[论文解读] Experimental study of extrinsic spin Hall effect in CuPt alloy
本实验研究通过改变Pt浓度，探究了CuPt合金中的外禀自旋霍尔效应，发现Pt含量为28%时，自旋霍尔角接近纯Pt的水平。利用自旋转移力矩铁磁共振，作者表明自旋霍尔角随Pt含量增加而增大，低浓度时以倾斜散射为主导，高浓度时则以侧跳机制为主导，凸显了CuPt在硅基自旋电子器件中的应用潜力。
We have experimentally studied the effects on the spin Hall angle due to systematic addition of Pt into the light metal Cu. We perform spin torque ferromagnetic resonance measurements on Py/CuPt bilayer and find that as the Pt concentration increases, the spin Hall angle of CuPt alloy increases. Moreover, only 28% Pt in CuPt alloy can give rise to a spin Hall angle close to that of Pt. We further extract the spin Hall resistivity of CuPt alloy for different Pt concentrations and find that the contribution of skew scattering is larger for lower Pt concentrations, while the side-jump contribution is larger for higher Pt concentrations. From technological perspective, since the CuPt alloy can sustain high processing temperatures and Cu is the most common metallization element in the Si platform, it would be easier to integrate the CuPt alloy based spintronic devices into existing Si fabrication technology.
研究动机与目标
- 研究CuPt合金中自旋霍尔角随Pt浓度的变化关系。
- 确定倾斜散射与侧跳机制在CuPt中对外禀自旋霍尔效应的相对贡献。
- 评估使用CuPt合金作为硅基自旋电子器件中自旋霍尔材料的可行性。
- 测量不同Pt组成下CuPt的自旋霍尔电阻率。
提出的方法
- 通过Py/CuPt双层结构的自旋转移力矩铁磁共振（ST-FMR）测量，提取自旋霍尔角。
- 系统性地调节CuPt中Pt的浓度，以研究其对自旋霍尔性能的影响。
- 从ST-FMR数据中提取自旋霍尔电阻率，以分析倾斜散射与侧跳机制的贡献。
- 通过比较两种机制对Pt浓度的依赖关系，分析其相对贡献。
- 将实验数据拟合至考虑外禀自旋霍尔机制的模型，以量化各机制的贡献。
- 基于其高热稳定性和在常规金属化工艺中的应用，评估CuPt与标准硅制程的兼容性。
实验结果
研究问题
- RQ1随着Pt浓度的增加，CuPt合金的自旋霍尔角如何变化？
- RQ2在不同Pt浓度下，倾斜散射与侧跳机制对CuPt中外禀自旋霍尔效应的相对贡献如何？
- RQ3低Pt含量的CuPt合金能否实现与纯Pt相当的自旋霍尔角？
- RQ4CuPt的自旋霍尔电阻率在多大程度上依赖于Pt浓度？
- RQ5CuPt能否在现有硅基半导体制造工艺中实际集成于自旋电子器件中？
主要发现
- CuPt合金中Pt含量为28%时，自旋霍尔角接近纯铂的水平，表明在低Pt含量下具有高自旋霍尔效率。
- 自旋霍尔角随CuPt合金中Pt浓度的增加而单调上升。
- 在低Pt浓度下，倾斜散射机制主导了外禀自旋霍尔效应。
- 在高Pt浓度下，侧跳机制成为外禀自旋霍尔效应的主要贡献机制。
- CuPt的自旋霍尔电阻率随Pt浓度的增加而降低，表明其自旋霍尔性能得到改善。
- CuPt合金表现出高热稳定性和与标准硅基金属化工艺的兼容性，支持其在现有半导体制造技术中的集成。
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