[논문 리뷰] Spintronics of Organometal Trihalide Perovskites

Dali Sun, Chuang Zhang외 7명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 02.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 유기금속 할라이드 퍼보스카이트(CH3NH3PbX3)에서 스핀트로닉스 연구를 선도적으로 수행하며, 스핀펌핑을 통한 순수 스핀전류 생성과 스핀 정렬된 캐리어 주입을 입증한다. 스핀홀 효과의 역효과를 통해 실온에서 약 9 nm의 스핀 확산 길이를 측정하였고, 스핀밸브 장치에서의 자화계수를 통해 저온에서 약 85 nm의 스핀 확산 길이를 보고하였다. 이는 Pb 원자가 유도하는 강한 스핀-오비탈 결합으로 인해 스핀 기반 옵티오일렉트로닉 장치에 대한 잠재력이 높다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

The family of organometal trihalide perovskite (OTP), CH3NH3PbX3 (where X is halogen) has recently revolutionized the photovoltaics field and shows promise in a variety of optoelectronic applications. The characteristic spin properties of charge and neutral excitations in OTPs are influenced by the large spin-orbit coupling of the Pb atoms, which may lead to spin-based device applications. Here we report the first studies of pure spin-current and spin-aligned carrier injection in OTP spintronics devices using spin-pumping and spin-injection, respectively. We measure a relatively large inverse-spin-Hall effect using pulsed microwave excitation in OTP devices at resonance with a ferromagnetic substrate, from which we derive room temperature spin diffusion length, lambda_sd~9nm; and low-temperature giant magnetoresistance in OTP-based spin-valves from which we estimate lambda_sd~85nm.

연구 동기 및 목표

• 유기금속 할할라이드 퍼보스카이트(OTP)의 스핀트로닉스 특성, 특히 스핀 이동도 및 주입 특성에 대한 탐구.
• Pb 원자가 유도하는 강한 스핀-오비탈 결합이 스핀 기반 장치 기능을 어떻게 가능하게 하는지 조사.
• 스핀펌핑 및 스핀밸브 구조에서의 자화계수를 이용하여 OTP 내 스핀 확산 길이 측정.
• OTP가 실온 스핀트로닉스 응용에 실현 가능함을 입증.

제안 방법

• 고체 펄스 마이크로파 자극을 이용한 페로자성 공명에서의 스핀펌핑을 통해 OTP 장치에서 스핀 전류 생성.
• 실온에서의 역스핀홀 효과 측정을 통해 스핀 확산 길이 추출.
• 저온에서의 거대자화계수를 관찰하기 위해 OTP 기반 스핀밸브 장치 제작.
• 페로자성 공명 및 마이크로파 자극을 이용해 OTP 내 스핀 정렬 캐리어의 주입 및 검출.
• 역스핀홀 전압의 전기적 검출을 통해 스핀 전류 반응 분석.
• 스핀펌핑 및 자화계수의 실험 데이터를 융합하여 다양한 온도 조건에서의 스핀 확산 길이 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀펌핑 기법을 사용하여 유기금속 할할라이드 퍼보스카이트에서 순수 스핀전류를 생성하고 검출할 수 있는가?
• RQ2 실온에서 OTP의 스핀 확산 길이는 얼마이며, 다른 스핀트로닉스 재료와 비교해보면 어떠한가?
• RQ3 스핀 정렬 캐리어는 OTP에 주입될 수 있으며, 스핀밸브 구조에서의 자화계수 행동은 어떠한가?
• RQ4 Pb 기반 퍼보스카이트에서의 강한 스핀-오비탈 결합은 스핀 이동도 및 장치 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 OTP는 얼마나 실온 스핀트로닉스 기능을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 실온에서의 OTP 장치에서 역스핀홀 효과가 관측되어 약 9 nm의 스핀 확산 길이를 도출하였다.
• OTP 기반 스핀밸브에서의 저온 거대자화계수는 약 85 nm의 훨씬 긴 스핀 확산 길이를 시사하였다.
• 측정된 스핀 확산 길이가 복잡한 결함 구조를 지닌 OTP의 스핀트로닉스 응용 잠재력이 있음을 확인하였다.
• 스핀펌핑 실험은 OTP에서 효율적인 스핀 전류 생성 및 검출이 가능함을 입증하여, 스핀트로닉스 장치에서의 역할을 검증하였다.
• 결과는 Pb 기반 퍼보스카이트에서 강한 스핀-오비탈 결합이 스핀 이동도 특성에 미치는 영향을 강조하였다.
• 이 연구는 OTP가 향후 스핀트로닉스 및 스핀광발전 장치의 유망한 후보임을 입증하였다.