[論文レビュー] Unidirectional spin Hall magnetoresistance in topological insulator/ferromagnetic layer heterostructures

Yang Lv, James Kally+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 35被引用数 129

ひとこと要約

本研究では、トポロジカル絶縁体/強磁性体（TI/FM）ヘテロ構造において、一方向性スピンホール磁気抵抗（USMR）を実証した。これにより、別個の読み取り接合部を必要としない二端子型スピンオービットトルク（SOT）スイッチング素子の実現が可能になった。Bi2Se3および（Bi,Sb）2Te3におけるスピン運動量ロックを活用することで、最大で3.19 ppm/(MA·cm²)の性能指標（USMR/単位電流密度/抵抗）を達成し、報告済みの最良のTa/Coバイレイヤーを上回った。これにより、分離読み取り接合部を必要とせず、構造的にも有利な効率的なスピントロニクス素子の実現が可能になった。

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.

研究の動機と目的

• 20 K から 150 K の温度範囲で、トポロジカル絶縁体/強磁性体（TI/FM）ヘテロ構造における一方向性スピンホール磁気抵抗（USMR）の実証。
• 磁気トンネル接合（MTJ）を別途設ける必要を排除することで、二端子型スピンオービットトルク（SOT）スイッチング素子の実現。
• 従来の金属的Ta/Coバイレイヤーと比較して、TI/FM系におけるUSMRの性能指標の評価。
• 測定結果における外的寄与（例：異常ネルンスト効果、スピンセーベック効果）と内在的USMRの分離と定量。
• Bi2Se3および（Bi,Sb）2Te3/CoFeBヘテロ構造におけるUSMRの温度依存性および厚さ依存性の解明。

提案手法

• エピタキシャル（Bi,Sb）2Te3およびBi2Se3薄膜は、制御された厚さ（6および10クインティル層）で、InP (111)基板上に分子線エpitaxy（MBE）を用いて成長した。
• TiO2（5 nm）およびMgO（2 nm）キャッピング層は、超高真空下でマグネトロンスパッタリングにより堆積し、TIの保護とヘテロ構造の形成を図った。
• フォトレジストを用いたリソグラフィーとイオンミリングを経て、ホールバー型デバイス（50 μm × 20 μm）を形成。その後、電子ビーム蒸着とリリース処理により電気的接触を形成した。
• 10 Hzの交流電流（2–3 mA RMS）を用い、回転する外部磁場（xy、zx、zy面）を有するQuantum Design PPMSを用いて、角度依存性2次調波抵抗測定（RωおよびR2ω）を実施した。
• 異常ネルンスト効果（ANE）およびスピンセーベック効果（SSE）の寄与は、外部磁場を変化させたR2ω測定を行い、cosφおよびcos³φ成分のフィッティングにより分離した。無限大の磁場における切片を用いて、ANE/SSE寄与を算出した。
• 全R2ωからANE/SSEおよびSOT寄与を差し引くことで、内在的USMRを抽出し、性能指標（USMR/単位電流密度/全抵抗）の定量を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 20 K から 150 K の温度範囲で、トポロジカル絶縁体/強磁性体（TI/FM）ヘテロ構造において、一方向性スピンホール磁気抵抗（USMR）を実験的に観測できるか？
• RQ2 TI/FM系におけるUSMRの性能指標（USMR/単位電流密度/全抵抗）は、金属的Ta/Coバイレイヤーと比較してどの程度か？
• RQ3 Bi2Se3および（Bi,Sb）2Te3/CoFeBヘテロ構造において、USMRの大きさは温度およびTIの厚さにどのように依存するか？
• RQ4 異常ネルンスト効果やスピンセーベック効果などの外的寄与が、測定された2次調波抵抗にどの程度寄与しているか？
• RQ5 TI/FM系における内在的USMRは、別個のMTJを用いた読み取りを必要としない実用的な二端子型SOTスイッチング素子を支えることができるか？

主な発見

• 20 K から 150 K の温度範囲で、（Bi,Sb）2Te3/CoFeBおよびBi2Se3/CoFeBヘテロ構造において、一方向性スピンホール磁気抵抗（USMR）が明確に観測された。
• 6クインティル層のBi2Se3/CoFeB試料において、150 Kで最大の性能指標（USMR/単位電流密度/全抵抗）が3.19 ppm/(MA·cm²)に達し、室温で報告された最良のTa/Coバイレイヤー（1.14 ppm/(MA·cm²)）を上回った。
• 6 QLのBi2Se3/CoFeB試料では、150 Kで0.95 mΩ/(MA·cm²)の単位電流密度あたりのUSMRに達し、最良のTa/Coバイレイヤーで観測された値の2倍以上であった。
• 10 QLの（Bi,Sb）2Te3/CoFeB試料では、70 Kで最大のUSMR/単位電流密度/抵抗が1.45 ppm/(MA·cm²)に達し、抵抗値は733 Ωであった。
• USMR信号は強く温度依存的であり、（Bi,Sb）2Te3では70 K、Bi2Se3では150 Kで最大値を示した。これは表面およびバルク伝導チャネルの競合寄与によるものである。
• 磁場依存性調波抵抗測定と無限磁場への外挿を用いて、異常ネルンスト効果およびスピンセーベック効果の寄与を分離・除去することで、内在的USMRの抽出に成功した。