[论文解读] Electron-Spin-Resonance in a proximity-coupled MoS2/Graphene van-der-Waals heterostructure

Chithra H. Sharma, Pai Zhao+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2021

Graphene research and applications参考文献 41被引用 6

一句话总结

本研究在1.5 K下实现了石墨烯/二硫化钼（Gr/MoS2）范德华异质结中的电阻检测电子自旋共振（ESR），测得其g因子为1.91，显著低于石墨烯/SiO2结构中的1.952。该偏差表明石墨烯中存在由邻近效应诱导的自旋-轨道耦合（SOC），并通过频率依赖的ESR测量得到验证，与理论预测的层间相互作用增强SOC的结果一致。

ABSTRACT

Coupling graphene's excellent electron and spin transport properties with higher spin-orbit coupling material allows tackling the hurdle of spin manipulation in graphene, due to the proximity to van-der-Waals layers. Here we use magneto transport measurements to study the electron spin resonance on a combined system of graphene and MoS2 at 1.5K. The electron spin resonance measurements are performed in the frequency range of 18-33GHz, which allows us to determine the g-factor in the system. We measure average g-factor of 1.91 for our hybrid system which is a considerable shift compared to what is observed in graphene on SiO2. This is a clear indication of proximity induced SOC in graphene in accordance with theoretical predictions.

研究动机与目标

• 通过石墨烯与MoS2在范德华异质结中的邻近效应，研究石墨烯中的自旋-轨道耦合（SOC）。
• 利用低温（1.5 K）下的电阻检测电子自旋共振（ESR）测量石墨烯中电子的g因子。
• 研究g因子随栅压的变化，探究载流子密度和层间相互作用的影响。
• 通过与标准Gr/SiO2器件对比，建立邻近诱导SOC在石墨烯中的直接实验证据。

提出的方法

• 在1.5 K下对Gr/MoS2异质结进行四点磁输运测量，以检测ESR信号。
• 通过赫兹谐振线圈施加微波辐射（18–33 GHz），当微波频率匹配塞曼分裂时诱导自旋翻转。
• 通过测量微波辐照下电阻的变化（ΔRxx）来检测ESR共振，利用有无微波辐照下的差值。
• 利用共振场与频率的线性依赖关系，通过公式 hν = gμBB 提取g因子。
• 采用背栅结构器件，利用高度p型掺杂的Si衬底调节载流子浓度，研究g因子的栅压依赖性。
• 将结果与参考的Gr/SiO2器件对比，以分离MoS2邻近效应对g因子的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Gr/MoS2范德华异质结中，石墨烯的g因子是否偏离其本征值，从而表明存在邻近诱导的自旋-轨道耦合？
• RQ2 在MoS2存在下，石墨烯的g因子如何随栅压变化，这对其载流子介导的SOC有何含义？
• RQ3 能否在1.5 K下成功测量Gr/MoS2异质结中的电阻检测电子自旋共振（ESR），其信噪比性能如何？
• RQ4 层间相互作用在调控石墨烯自旋动力学和自旋寿命方面起什么作用？
• RQ5 与石墨烯/SiO2相比，MoS2的邻近效应如何影响自旋弛豫时间？

主要发现

• Gr/MoS2异质结中的平均g因子为1.91，与石墨烯/SiO2中测得的1.952 ± 0.002相比有显著偏差，表明自旋-轨道耦合增强。
• g因子随栅压强烈变化，在电荷中性点附近从~1.95降低至1.91，与邻近诱导SOC一致。
• 自旋寿命τs估算为(71.5 ± 4) ps，与石墨烯及Gr/TMDC异质结中报道的值相当，表明自旋相干性得以保持。
• 只有当测量同时覆盖MoS2覆盖区和SiO2覆盖区时，才能检测到ESR信号，表明混合区域可提升信噪比。
• 观测到的g因子偏移归因于MoS2引起的载流子转移和电场诱导的SOC，与第一性原理计算预测一致（例如，~1 meV分裂）。
• 在更小探测区域中未检测到可辨识的ESR信号，表明信号对自旋翻转事件数量敏感，需足够载流子密度和探测面积。