• TI를 보호하고 이중막을 형성하기 위해 초고진공 환경에서 마그네트론 스퍼터링을 이용해 CoFeB(5 nm) 및 MgO(2 nm) 캡 피막을 증착하였다.
• 광리소그래피와 이온 밀링을 이용해 허브 장치(50 μm × 20 μm)를 제작한 후, 전기적 접촉을 위해 전자빔 증착 및 라이프오프 공정을 수행하였다.
• 각도 의존성 2차 조화 저항 측정(Rω 및 R2ω)은 10 Hz의 AC 전류(2–3 mA RMS)를 사용하여 Quantum Design PPMS에서 수행되었으며, xy, zx, zy 평면에서 외부 자기장이 회전하는 조건에서 실시하였다.
• 비정상적 네르네 효과(ANE) 및 스핀 시벡 효과(SSE)의 기여는 외부 자기장 변화에 따른 R2ω 측정치를 통해 cosφ 및 cos³φ 성분에 적합하여 무한한 자기장에서의 절편을 이용해 분리하였다.
• 총 R2ω에서 ANE/SSE 및 SOT 기여를 제거함으로써 내재적 USMR을 추출하였으며, 이는 도시도(USMR per 전류 밀도 per 총 저항)의 정량화를 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비틀림 절연체/자성체(TI/FM) 이중막에서 온도가 장치 작동 조건에 적합한 범위(20 K ~ 150 K)에서 비틀림 스핀홀 자기저항(USMR)을 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ2 TI/FM 시스템에서의 USMR 도시도(전류 밀도 및 총 저항 당 USMR)는 기존의 모든 금속성 Ta/Co 이중막과 비교하여 어떠한가?
• RQ3 Bi2Se3 및 (Bi,Sb)2Te3/CoFeB 이중막에서 USMR 크기는 온도 및 TI 두께에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 비정상적 네르네 효과 및 스핀 시벡 효과와 같은 외재적 효과가 측정된 2차 조화 저항에 기여하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 TI/FM 시스템에서의 내재적 USMR은 별도의 MTJ를 필요로 하지 않고 실용적인 두 단자형 SOT 스위칭 장치를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 20 K에서 150 K 사이의 온도 범위에서 (Bi,Sb)2Te3/CoFeB 및 Bi2Se3/CoFeB 이중막에서 비틀림 스핀홀 자기저항(USMR)이 성공적으로 관측되었다.
• 150 K에서 6 퀘이니플레어 층의 Bi2Se3/CoFeB 시료에서 최고의 도시도(전류 밀도 및 총 저항 당 USMR)는 3.19 ppm/(MA·cm²)에 도달하였으며, 이는 실온에서 보고된 최고 수준의 Ta/Co 이중막(1.14 ppm/(MA·cm²))을 초월하였다.
• 6 QL Bi2Se3/CoFeB 시료에서 전류 밀도 당 USMR는 150 K에서 0.95 mΩ/(MA·cm²)에 도달하였으며, 이는 최고 수준의 Ta/Co 이중막에서 관측된 값의 두 배 이상이었다.
• 10 QL (Bi,Sb)2Te3/CoFeB 시료는 70 K에서 최고의 USMR 도시도(전류 밀도 및 저항 당) 1.45 ppm/(MA·cm²)를 기록하였으며, 이 시료의 저항은 733 Ω였다.
• USMR 신호는 온도에 매우 민감하며, (Bi,Sb)2Te3의 경우 70 K에서, Bi2Se3의 경우 150 K에서 최대값을 보였는데, 이는 표면 및 부피 도핑 채널 간의 경쟁 기여로 인한 것이다.
• 외부 자기장에 따른 조화 저항 측정 및 무한한 자기장으로의 외삽을 통해 비정상적 네르네 효과 및 스핀 시벡 효과의 기여를 분리하고, 이를 제거함으로써 내재적 USMR을 추출하였다.