[论文解读] All-electrical creation and control of giant spin-galvanic effect in 1T-MoTe2/graphene heterostructures at room temperature

Md. Anamul Hoque, Dmitrii Khokhriakov+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2019

2D Materials and Applications参考文献 35被引用 9

一句话总结

本研究在室温下实现了在1T-MoTe2/石墨烯范德华异质结中全电学生成并栅压可调的巨自旋-霍尔效应。该效应源于邻近诱导的Rashba自旋-轨道耦合，实现了比其他系统大一个数量级的强自旋-电荷转换，且可通过靠近电荷中性点的栅压实现对信号符号和强度的完全电控。

ABSTRACT

The ability to engineer new states of matter and to control their electronic and spintronic properties by electric fields is at the heart of the modern information technology and driving force behind recent advances in van der Waals (vdW) heterostructures of two-dimensional materials. Here, we exploit a proximity-induced Rashba-Edelstein (REE) effect in vdW heterostructures of Weyl semimetal candidate MoTe2 and CVD graphene, where an unprecedented gate-controlled switching of spin-galvanic effect emerges due to an efficient spin-to-charge conversion at room temperature. The magnitude of the measured spin-galvanic signal is found to be an order of magnitude larger than the other systems, giving rise to a giant REE. The magnitude and the sign of the spin-galvanic signal are shown to be strongly modulated by gate electric field near the charge neutrality point, which can be understood considering the spin textures of the Rashba spin-orbit coupling-induced spin-splitting in conduction and valence bands of the heterostructure. These findings open opportunities for utilization of gate-controlled switching of spin-galvanic effects in spintronic memory and logic technologies and possibilities for realization of new states of matter with novel spin textures in vdW heterostructures with gate-tunable functionalities.

研究动机与目标

• 在室温下实现对二维范德华异质结中自旋-霍尔效应的全电控。
• 探究邻近诱导的Rashba自旋-轨道耦合在实现强自旋-电荷转换中的作用。
• 在1T-MoTe2/石墨烯异质结中展示栅压可调的自旋-霍尔信号幅度和符号。
• 建立具备增强功能和室温运行能力的栅压可调自旋电子器件平台。
• 研究二维异质结中自旋纹理与电子能带结构之间的相互作用，以探索新型量子现象。

提出的方法

• 通过机械剥离和转移1T-MoTe2与CVD生长石墨烯制备范德华异质结。
• 施加背栅电压以调节石墨烯层在电荷中性点附近的载流子密度。
• 在霍尔条形几何结构中利用铁磁接触进行自旋注入与探测，测量自旋-霍尔效应。
• 利用1T-MoTe2/石墨烯界面处的邻近诱导Rashba自旋-轨道耦合，在导带和价带中产生自旋分裂。
• 分析栅压依赖的信号，将自旋-霍尔电压的变化与自旋纹理演化及能带调制相关联。
• 利用电学栅控实现对自旋-霍尔信号符号和幅度的电控切换，证实对自旋-电荷转换的控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在室温下通过全电学方式在二维范德华异质结中生成并控制自旋-霍尔效应？
• RQ2 1T-MoTe2/石墨烯异质结中的自旋-霍尔效应幅度是多少？与其它系统相比如何？
• RQ3 栅压如何调制该异质结中自旋-霍尔信号的符号和幅度？
• RQ4 Rashba自旋-轨道耦合在该体系中实现巨自旋-霍尔效应中扮演何种角色？
• RQ5 能否通过电学方式调节异质结的自旋纹理以控制自旋-电荷转换效率？

主要发现

• 1T-MoTe2/石墨烯异质结中的自旋-霍尔效应幅度比以往报道的系统大一个数量级，表明存在巨Rashba-Edelstein效应。
• 自旋-霍尔信号的符号和幅度可通过靠近电荷中性点的栅压可逆调制，证明了全电控能力。
• 观察到的栅压可调性归因于Rashba自旋-轨道耦合引起的电场调制自旋分裂，影响导带和价带。
• 该效应在室温下依然稳定存在且具有鲁棒性，为自旋电子器件的实际应用提供了可能。
• 该系统表现出强自旋-电荷转换效率，即使在零磁场下也能测量到显著信号。
• 结果证实异质结的自旋纹理可通过栅压调制，实现了对自旋依赖输运的动态控制。