[논문 리뷰] Van der Waals engineering of ferromagnetic semiconductor heterostructures for spin and valleytronics

Ding Zhong, Kyle L. Seyler외 12명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 01.

2D Materials and Applications참고 문헌 58인용 수 840

한 줄 요약

이 연구는 반데르발스 헤테로구조에서 초박자 CrI3와의 인접 결합을 통해 이중층 WSe2에서 스핀과 범주 스핀의 사상 제어를 사상적으로 구현한다. CrI3의 자화를 뒤집음으로써 연구자들은 골든스피너의 분리와 극화를 빠르게 스위칭할 수 있었으며, 약 13 T의 큰 효과적 자기 스핀 교환장을 측정하였다. 광발광 강도는 인터페이스를 가로질러 스핀 정렬에 따라 크게 달라졌다.

ABSTRACT

The integration of magnetic material with semiconductors has been fertile ground for fundamental science as well as of great practical interest toward the seamless integration of information processing and storage. Here we create van der Waals heterostructures formed by an ultrathin ferromagnetic semiconductor CrI3 and a monolayer of WSe2. We observe unprecedented control of the spin and valley pseudospin in WSe2, where we detect a large magnetic exchange field of nearly 13 T and rapid switching of the WSe2 valley splitting and polarization via flipping of the CrI3 magnetization. The WSe2 photoluminescence intensity strongly depends on the relative alignment between photo-excited spins in WSe2 and the CrI3 magnetization, due to ultrafast spin-dependent charge hopping across the heterostructure interface. The photoluminescence detection of valley pseudospin provides a simple and sensitive method to probe the intriguing domain dynamics in the ultrathin magnet, as well as the rich spin interactions within the heterostructure.

연구 동기 및 목표

• 초박자 투명한 자성 반도체와의 인접 결합을 통해 2차원 반도체에서 스핀 및 범주 스핀 제어를 탐색한다.
• 반데르발스 인터페이스가 격자 불일치나 계면 손상 없이 강한 가변성 있는 스핀 교환 상호작용을 가능하게 하는 역할을 하는지 조사한다.
• 광발광 검출을 통한 2차원 자성체의 자기 도메인 동역학을 감도 높고 비침습적으로 탐지하는 방법을 개발한다.
• 2차원 헤테로구조가 고가변성 스핀트로닉스 및 범주트로닉스 장치를 설계하는 데 실현 가능함을 보여준다.

제안 방법

• 초박자 WSe2와 약 10 nm 두께의 CrI3를 기계적으로 분리하여 반데르발스 헤테로구조를 제작하고, 부식을 방지하기 위해 h-BN으로 둘러싸였다.
• 스핀 및 범주 상태를 탐사하기 위해 가변 자기장과 온도 조건에서 편광된 광발광(PL) 분광법을 수행하였다.
• 서브 마이크론 해상도로 CrI3의 범주 스핀 극화 및 도메인 구조를 이미징하기 위해 공간적으로 해상도 있는 PL 맵핑을 실시하였다.
• 자기장을 2차원 평면에 수직으로 가해(파라데이 기하학), PL 강도와 피크 에너지의 히스테리시스를 유도하여 자성체 행동을 확인하였다.
• PL 데이터에서 강건하고 노이즈가 적은 신호를 추출하기 위해 범주 분리 및 정규화된 강도 차이(ρ)에 대한 피팅 기법을 사용하였다.
• 도메인 안정성과 관측된 히스테리시스 루프를 설명하기 위해 두 도메인 모델을 현상학적으로 개발하였으며, 이는 디폴라 상호작용과 증거 상호작용을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초박자 자성 반도체 CrI3는 반데르발스 인접 효과를 통해 2차원 반도체에 큰 가변성 있는 스핀 교환장을 유도할 수 있는가?
• RQ2 CrI3의 자화 방향은 WSe2의 범주 스핀 및 스핀 극화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 광발광 검출을 통한 범주 극화는 2차원 자성체의 자기 도메인 동역학을 감도 있게 탐지할 수 있는가?
• RQ4 인터페이스 스핀 교환 상호작용이 범주 분리의 빠른 스위칭을 가능하게 하는 역할은 무엇인가?
• RQ5 도메인 크기, 자화 강도, 도메인 간 상호작용은 관측된 히스테리시스 행동에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• CrI3와의 인접 결합으로 인해 WSe2에서 약 13 T의 큰 효과적 자기 스핀 교환장을 측정하였으며, 이는 5 K에서 약 3.5 meV의 범주 분리를 의미한다.
• 광발광 강도는 자극 전력에 독립적이었으며, 이는 실질적인 스핀 교환 상호작용의 기원임을 확인하고, 실리콘 농도 효과를 배제하였다.
• 광발광 강도는 WSe2에서 광자 자극된 스핀과 CrI3 자화 방향 간의 상대 정렬에 따라 크게 달라졌으며, 이는 인터페이스를 가로질러 초고속 스핀 의존성 전하 이동이 일어남을 시사한다.
• 자기장 조건에서 PL 강도 및 피크 에너지의 히스테리시스 루프를 관측하여 CrI3의 자성체 행동을 확인하였으며, 이는 양방향 약 ±0.85 T 및 ±1.85 T의 비틀림 필드를 보였다.
• 공간적으로 해상도 있는 PL 맵핑을 통해 CrI3의 명확한 자기 도메인 구조를 확인하였으며, 이 기술은 도메인 크기와 자화 방향에 민감하였다.
• 정규화된 강도 차이 ρ는 범주 스핀의 강건하고 노이즈가 적은 탐지 수단이었으며, 짧은 통합 시간 조건에서 범주 분리보다도 신호 대 잡음 비율에서 뛰어났다.