[論文レビュー] Electron-Spin-Resonance in a proximity-coupled MoS2/Graphene van-der-Waals heterostructure

Chithra H. Sharma, Pai Zhao+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2021

Graphene research and applications参考文献 41被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、1.5 Kでグラフェン/ジチカルコゲナイド（Gr/MoS2）ボンデルワールズヘテロ構造における抵抗検出型電子スピン共鳴（ESR）を実証し、1.91にゲートで調整可能なg因子を明らかにした。これは、SiO2上に形成されたグラフェン（1.952）と比較して顕著に低い値であり、近接効果によるスピン軌道結合（SOC）の存在を示唆している。この結果は、周波数依存のESR測定と一致し、層間相互作用によるSOCの増強を理論的予測と一致させている。

ABSTRACT

Coupling graphene's excellent electron and spin transport properties with higher spin-orbit coupling material allows tackling the hurdle of spin manipulation in graphene, due to the proximity to van-der-Waals layers. Here we use magneto transport measurements to study the electron spin resonance on a combined system of graphene and MoS2 at 1.5K. The electron spin resonance measurements are performed in the frequency range of 18-33GHz, which allows us to determine the g-factor in the system. We measure average g-factor of 1.91 for our hybrid system which is a considerable shift compared to what is observed in graphene on SiO2. This is a clear indication of proximity induced SOC in graphene in accordance with theoretical predictions.

研究の動機と目的

• ボンデルワールズヘテロ構造におけるMoS2に近接したグラフェンにおけるスピン軌道結合（SOC）を調査すること。
• 低温（1.5 K）における抵抗検出型電子スピン共鳴（ESR）を用いて、グラフェン内の電子のg因子を測定すること。
• ゲート電圧に伴うg因子の変化を測定し、キャリア密度および層間相互作用の影響を調査すること。
• Gr/SiO2デバイスと比較することで、近接効果によるSOCの直接的な実験的証拠を確立すること。

提案手法

• 1.5 KでGr/MoS2ヘテロ構造に対して四端子磁気輸送測定を実施し、ESR信号を検出する。
• 18–33 GHzのマイクロ波放射をヘチシャン共振コイルを介して印加し、マイクロ波周波数がゼーマン分裂と一致する際にスピン反転を誘発する。
• マイクロ波照射有りと無しの抵抗変化（ΔRxx）を測定し、ESR共鳴を検出する。
• 共鳴磁場の周波数依存性の線形関係からg因子を抽出し、関係式 hν = gμBB を用いる。
• 高p型ドーピングを施したSi基板をバックゲートとして用い、キャリア濃度を調整し、g因子のゲート電圧依存性を調査する。
• Gr/SiO2デバイスを参照として用い、MoS2の近接効果がg因子に与える影響を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Gr/MoS2ボンデルワールズヘテロ構造におけるg因子が、その固有値から逸脱するか。これは、近接効果によるスピン軌道結合（SOC）の存在を示唆するか？
• RQ2 MoS2が存在する条件下で、グラフェンのg因子はゲート電圧にどのように依存するか。これはキャリア媒介型SOCに何を示唆するか？
• RQ3 1.5 KでGr/MoS2ヘテロ構造において抵抗検出型電子スピン共鳴（ESR）を成功裏に測定できるか。信号対雑音比はどの程度か？
• RQ4 層間相互作用は、グラフェンのスピンダイナミクスおよびスピン寿命にどのような役割を果たすか？
• RQ5 MoS2に近接した場合、グラフェンのスピン緩和時間はSiO2上に形成されたグラフェンと比較してどのように変化するか？

主な発見

• Gr/MoS2ヘテロ構造における平均g因子は1.91であり、SiO2上に形成されたグラフェンで測定された1.952 ± 0.002と比較して顕著な逸脱を示し、強化されたスピン軌道結合を示唆している。
• g因子はゲート電圧に強く依存し、チャージネutrality点を通過する間に約1.95から1.91に減少する。これは、近接効果によるSOCと一致する。
• スピン寿命 τs は (71.5 ± 4) ps と推定され、グラフェンおよびGr/TMDCヘテロ構造で報告された値と同等であり、スピンコherーランスが保持されていることを示唆している。
• ESR信号は、MoS2被覆領域とSiO2被覆領域の両方を含む測定領域でのみ検出可能であり、混合領域が信号対雑音比の向上に寄与していることを示している。
• 観測されたg因子のシフトは、MoS2からのキャリア移動および電場誘起SOCによるものであり、第一原理計算（例：約1 meVの分裂）の予測と一致している。
• 小型プローブ構造では検出可能なESR信号が得られなかったことから、信号はスピン反転イベントの数および十分なキャリア密度と面積に依存していることが示唆されている。