[论文解读] Coherent Epitaxial Semiconductor-Ferromagnetic Insulator InAs/EuS Interfaces: Band Alignment and Magnetic Structure

Yu Liu, Alessandra Luchini+17 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2019

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 61被引用 4

一句话总结

本研究展示了晶格匹配、相干外延生长的InAs/EuS异质结构，揭示其费米能级靠近InAs导带且位于EuS带隙内，保持了半导体行为。中子衍射与X射线反射测量显示界面处Eu磁矩被抑制，尽管从第一原理预测存在微弱交换场，但在InAs中未检测到诱导磁矩，推动了无需外加磁场的高质量自旋电子学平台发展。

ABSTRACT

Hybrid semiconductor-ferromagnetic insulator heterostructures are interesting due to their tunable electronic transport, self-sustained stray field and local proximitized magnetic exchange. In this work, we present lattice matched hybrid epitaxy of semiconductor - ferromagnetic insulator InAs/EuS heterostructures and analyze the atomic-scale structure as well as their electronic and magnetic characteristics. The Fermi level at the InAs/EuS interface is found to be close to the InAs conduction band and in the bandgap of EuS, thus preserving the semiconducting properties. Both neutron and X-ray reflectivity measurements show that the ferromagnetic component is mainly localized in the EuS thin film with a suppression of the Eu moment in the EuS layer nearest the InAs. Induced moments in the adjacent InAs layers were not detected although our ab initio calculations indicate a small exchange field in the InAs layer. This work presents a step towards realizing high quality semiconductor - ferromagnetic insulator hybrids, which is a critical requirement for development of various quantum and spintronic applications without external magnetic fields.

研究动机与目标

• 开发高质量、晶格匹配的半导体-铁磁绝缘体异质结构，用于自旋电子学应用。
• 理解InAs/EuS异质界面上原子尺度的界面结构、能带排列与磁性特性。
• 研究通过近邻效应在InAs层中诱导磁性的存在与否及其程度。
• 确定EuS层中铁磁矩的空间分布及其在界面附近的抑制程度。
• 通过实验测量验证理论预测的InAs中交换场的准确性。

提出的方法

• 在晶格匹配的衬底上外延生长InAs/EuS异质结构，以实现相干界面。
• 通过X射线与中子反射测量探测EuS层的密度及磁性深度分布。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）测定界面处费米能级位置与能带排列。
• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算预测InAs层中的交换场与电子结构。
• 利用自洽模型分析反射率数据，提取层厚、粗糙度及磁矩深度分布。
• 将实验结果与理论预测进行对比，评估近邻诱导磁性的强度与空间范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 在相干InAs/EuS异质界面上，能带排列如何？其对电子输运特性有何影响？
• RQ2 EuS的铁磁矩在薄膜中的分布如何，特别是在靠近InAs界面区域？
• RQ3 由于与铁磁性EuS的临近作用，InAs层中是否存在可测量的诱导磁性？
• RQ4 EuS磁矩在InAs/EuS界面处被抑制的程度如何？
• RQ5 从头算计算对InAs层中观测到的交换场的预测与实际结果符合程度如何？

主要发现

• InAs/EuS界面处的费米能级靠近InAs导带且位于EuS带隙内，保持了半导体行为。
• 中子与X射线反射数据表明，铁磁成分主要局域于EuS层内，且界面附近EuS层的磁矩显著降低。
• 尽管从头算计算预测存在微弱交换场，但在相邻InAs层中未检测到可测量的诱导磁矩。
• 界面为相干且晶格匹配，实现了高质量外延异质结构，对量子与自旋电子学器件至关重要。
• 未检测到可测量的诱导磁矩表明，在当前实验条件下InAs中的近邻效应较弱。
• 结果表明，利用半导体-铁磁绝缘体异质结构可实现无外加磁场的自旋电子学器件。