[论文解读] Electrical Measurement of the Direct Spin Hall Effect in Fe/In_xGa_{1-x}As Heterostructures

E.S. Garlid, Qi Hu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2010

Magnetic properties of thin films被引用 11

一句话总结

本研究通过铁磁性接触的自旋极化霍尔电压测量，首次实现了在Fe/In_xGa_1−xAs异质结构中全电学检测直接自旋霍尔效应。实验揭示了skew散射和侧跳贡献对自旋霍尔电导率的贡献，其中侧跳项约为离子杂质散射理论预测值的~2.5倍，且在150 K以下表现出微弱的温度依赖性，这归因于尽管自旋寿命随温度升高而降低，但自旋积累仍具有较强的鲁棒性。

ABSTRACT

We report on an all-electrical measurement of the spin Hall effect in epitaxial Fe/In_{x}Ga_{1-x}As heterostructures with n-type channel doping (Si) and highly doped Schottky tunnel barriers. A transverse spin current generated by an ordinary charge current flowing in the In_{x}Ga_{1-x}As is detected by measuring the spin accumulation at the edges of the channel. The spin accumulation is identified through the observation of a Hanle effect in the Hall voltage measured by pairs of ferromagnetic contacts. We investigate the bias and temperature dependence of the resulting Hanle signal and determine the skew and side-jump contributions to the total spin Hall conductivity.

研究动机与目标

• 展示在具有强自旋轨道耦合的III-V族半导体异质结构中全电学检测直接自旋霍尔效应。
• 量化skew散射和侧跳机制对总自旋霍尔电导率的贡献。
• 研究外延Fe/In_xGa_1−xAs异质结构中自旋霍尔信号的偏置和温度依赖性。
• 评估利用自旋霍尔效应作为探测短自旋扩散长度材料中自旋相关现象的可行性。

提出的方法

• 通过分子束外延法外延生长Fe/In_xGa_1−xAs异质结构，掺杂Si浓度为3–5×10¹⁶ cm⁻³，以调节载流子浓度和电导率。
• 采用标准光刻和刻蚀技术制备沿[110]方向的30 μm宽横向器件。
• 在距离沟道边缘2、6和10 μm处图案化4 μm宽的铁磁性Fe接触，通过自旋依赖的霍尔电压检测横向自旋积累。
• 通过施加反向磁场以反转Fe接触的磁化方向，测量Hanle效应，从而提取自旋寿命和自旋积累。
• 从Hanle信号中提取自旋霍尔电导率，并拟合为σ_SH = γσ_xx + σ_SJ，其中γ代表skew散射，σ_SJ代表侧跳贡献。
• 在30–150 K范围内进行温度依赖性测量，以评估电子迁移率和自旋弛豫对自旋霍尔信号的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在In_xGa_1−xAs中，随着铟组分的变化，skew散射和侧跳机制对总自旋霍尔电导率的相对贡献如何？
• RQ2 在Fe/In_xGa_1−xAs异质结构中，自旋霍尔电导率如何随载流子浓度和沟道电导率变化？
• RQ3 这些异质结构中自旋霍尔效应的温度依赖性如何？其与自旋寿命和电子迁移率的关系是什么？
• RQ4 实验测得的自旋霍尔电导率及其组分与基于离子杂质散射的理论预测值相比，偏差程度如何？

主要发现

• 自旋霍尔电导率(σ_SH)随In浓度增加而增大，但这一现象无法明确归因于自旋轨道耦合的增强，因为载流子密度和迁移率也同时发生变化。
• 观察到σ_SH与σ_xx呈线性依赖关系，证实了skew(γσ_xx)和侧跳(σ_SJ)贡献的存在，负截距表明σ_SJ的符号正确。
• σ_SJ/γ的比值约为离子杂质散射理论预测值的2.5倍，所有样品中该值在2.2至3.0×10³ Ω⁻¹m⁻¹之间变化。
• 侧跳贡献始终大于理论预测值，表明可能存在其他散射机制的贡献，或自旋极化标定中存在未计入的系统误差。
• 自旋霍尔电导率从30 K到100 K略有增加，这是由于电子迁移率上升所致；但在~120 K以上迅速下降，原因在于自旋寿命(τ_s)急剧降低。
• 尽管τ_s随温度变化，自旋霍尔电导率在测量范围内仍保持相对稳定，表明对声子散射的敏感性较弱。