[论文解读] Reliability of spin-to-charge conversion measurements in graphene-based lateral spin valves

C. K. Safeer, Franz Herling+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2021

Graphene research and applications参考文献 51被引用 21

一句话总结

本研究表明，石墨烯中常见的S形非局部电压（VNL）与磁场（B）响应——通常被解释为反Rashba-Edelstein效应（IREE）的证据——实际上源于纯净石墨烯中由漏磁场引起的普通霍尔效应（OHE），而非真实的自旋-电荷转换。通过有限元模拟与实验验证，作者证明，在Co电极中，OHE受铁磁漏磁场影响，其贡献远超反常霍尔效应（AHE），因此在标准横向自旋阀结构中，除非结合Hanle进动测量，否则不能将S形响应归因于IREE。

ABSTRACT

Understanding spin physics in graphene is crucial for developing future two-dimensional spintronic devices. Recent studies show that efficient spin-to-charge conversions via either the inverse spin Hall effect or the inverse Rashba-Edelstein effect can be achieved in graphene by proximity with an adjacent spin-orbit coupling material. Lateral spin valve devices, made up of a graphene Hall bar and ferromagnets, are best suited for such studies. Here, we report that signals mimicking the inverse Rashba-Edelstein effect can be measured in pristine graphene possessing negligible spin-orbit coupling, confirming that these signals are unrelated to spin-to-charge conversion. We identify either the anomalous Hall effect in the ferromagnet or the ordinary Hall effect in graphene induced by stray fields as the possible sources of this artefact. By quantitatively comparing these options with finite-element-method simulations, we conclude the latter better explains our results. Our study deepens the understanding of spin-to-charge conversion measurement schemes in graphene, which should be taken into account when designing future experiments.

研究动机与目标

• 研究基于石墨烯的横向自旋阀（LSVs）中自旋-电荷转换（SCC）测量的可靠性。
• 确定S形VNL与B曲线——通常归因于反Rashba-Edelstein效应（IREE）——是否真实反映石墨烯中自旋-轨道耦合的指标。
• 识别并量化来自铁磁漏磁场及霍尔效应的虚假信号，这些信号在纯净石墨烯及Bi2O3近邻石墨烯中会模拟IREE行为。
• 确立唯有Hanle进动测量能为基于石墨烯的LSVs中自旋-电荷转换提供明确证据。

提出的方法

• 在SiO2/Si基底上制备了具有TiOx/Co铁磁电极和Bi2O3近邻层的双层石墨烯横向自旋阀。
• 在50 K下，对平面内（Bx）和垂直平面外（Bz）磁场变化下的非局部电压（VNL）进行测量。
• 使用COMSOL Multiphysics进行有限元法（FEM）模拟，以建模来自漏磁场的普通霍尔效应（OHE）和Co电极中的反常霍尔效应（AHE）。
• 通过改变界面电阻（Ri）、反常霍尔角（θAHE）、针孔数量和石墨烯厚度，模拟电势分布和非局域电压响应。
• 将模拟的VNL响应与实验数据对比，以识别主导的伪影机制。
• 利用拉曼光谱和光学对比度确认双层石墨烯结构，并验证多个器件间的可重复性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在基于石墨烯的横向自旋阀中，S形VNL与B曲线是否可归因于通过反Rashba-Edelstein效应（IREE）实现的真实自旋-电荷转换？
• RQ2 器件结构中哪些物理机制可在不涉及石墨烯自旋-轨道耦合的情况下产生S形VNL-B响应？
• RQ3 来自铁磁电极漏磁场的普通霍尔效应（OHE）是否为LSV测量中伪影信号的主要来源？
• RQ4 Co中的反常霍尔效应（AHE）与石墨烯中的OHE在幅度和对称性上如何比较，以解释观测到的非局域电压信号？
• RQ5 有限元模拟能否定量再现实验VNL响应，并区分AHE与OHE的贡献？

主要发现

• 在自旋-轨道耦合可忽略的纯净石墨烯中观察到S形VNL与Bx曲线，证明其并非IREE的指标。
• 由漏磁场引起的石墨烯中普通霍尔效应（OHE）是主导的伪影机制，解释了S形响应，而非Co电极中的反常霍尔效应（AHE）。
• 有限元模拟证实，垂直于平面的漏磁场产生的OHE可产生与实验S形曲线对称性和幅度相同的非局域电压。
• 在模拟条件下，OHE贡献约为AHE的100倍，因此是伪影的主要来源。
• 模拟表明，OHE电压与石墨烯厚度成正比，且受高界面电阻（Ri）抑制，但在实际针孔密度下仍占主导地位。
• 本研究结论为：唯有Hanle进动测量能为基于石墨烯的横向自旋阀中自旋-电荷转换提供明确证据。