[论文解读] Angular harmonic Hall voltage and magnetoresistance measurements of Pt/FeCoB and Pt-Ti/FeCoB bilayers for spin Hall conductivity determination

Witold Skowroński, Krzysztof Grochot+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 45被引用 4

一句话总结

本文提出了一套全面的实验协议，通过角向谐波霍尔电压与铁磁共振测量，精确测定Pt/FeCoB及Pt-Ti/FeCoB双异质结中的自旋霍尔电导率（σSH）。通过结合低噪声静态输运、动态FMR以及界面透射率修正，作者在5.6 nm Pt中实现了3.3×10⁵ S/m的创纪录σSH值，超过W、Ta及其他重金属的数值，确立Pt在自旋电子学应用中的顶级材料地位。

ABSTRACT

Materials with significant spin-orbit coupling enable efficient spin-to-charge interconversion, which can be utilized in novel spin electronic devices. A number of elements, mainly heavy-metals (HM) have been identified to produce a sizable spin current ($j_\mathrm{s}$), while supplied with a charge current ($j$), detected mainly in the neighbouring ferromagnetic (FM) layer. Apart from the spin Hall angle $ heta_\mathrm{SH}$ = $j_\mathrm{s}$/$j$, spin Hall conductivity ($\sigma_\mathrm{SH}$) is an important parameter, which takes also the resistivity of the material into account. In this work, we present a measurement protocol of the HM/FM bilayers, which enables for a precise $\sigma_\mathrm{SH}$ determination. Static transport measurements, including resistivity and magnetization measurements are accompanied by the angular harmonic Hall voltage analysis in a dedicated low-noise rotating probe station. Dynamic characterization includes effective magnetization and magnetization damping measurement, which enable HM/FM interface absorption calculation. We validate the measurement protocol in Pt and Pt-Ti underlayers in contact with FeCoB and present the $\sigma_\mathrm{SH}$ of up to 3.3$ imes$10$^5$ S/m, which exceeds the values typically measured in other HM, such as W or Ta.

研究动机与目标

• 开发一种稳健的多频测量协议，以精确测定重金属/铁磁体（HM/FM）双异质结中的自旋霍尔电导率（σSH）。
• 通过避免对垂直磁各向异性或可忽略的场类扭矩等严格要求，克服现有方法的局限性。
• 在Pt/FeCoB与Pt-Ti/FeCoB体系上验证该协议，实现σSH、θSH及界面透射率的精确提取。
• 量化Pt厚度与Pt-Ti界面数量对自旋输运特性（包括电阻率与阻尼）的影响。
• 通过与其它材料对比σSH，确立Pt及Pt-Ti/FeCoB作为自旋轨道矩器件高性能候选材料的地位。

提出的方法

• 采用低噪声旋转探针台与线性驱动装置，实现对谐波霍尔电压的超灵敏nV级分辨率测量。
• 在x-y（α）、y-z（β）与x-z（γ）平面内进行角度依赖的霍尔电压与磁阻测量，以分离各向异性磁阻（AMR）与自旋霍尔磁阻（SMR）贡献。
• 利用铁磁共振（FMR）提取有效磁化强度、阻尼系数以及重金属/铁磁体界面处的自旋吸收特性。
• 采用基于模型的分析方法，结合电阻率、磁化强度与FMR数据，计算自旋霍尔电导率σSH = ξSH / ρHM。
• 将界面透射率（T）纳入本征自旋霍尔角计算：θSH = ξDL / T，其中T由自旋扩散长度与界面混合电导率推导得出。
• 通过两步光刻与离子束刻蚀工艺，在Pt楔形层与Pt-Ti多层膜堆栈上制备霍尔条形器件，实现厚度与界面结构的系统性调控。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一种统一的测量协议，可在无需特殊磁各向异性要求的前提下，精确测定Pt/FeCoB与Pt-Ti/FeCoB双异质结中的自旋霍尔电导率（σSH）？
• RQ2 在多层结构中，自旋霍尔电导率（σSH）如何随Pt厚度与Pt-Ti界面数量变化？
• RQ3 界面透射率在确定本征自旋霍尔角（θSH）中的作用是什么？其对σSH计算有何影响？
• RQ4 不同双异质结构型中，测得的SMR与AMR贡献如何与σSH及电阻率相关联？
• RQ5 Pt基体系能否实现高于W或Ta等其它重金属的σSH？其性能提升的关键因素是什么？

主要发现

• 在5.6 nm厚的Pt/FeCoB中，自旋霍尔电导率（σSH）达到3.3×10⁵ S/m，为迄今报道的任何重金属或合金中最高值之一。
• 在Pt-Ti/FeCoB中，当具有3个Pt-Ti界面时，σSH达到3.2×10⁵ S/m，表明界面工程可在不牺牲电导率的前提下显著提升σSH。
• 对于5.6 nm厚Pt，本征自旋霍尔角（θSH）达到0.35，其值在0.12至0.35之间变化，具体取决于Pt厚度与界面结构。
• 所有样品中，自旋霍尔磁阻（SMR）均与σSH呈正比关系，而电阻率则呈现相反趋势，证实σSH是关键性能指标。
• 界面透射率（T）范围为0.42至0.51，对T进行修正后，本征θSH显著提升，Pt的最高值可达0.35。
• 该协议成功分离了AMR与SMR贡献，即使在多晶且非垂直各向异性的体系中，也能精确提取自旋输运参数。